球面离散网格系统中地理空间数据集成的思考
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全球离散网格系统基本原理是将球面按一定规则递 归剖分成形状、面积近似相等的格元，采用格元对应的唯 一地址码代替地理坐标在球面上进行各种操作。其本质
就是将地球表面进行规则划分，并构建地球表面的“电子 表格”。相对于 三 角 形、正 方 形 和 菱 形 来 说，六 边 形 具 有 空间覆盖率高、邻 接 关 系 一 致 等 特 点，因 此，六 边 形 网 格 更适合于地理空间数据的组织和管理［2］。针对基于六边 形的全球离散 网 格 系 统 的 基 础 理 论，国 内 外 相 关 学 者 都 做了深入的研究，并取得了许多成果［5 － 8］。本文主要针对 基于全球离散六角网格系统的多尺度、多源、多种格式和 投影的地理空间数据的集成方法进行讨论。
对于许多实 际 应 用 来 说，等 面 积 的 网 格 或 是 对 地 球 表面的等面积划分具有重要的意义。John Snyder 提出的 投影方法能够满足这一基本要求———使用面积相等的格 元覆盖整个地球表面。因此，在构建 ISEA3H 全球离散网 格系统过程中选择了 Snyder 二十面体等积投影。
AN － NNNNNNNNNN 其中，AN 是字母数字，既可以表示字母也可以表示数
全球离散网格系统具有离散性、多分辨率、等积性和 固定性等特征，这 为 基 于 位 置 的 地 理 空 间 数 据 集 成 提 供 了统一的框 架。 目 前，常 用 的 地 理 空 间 数 据 结 构 主 要 有 矢量、栅格和 DEM 等，因此在对多种格式的地理空间数 据集成时，本文着重考虑了这三种格式的数据集成。
正是参考系 与 投 影 方 式 的 不 同，为 多 源 的 地 理 空 间 数据集成带 来 了 巨 大 挑 战。 因 此，在 进 行 地 理 空 间 数 据 集成时，首先 需 要 进 行 参 考 系 和 投 影 的 变 换。 全 球 离 散 网格系统由于是面向全球进行地理空间数据集成，因此， 只在局部区域与真实地球较为接近的参心坐标系不能够 满足需求，必 须 采 用 地 心 坐 标 系。 由 于 基 于 多 面 体 的 全 球离散网格系统是球面网格，而非椭球面网格，可以采用 固定半径的地心球体，目前普遍应用的是 WGS84 参考椭 球，设定其地球半径为 6 371． 008 771 4 km。
1 网格剖分及格元编码规则
ISEA3H 是指孔径为 3 的、基于施耐德等积二十面体 投 影 的 全 球 离 散 六 角 网 格 系 统，Kevin Sahr 等 指 出 ISEA3H 是一个相对优化的基于多面体的全球离散网格 系统［2］。PYXIS 是由 PYXIS Innovation 公司开发的 基 于 ISEA3H 的全球离散网格系统，选择去顶二十面体作为理 想多面体，球体首先被分割成 20 个六边形和 12 个五边 形，然后将球体展开成平面，如图 1 所示。
0引言
随着空间技 术 和 信 息 技 术 的 飞 速 发 展，人 类 获 取 有 关地理空间数据及各种资源环境数据的能力大大增强， 这些数据呈现出 多 源 化、异 构 化、动 态 化 和 海 量 化 等 趋 势。在对全球 海 量 数 据 进 行 表 达 和 管 理 过 程 中，传 统 的 平面数据模型存在投影种类多样、算法复杂等局限性，并 且缺乏对全球 多 尺 度 空 间 数 据 的 管 理，难 以 满 足 对 局 部 数据的快速更新［1］。如何实现对多源异构的地理空间数 据的高效集成与 融 合，并 为 地 理 空 间 数 据 挖 掘、知 识 发 现、地理空间 分 析、可 视 化 及 建 模 与 仿 真 提 供 有 效 支 撑， 成为国内外地学专家普遍关注的热点问题。全球离散网 格系统（ Discrete Global Grid System，DGGs） 正是在这样的 背景下提出的［2 － 4］。
在全球离散网格系统的统一参考框架下不同尺度的地理空间数据对应着不同分辨率层次的网格而全球离散网格系统具有的多分辨率特性能够很好地支持对多尺度的地理空间数据集成这使得全球离散网格系统能够支持对地球表面任意位置地理空间信息从源数据精度层次进行网格化编码从而与已经网格化的数据保持一致
第 36 卷 第 9 期 2013 年 9 月
收稿日期： 2013 － 04 － 09 作者简介： 张 欣（ 1985 － ） ，男，河南夏邑人，地图学与地理信息工程专业博士研究生，主要研究方向为战场环境建模。
第9 期
张 欣等： 球面离散网格系统中地理空间数据集成的思考
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字，表示标准的 PYXIS 编码。使用 A － T 共 20 个字母标 识 20 个六边形，01 － 12 共 12 个数字标识 12 个五边形。 例如，3 － 02001040401040 表示由五边形剖分得到的第 14 层格元地址码，而 E － 20406050105040403020305010 表示 由六边形剖分得到的第 26 层格元地址码。
测绘与空间地理信息
GEOMATICS ＆ SPATIAL INFOＲMATION TECHNOLOGY
Vol． 36，No． 9 Sep． ，2013
球面离散网格系统中地理空间数据集成的思考
张 欣，张寅宝
（ 信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州 450052）
摘 要： 随着对地观测技术、地理信息技术和计算机技术的快速发展，地理空间数据呈现出多源化、实时化和海
在 PYXIS 编码空间中，所有的格元都对应唯一一个 地址码，这个地址码是由集合｛ 0，1，2，3，4，5，6｝ 中的数字 构成的字符串。A． Vince 给出了网格 Pn 中格元 a 的地址 码的标准格式［9］：
n
α = ∑i = 1ωi ，并且 ωi1∈｛ 0，1，2，3，4，5，6｝ ，ωi = 0 或 ωi + 1 = 0。
2 参考系与投影变换
图 1 去顶二十面体展开分割成 20 个六边形和 12 个五边形
Fig． 1 The 20 hexagons and 12 pentagons used to tessellate the sphere
设 h 是第 n 层网格中心为 x 的任意六角格，则在第 n + 1 层存在一个格点中心同样为 x 的六角格 h’，称 h’为 h 的中心子单元。在第 n + 2 层存在 6 个六边形 h1，h2，…， h6，格元中心位于 h’的 6 个顶点上，称这些六边形为顶点 子单元。依此递归定义，就在 PYXIS 格元中形成了一个 树状数据结构。
度不同所带来的挑战，实现海量地理空间数据的动态管理。
关键词： 球面离散六角网格系统; 地理空间数据集成多尺度; 动态管理
中图分类号： P208
文献标识码： B
文章编号： 1672 － 5867（ 2013） 09 － 0026 － 04
Spherical Discrete Grid System Thinking Geospatial Data Integration
ZHANG Xin，ZHANG Yin － bao （ Institute of Geospatial Information，Information Engineering University，Zhengzhou 450052，China）
Abstract： With the development of the technology of earth observation，geography information and computer，geospatial data trend to multi － sources，real time and wealth． As a new digital earth reference model，discrete global grid system provides an uniform framework for the integration of geospatial data which is multi － resolution，multi － source and isomerism． The uniform framework that the discrete global hexagonal grid system provides for the integration of geospatial data are mainly discussed，with the method of the integration of geospatial data with multi － resolution，net resolution of data，and achieve dynamic management of magnanimity geospatial data． Key words： discrete global hexagonal grid system； geospatial data integration； multi － resolution； dynamic management
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测绘与空间地理信息
2013 年
表 1 ISEA3H DGGS 的网格分辨率 Tab． 1 The cell resolution of ISEA3H DGGS
网格层次 20
网格分辨率 /m 130． 008
21
75． 062
22
43． 338
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25． 022
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14． 447
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8． 341
线状要素则需要使用一组有序的格元地址码集合进 行描述。线状 要 素 的 网 格 化 可 以 分 为 以 下 八 种 情 况，如 图 3 所示。
3． 1 矢量数据网格化
矢量数据的网格化需要根据矢量数据的精度选择不 同的网格分 辨 率，这 样 才 能 够 保 留 源 数 据 的 精 度。 基 于 ISEA3H 的全球离散网格系统的网格分辨率见表 1。
以我国系列比例尺地形图为例，1∶ 1 000 000 的地图 精度为 100 m，而 ISEA3H 全球离散网格系统中第 20 层网 格分辨率为 130 m、第 21 层分辨率为 75 m，因此，选择第 21 层的网格进行矢量数据网格化。
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4． 816
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2． 7Байду номын сангаас1
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1． 605
在进行矢量 数 据 网 格 化 过 程 中，需 要 使 用 高 效 的 网 格地址码与经纬度坐标的相互转换算法。对于矢量数据 中的点状、线状和面状实体，需要分别使用全球离散网格 系统中的实体表达模型进行描述。
点状要素可以直接使用定位点所在格元的地址码进 行描述。
量化等趋势，球面离散网格系统作为一种新的数字地球参考模型，它为多尺度、多源异构的地理空间数据集成提
供了统一的框架。主要研究了 球 面 离 散 网 格 系 统 为 地 理 空 间 数 据 集 成 所 提 供 的 统 一 框 架 ，并 分 别 讨 论 了 多 尺
度、多种格式和投影的地理空间数据 的 集 成 方 法 。 通 过 特 征 归 一 化 处 理 和 构 建 地 名 索 引 服 务，试 图 解 决 数 据 尺
地图作为地球空间信息的载体已经有数千年的历 史，计算机的出现 促 使 人 们 采 用“数 字 化 ”的 方 法 管 理 地 图数据，于是 出 现 了 用 离 散 且 具 有 拓 扑 关 系 的 点 串 描 述 的各种空间要素、用规则的矩形网格描述的影像信息（ 李 德仁等，2003） 。但这只是存储介质的改变，地理空间信 息的数据模型 并 未 改 变，通 过 地 图 投 影 把 球 面 数 据 变 换 到平面处理的模式一直沿用至今。
3 多格式地理空间数据集成
图 2 PYXIS 瓦片中 P1，P2，P3 的格元地址码 Fig． 2 The cell codes of P1，P2，P3 in the PYXIS tiles
图 2 描述了 PYXIS 瓦片中 P1，P2，P3 的格元地址码。 结合去顶二十 面 体 中 基 础 面 片 的 编 码，可 以 得 到 球 面 空 间中格元的地址码，具体形式如下：
通过数据网 格 化 处 理，可 以 将 这 三 种 格 式 的 数 据 处 理到统一的参 考 模 型 中，这 也 就 使 得 地 理 空 间 数 据 具 有 了聚合解聚 的 特 性。 为 了 保 留 源 数 据 的 原 始 信 息，可 以 采用密集采样 的 方 法 对 源 数 据 进 行 网 格 化 处 理，这 就 确 保了全球离散网格系统中格元编码与传统地理坐标系的 双向无误差转换，实现历史数据的延续使用。
就是将地球表面进行规则划分，并构建地球表面的“电子 表格”。相对于 三 角 形、正 方 形 和 菱 形 来 说，六 边 形 具 有 空间覆盖率高、邻 接 关 系 一 致 等 特 点，因 此，六 边 形 网 格 更适合于地理空间数据的组织和管理［2］。针对基于六边 形的全球离散 网 格 系 统 的 基 础 理 论，国 内 外 相 关 学 者 都 做了深入的研究，并取得了许多成果［5 － 8］。本文主要针对 基于全球离散六角网格系统的多尺度、多源、多种格式和 投影的地理空间数据的集成方法进行讨论。
对于许多实 际 应 用 来 说，等 面 积 的 网 格 或 是 对 地 球 表面的等面积划分具有重要的意义。John Snyder 提出的 投影方法能够满足这一基本要求———使用面积相等的格 元覆盖整个地球表面。因此，在构建 ISEA3H 全球离散网 格系统过程中选择了 Snyder 二十面体等积投影。
AN － NNNNNNNNNN 其中，AN 是字母数字，既可以表示字母也可以表示数
全球离散网格系统具有离散性、多分辨率、等积性和 固定性等特征，这 为 基 于 位 置 的 地 理 空 间 数 据 集 成 提 供 了统一的框 架。 目 前，常 用 的 地 理 空 间 数 据 结 构 主 要 有 矢量、栅格和 DEM 等，因此在对多种格式的地理空间数 据集成时，本文着重考虑了这三种格式的数据集成。
正是参考系 与 投 影 方 式 的 不 同，为 多 源 的 地 理 空 间 数据集成带 来 了 巨 大 挑 战。 因 此，在 进 行 地 理 空 间 数 据 集成时，首先 需 要 进 行 参 考 系 和 投 影 的 变 换。 全 球 离 散 网格系统由于是面向全球进行地理空间数据集成，因此， 只在局部区域与真实地球较为接近的参心坐标系不能够 满足需求，必 须 采 用 地 心 坐 标 系。 由 于 基 于 多 面 体 的 全 球离散网格系统是球面网格，而非椭球面网格，可以采用 固定半径的地心球体，目前普遍应用的是 WGS84 参考椭 球，设定其地球半径为 6 371． 008 771 4 km。
1 网格剖分及格元编码规则
ISEA3H 是指孔径为 3 的、基于施耐德等积二十面体 投 影 的 全 球 离 散 六 角 网 格 系 统，Kevin Sahr 等 指 出 ISEA3H 是一个相对优化的基于多面体的全球离散网格 系统［2］。PYXIS 是由 PYXIS Innovation 公司开发的 基 于 ISEA3H 的全球离散网格系统，选择去顶二十面体作为理 想多面体，球体首先被分割成 20 个六边形和 12 个五边 形，然后将球体展开成平面，如图 1 所示。
0引言
随着空间技 术 和 信 息 技 术 的 飞 速 发 展，人 类 获 取 有 关地理空间数据及各种资源环境数据的能力大大增强， 这些数据呈现出 多 源 化、异 构 化、动 态 化 和 海 量 化 等 趋 势。在对全球 海 量 数 据 进 行 表 达 和 管 理 过 程 中，传 统 的 平面数据模型存在投影种类多样、算法复杂等局限性，并 且缺乏对全球 多 尺 度 空 间 数 据 的 管 理，难 以 满 足 对 局 部 数据的快速更新［1］。如何实现对多源异构的地理空间数 据的高效集成与 融 合，并 为 地 理 空 间 数 据 挖 掘、知 识 发 现、地理空间 分 析、可 视 化 及 建 模 与 仿 真 提 供 有 效 支 撑， 成为国内外地学专家普遍关注的热点问题。全球离散网 格系统（ Discrete Global Grid System，DGGs） 正是在这样的 背景下提出的［2 － 4］。
在全球离散网格系统的统一参考框架下不同尺度的地理空间数据对应着不同分辨率层次的网格而全球离散网格系统具有的多分辨率特性能够很好地支持对多尺度的地理空间数据集成这使得全球离散网格系统能够支持对地球表面任意位置地理空间信息从源数据精度层次进行网格化编码从而与已经网格化的数据保持一致
第 36 卷 第 9 期 2013 年 9 月
收稿日期： 2013 － 04 － 09 作者简介： 张 欣（ 1985 － ） ，男，河南夏邑人，地图学与地理信息工程专业博士研究生，主要研究方向为战场环境建模。
第9 期
张 欣等： 球面离散网格系统中地理空间数据集成的思考
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字，表示标准的 PYXIS 编码。使用 A － T 共 20 个字母标 识 20 个六边形，01 － 12 共 12 个数字标识 12 个五边形。 例如，3 － 02001040401040 表示由五边形剖分得到的第 14 层格元地址码，而 E － 20406050105040403020305010 表示 由六边形剖分得到的第 26 层格元地址码。
测绘与空间地理信息
GEOMATICS ＆ SPATIAL INFOＲMATION TECHNOLOGY
Vol． 36，No． 9 Sep． ，2013
球面离散网格系统中地理空间数据集成的思考
张 欣，张寅宝
（ 信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州 450052）
摘 要： 随着对地观测技术、地理信息技术和计算机技术的快速发展，地理空间数据呈现出多源化、实时化和海
在 PYXIS 编码空间中，所有的格元都对应唯一一个 地址码，这个地址码是由集合｛ 0，1，2，3，4，5，6｝ 中的数字 构成的字符串。A． Vince 给出了网格 Pn 中格元 a 的地址 码的标准格式［9］：
n
α = ∑i = 1ωi ，并且 ωi1∈｛ 0，1，2，3，4，5，6｝ ，ωi = 0 或 ωi + 1 = 0。
2 参考系与投影变换
图 1 去顶二十面体展开分割成 20 个六边形和 12 个五边形
Fig． 1 The 20 hexagons and 12 pentagons used to tessellate the sphere
设 h 是第 n 层网格中心为 x 的任意六角格，则在第 n + 1 层存在一个格点中心同样为 x 的六角格 h’，称 h’为 h 的中心子单元。在第 n + 2 层存在 6 个六边形 h1，h2，…， h6，格元中心位于 h’的 6 个顶点上，称这些六边形为顶点 子单元。依此递归定义，就在 PYXIS 格元中形成了一个 树状数据结构。
度不同所带来的挑战，实现海量地理空间数据的动态管理。
关键词： 球面离散六角网格系统; 地理空间数据集成多尺度; 动态管理
中图分类号： P208
文献标识码： B
文章编号： 1672 － 5867（ 2013） 09 － 0026 － 04
Spherical Discrete Grid System Thinking Geospatial Data Integration
ZHANG Xin，ZHANG Yin － bao （ Institute of Geospatial Information，Information Engineering University，Zhengzhou 450052，China）
Abstract： With the development of the technology of earth observation，geography information and computer，geospatial data trend to multi － sources，real time and wealth． As a new digital earth reference model，discrete global grid system provides an uniform framework for the integration of geospatial data which is multi － resolution，multi － source and isomerism． The uniform framework that the discrete global hexagonal grid system provides for the integration of geospatial data are mainly discussed，with the method of the integration of geospatial data with multi － resolution，net resolution of data，and achieve dynamic management of magnanimity geospatial data． Key words： discrete global hexagonal grid system； geospatial data integration； multi － resolution； dynamic management
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测绘与空间地理信息
2013 年
表 1 ISEA3H DGGS 的网格分辨率 Tab． 1 The cell resolution of ISEA3H DGGS
网格层次 20
网格分辨率 /m 130． 008
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75． 062
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43． 338
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25． 022
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14． 447
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线状要素则需要使用一组有序的格元地址码集合进 行描述。线状 要 素 的 网 格 化 可 以 分 为 以 下 八 种 情 况，如 图 3 所示。
3． 1 矢量数据网格化
矢量数据的网格化需要根据矢量数据的精度选择不 同的网格分 辨 率，这 样 才 能 够 保 留 源 数 据 的 精 度。 基 于 ISEA3H 的全球离散网格系统的网格分辨率见表 1。
以我国系列比例尺地形图为例，1∶ 1 000 000 的地图 精度为 100 m，而 ISEA3H 全球离散网格系统中第 20 层网 格分辨率为 130 m、第 21 层分辨率为 75 m，因此，选择第 21 层的网格进行矢量数据网格化。
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2． 7Байду номын сангаас1
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1． 605
在进行矢量 数 据 网 格 化 过 程 中，需 要 使 用 高 效 的 网 格地址码与经纬度坐标的相互转换算法。对于矢量数据 中的点状、线状和面状实体，需要分别使用全球离散网格 系统中的实体表达模型进行描述。
点状要素可以直接使用定位点所在格元的地址码进 行描述。
量化等趋势，球面离散网格系统作为一种新的数字地球参考模型，它为多尺度、多源异构的地理空间数据集成提
供了统一的框架。主要研究了 球 面 离 散 网 格 系 统 为 地 理 空 间 数 据 集 成 所 提 供 的 统 一 框 架 ，并 分 别 讨 论 了 多 尺
度、多种格式和投影的地理空间数据 的 集 成 方 法 。 通 过 特 征 归 一 化 处 理 和 构 建 地 名 索 引 服 务，试 图 解 决 数 据 尺
地图作为地球空间信息的载体已经有数千年的历 史，计算机的出现 促 使 人 们 采 用“数 字 化 ”的 方 法 管 理 地 图数据，于是 出 现 了 用 离 散 且 具 有 拓 扑 关 系 的 点 串 描 述 的各种空间要素、用规则的矩形网格描述的影像信息（ 李 德仁等，2003） 。但这只是存储介质的改变，地理空间信 息的数据模型 并 未 改 变，通 过 地 图 投 影 把 球 面 数 据 变 换 到平面处理的模式一直沿用至今。
3 多格式地理空间数据集成
图 2 PYXIS 瓦片中 P1，P2，P3 的格元地址码 Fig． 2 The cell codes of P1，P2，P3 in the PYXIS tiles
图 2 描述了 PYXIS 瓦片中 P1，P2，P3 的格元地址码。 结合去顶二十 面 体 中 基 础 面 片 的 编 码，可 以 得 到 球 面 空 间中格元的地址码，具体形式如下：
通过数据网 格 化 处 理，可 以 将 这 三 种 格 式 的 数 据 处 理到统一的参 考 模 型 中，这 也 就 使 得 地 理 空 间 数 据 具 有 了聚合解聚 的 特 性。 为 了 保 留 源 数 据 的 原 始 信 息，可 以 采用密集采样 的 方 法 对 源 数 据 进 行 网 格 化 处 理，这 就 确 保了全球离散网格系统中格元编码与传统地理坐标系的 双向无误差转换，实现历史数据的延续使用。