基于全球剖分模型的空间信息编码模型初探_程承旗

第25卷　第4期2009年7月地理与地理信息科学
Geog ra phy and G eo -Info rmatio n Science V ol .25　N o .4July 2009
收稿日期:2009-03-29;　修订日期:2009-06-23 基金项目:国家863计划项目(2008AA701108) 作者简介:程承旗(1961-),男,教授,博士生导师,从事遥感信息工程、GIS 及环境遥感等研究。

＊通讯作者E -mail :s ong -shuhua @
基于全球剖分模型的空间信息编码模型初探
程承旗,宋树华＊
,万元嵬,关　丽,张恩东
(北京大学遥感与地理信息系统研究所,北京100871)
摘要:为解决由于不同G IS 数据模型中同一空间实体的编码不惟一而导致数据共享困难及标识的静态性和无空间位置等问题,鉴于全球剖分模型的全球连续性、多层次性以及剖分面片地址码的全球惟一性,该文提出了基于全球剖分模型的全球空间信息剖分编码(G eoDN A )模型,并设计了该编码模型的系统架构,试图实现全球空间信息的全息表达。

通过对遥感影像中的空间实体进行编码试验,表明全球空间信息剖分编码模型将大大增强空间信息的维护与共享能力,加快信息的查询与检索速度,在区域性的应急反应上具有很强的理论和实用价值。

关键词:全球剖分模型;GeoD NA ;时空框架;空时框架
中图分类号:P208 文献标识码:A 文章编号:1672-0504(2009)04-0008-04
由于GIS 平台的数据模型和数据管理系统不尽
相同,以及在数据录入GIS 过程中录入实体先后顺序、认识程度等的不同,使同一实体在不同的GIS 中有不同的描述和标识码ID ,直接导致在数据共享时用户必须查找各自的数据字典才能将同一实体对应起来,严重影响数据共享的效率。

不仅如此,GIS 中的空间信息编码是一种“静态”的标识码,不能表达信息的多尺度性,也不具备表达空间位置的能力。

因此,亟待建立一种全球惟一的空间信息标识编码,减少不同数据格式间转换所产生的误差,以实现全球信息共享。

基于此,本文提出基于全球剖分模型(Glob -al Subdivision Mo del ,GSM )的空间信息剖分编码模型,并对遥感影像中的实体对象进行编码试验。

1　传统G IS 数据模型与GSM
1.1　传统GIS 数据模型
常见的GIS 数据模型是栅格模型和矢量模型。

栅格模型是一种以规则的阵列表示空间地物或现象分布的数据组织方式,具有“属性明显,位置隐含”的
特点,其主要编码方式有直接栅格编码、弗里曼编码、游程长度编码、块编码、四叉树编码及三维空间的八叉树编码等。

这些编码方式对于点实体比较简单,但对线实体和面实体处理速度较慢。

矢量模型是通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、多边形等空间实体,具有“位置明显,属性隐含”的特点,其主要编码方式有坐标系列法、树状索引法、拓扑结构法和三维四面体法等。

在矢量模型中,空间实体的位置信息是按坐标直接存储的,而属性信息
或与其他实体间的拓扑关系一般存储于文件或数据结构中的某些特定字段上[1]。

当某空间实体的信息发生变化时,系统中其他与之相关的实体信息也要进行相应的改变(如拓扑关系),尤其对于面实体
[2]
,
记录非常复杂。

另外,在各种栅格和矢量的编码模型中,实体的惟一标识码ID 是静止的和无空间位置信息的,当周围环境或尺度发生变化时,该实体ID 也发生相应的变化,增加了数据维护难度。

总之,由于数据编码多样性、不同编码模型中同一实体标识码ID 不一致和其他各种人为因素,导致不同的GIS 应用系统间数据交换与共享困难,除空间位置信息转换比较精确外,其他的信息(如实体间的拓扑关系)不能实现有效转换甚至可能完全丢失,使得后续基于这些转换数据的分析与可视化难以实现,而需要进行大量的图形、数据编辑工作,才能达到有效应用数据的目的[3]。

这与GIS 应用领域的不断扩大、全球范围内的地理数据相互兼容及互操作、资源共享的趋势背道而驰。

因此,需要研究各种平台都能兼容、全新的数据编码模型对全球范围内的空间数据进行组织与管理。

1.2　GSM
GSM 是为了研究如何将地球(或球面)剖分为形状规则、变形较小的层状面片,以实现在全球范围内的海量数据存储、提取和分析,解决传统数据模型在全球范围内多尺度、海量数据和层次数据上存在的局限性,保证全球空间数据的空间表达是全球的、连续的、层次的和动态的模型。

到目前为止,各国学者提出的GSM 可归纳为多
面体剖分、经验剖分和小波划分3种[4,5],其中具有代表性的是20世纪80年代Dutton
[6,7]
建立的数据
模型O -Q TM (Octahedral Quaternary T riangular
Mesh )。

他将正八面体的顶点和球面的重要点(包括两极)重合,棱的投影与赤道、0°、90°、180°、270°子午线重合,形成正球面三角形。

采用递归连接每个三角形各边的中点形成次一级4个子三角形的方式,将球面三角形细化,即可形成全球无缝的、规则的、近似均匀的层次格网(图1)。

GSM 在宏观上,整个地球表面可视为一个由规则划分的大大小小连续的标准面片组成的曲面;微观上,当面片划分到一定粒度时(如像素大小)则具备点的特性。

因此,GSM 具有“由面及点,点面结合”的特性,在数据的组织与管理方面具有优势。

图1　O -Q T M 数据模型
Fig .1　O -Q TM data model
Dutton [8]采用一定的编码法则对这些连续铺盖球面的规则剖分面片进行编码,其编码方式为:假设第k 层某个剖分面片的编码为a 0a 1a 2…a k ,称为地址码Q TM ID ,其中a 1～a k 是k 层四分码,取值为0,1,2,3;a 0是一个八分码,表达在0层次的正八面体剖分,其取值为0,1,2,…,7。

这样,通过该编码法则可对球面上每个剖分面片进行标识,使得剖分面片编码具有一定的空间位置相关性和全球惟一性,
并在某种程度上可用剖分编码表示空间位置[9]。

鉴于GSM 上述特点,本文拟建立基于GSM 的全球空间信息剖分编码(GeoDN A )模型。

2　基于GSM 的GeoDNA 模型与架构
2.1　基于GSM 的GeoDNA 模型
基于GSM 的GeoDNA 模型结合剖分面片的地址码和空间实体属性信息,对全球空间信息进行编码。

因为GSM 中不同层地址码间在位置上有一定的内“遗传性”,如上级剖分面片下分4个子面片、上级剖分面片的中心与中心子面片的中心具有相同的位置、根据上一级的剖分面片编码得到下一级子面片的地址码以及下一级剖分面片的地址码包含了上一级剖分面片的地址码等,这些特性与DNA 的基因
信息遗传相类似,因此本文将全球空间信息剖分编
码称为GeoDNA ,其格式如图2所示。

G eoDN A =地址码(Q T M ID )+属性码
图2　G eoDN A 的编码结构示意
Fig .2　Stucture of G eoDNA
其中GeoDNA 中的属性码既可以描述GIS 中所有空间实体的时间、形状等属性信息,也可以描述与实体相关的自然属性或社会属性。

2.2　GeoDNA 系统架构
GeoDNA 的架构主要研究影像信息、地图数据、地形数据、地物信息等空间数据在全球空间信息剖分架构上建立全球空间信息GeoDNA 统一编码以及对编码进行的一系列操作(图3)。

图3　全球空间信息G eoDN A 系统架构
Fig .3　Architectu re of global geospatial information GeoDNA
在全球空间信息剖分架构中,GSM 的每个剖分面片作为一个存储节点,根据全球空间信息的精度和GSM 的剖分粒度,按区域存储于相应的存储节点中。

GeoDNA 生成器则根据GeoDNA 编码原理对影像信息、地图数据、地形数据、地物信息等建立编码。

在编码操作中,内容检索主要考虑地物的信息分类规则、地物属性信息特征,实现从全球空间信息GeoDNA 中快速得到所需空间实体的信息。

面片索引架构研究基于GSM 剖分面片的全球空间信息组织,建立以剖分面片地址码为索引的全球空间信息索引机制和空间信息编目模型;同时,研究空间信息GeoDNA 与存储节点间的联系,以方便空间信息的查询与访问。

而自动关联机制研究空间信息与GSM 的剖分面片之间联系,建立全球空间信息的一体化编码和存储模型;根据GSM 中剖分面片的细分规则和剖分面片的边邻域、角邻域关系,研究由上一级剖分面片编码“下窜”到下一级剖分面片和从下一级剖分面片编码“上钻”到上一级剖分面片的“上钻下窜”搜索算法、空间信息在GSM 同一尺度上横向关联分析算法和多尺度纵向递归算法等。

惟一编码模型则主要是面向GSM 的全球空间信息编码的管
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9第第4期 程承旗等:基于全球剖分模型的空间信息编码模型初探
理,解决基于剖分面片的信息快速检索、统一查询与存储等关键问题。

2.3　GeoDNA 的特性分析
基于GSM 的全球空间信息GeoDNA 编码与传统GIS 属性数据编码相比,具有如下优点:(1)空间实体信息的全息表达。

GeoDNA 编码打破了传统的矢量模型和栅格模型中空间位置信息和属性信息分别存储的形式,而将空间实体的属性信息与GSM 中剖分面片直接关联,采用一个数字串形式表示空间实体的所有信息,简化了数据存储形式,节约了信息存储空间。

(2)对空间实体时间维的完美表达。

传统GIS 表达空间实体的编码模型多为二维和三维模型,在时间维的表达上并没找到一个非常好的模型,而多采用以时间为基准的数据记录体系。

在这种记录体系下,对同一时期的数据检索相对简单,但对同一地区不同时期的数据检索则相当繁琐。

例如,对按时间存储在磁带上的遥感影像数据进行检索时,由于数据是按轨道条带或以景为单位存储,则在检索时必须从存储介质的开始处进行查找,导致检索效率非常低。

而GeoDNA 编码以统一面片单元进行记录,时间信息只是属性码的一部分。

这样,对同一地区相关信息的检索非常容易;若要对不同时间数据的检索,则只需对GeoDNA 编码中的时间属性与所要检索的时间信息进行匹配即可。

因此,GeoDNA 编码实现了空间实体的时间信息和空间位置信息的关联,提高了对同一区域空间信息提取的效率,尤其适用于区域性应急事件的快速反应。

本文将以剖分面片为基准、时间信息作为属性信息的数据组织方式称为“空时框架”(Space -Time Structure ,S TS ),而将以时间为基准的记录体系称为“时空框架”(Tim e -S pace S tructure ,TSS )。

(3)空间多尺度性。

空间信息GeoDNA 与传统GIS 中属性编码的另一个不同在于,Geo DNA 编码具有空间多尺度性。

传统的属性编码是单独地保存在属性表中,通过空间实体的标识码与空间实体经纬度或(x ,y )坐标建立联系,理论上可以在任意比例尺下显示,但实际上必须在地图综合规则下才能显示。

而GeoDN A 编码由于包含了剖分面片地址码QTM ID ,则只需对其进行分析即可判断该编码所属的尺度,因此不需要进行地图综合。

(4)属性描述惟一性。

GeoDNA 编码使得空间实体的属性描述具有全球惟一性。

传统GIS 的空间
实体属性编码的惟一性只能通过实体标识码ID 的
惟一性确定;而空间实体的GeoDNA 由于含有全球惟一的剖分单元地址码,使得该编码具有全球惟一性,不需任何其他的标识码对其进行特别的标识,大大方便了属性数据的查询与检索。

3　空间信息剖分统一编码应用初探
随着遥感获得的空间地理信息量越来越大,遥感数据成为GIS 重要的数据源,遥感数据的组织与管理问题也成为GIS 研究的重点之一。

本文探讨基于GeoDNA 模型在遥感影像数据中的河流、滩心洲、船只和桥等实体的应用。

假设研究区的遥感影像数据已按照全球空间信息剖分架构进行存储与组织,且地址码为1201300123(图4)。

图4　某地区的遥感影像空间实体编码示意
Fig .4　O bjects ′GeoDNA in remote sensing image
图4中遥感影像的编码方式是借鉴Dutton 的剖分面片细化规则和面片的编码规则,即对每个剖分面片采用4分方式进行细分并按顺时针采用0,1,2,3对每个子面片进行标识
[6-8]。

由于只是为了表
现其原理,图4中所有的剖分面片的标识均省去了前面的1201300123,而只标出了后面几位编码,如“312”即为“1201300123312”等。

在图4中,研究区只细分了5级,其中小圆标识的“3”等为研究区的第1级,大圆标识的“30”等为第2级,“310”等为第3级,“2312”为第4级,“20313”为第5级。

3.1　空间实体的属性编码
在对全球空间信息进行剖分编码前,除了对空间信息按照全球空间信息剖分框架进行存储外,另一项重要工作是对空间实体进行分类并编码。

其中,空间地物的分类与编码可以参考相关国家分类标准和行业标准。

本文只示例性地对河流、滩心洲、船只和桥等目标实体赋予属性编码:“1”代表河流,“2”代表滩心洲,“3”代表船只,“4”代表桥。

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3.2　空间实体的GeoDNA
假定该研究区域的遥感影像获取时间是2008年3月24日上午10时,则依据全球空间信息剖分
编码规则,在精度允许的情况下利用GeoDNA 生成器对图中目标实体进行Geo DNA ,结果如表1。

表1　遥感影像中空间实体的G eoDN A
Table 1　O bjects ′G eoDNA in remote sensing image
空间实体GeoDNA
河流1201300123200803241000001滩心洲120130012331200803241000002船只120130012320313200803241000003桥
12013001233200803241000004
从表1中还可看出,空间实体的GeoDNA 既包
含了该实体空间信息、时间信息以及属性信息等,又具有全球惟一性。

因此,不论其他面片信息如何变化,只要该空间实体不消失,则该实体的编码始终不会改变。

这有利于空间实体的查询与检索、数据维护和全球空间信息的共享。

表1中的编码结果是根据实际情况,如客户端的不同精度数据要求、通信环境的限制等,对不同的空间实体进行粗精不等的编码。

因此,只要实际条件允许,系统可以将剖分面片继续细分,总可以找到一组剖分面片只包含目标实体,然后对这组剖分面片中的目标实体进行编码,即可得到高精度的目标信息,满足实际应用的需要。

4　结语
本文在GSM 基础上提出了全球空间信息剖分编码GeoDNA 模型,实现了空间实体信息的一体化
记录;并设计了全球空间信息Geo DNA 编码系统框架,保证空间实体的全球关联性、多尺度性和信息记录的惟一性。

分析表明,该编码模型将有利于全球空间信息的有序管理和数据共享,大大提高区域信息的快速查询与检索速度;但当剖分的级数较大以及空间实体属性信息较多时,如何实现空间信息GeoDNA 的快速匹配,还有待于进一步研究。

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Preliminary Studies on Geospatial Information Code Model Based on Global Subdivision Model
CH EN G Cheng -qi ,SO NG Shu -hua ,WA N Y uan -wei ,G U A N Li ,Z H AN G En -dong (I nstitute o f Remote Sensing and GIS ,Peking Univ ersity ,Bei jing 100871,China )
A bstract :Conside ring ex isting data mo dels of G IS applications ,identifica tion of the same geo spatia l object is usually not the same in different application sy stems ,and the object ′s identification is alw ays static and lack of g eospatial info rmatio n such as po sitio n and scale .T hese hinder the data sharing in GIS .T o solv e these pro blems caused by objects ′ID s ,a new univer sal code o f global geo spatia l inf orma tion ,G eoDN A ,is put for war d based o n global subdivision model (G SM )and the univ ersal coding archi -tecture is desig ned .Spatial objects ′G eoDN A that combine s subdivision cell ′s addre ss identifier with object feathe r co de is u -nique in the wo rld ,and may ex press continuous and multi -scale global geo spatia l inf orma tion due to the hier archical and co ntinu -o us pro per ty o f G SM .A t the last part ,an ex ample of encoding objects in a r emote sensing image is presented ,and the results show that G eoDN A o n global geo spatial infor mation enhances data sha ring capacity in G IS and impro ves efficiency of g lo bal massiv e da ta sto rag e and manag ement ,which is o f theo retical and applied value in reg io nal emerg ency respo nse .Key words :g lobal subdivision model (GSM );Geo DN A ;T ime -Space structur e ;Space -Time structure
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