论空间信息多级格网及其典型应用

收稿日期:2004207231。

项目来源:国家863计划资助项目(2003AA132080)。

文章编号:167128860(2004)1120945206文献标识码:A

论空间信息多级格网及其典型应用

李德仁1　邵振峰1　朱欣焰1

(1　武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,武汉市珞喻路129号,430079)

摘　要:探求适合网格计算环境下空间信息多级格网SIM G (spatial information multi 2grid )的新概念及其表达的新方法,阐述了SIM G 潜在的三大职能,剖析了SIM G 面临的诸多挑战,研究了SIM G 的技术体系结构,并以国家人口统计和经济数据统计为目标,设计一个带空间信息编码的人口普查多级格网,用于研究SIM G 的应用设计方案,力求为空间信息的共享和服务找到一种有效的新途径。关键词:空间信息多级格网;网格计算;人口普查多级格网;地理信息系统中图法分类号:P208

网格技术与空间信息处理结合(称空间信息

网格)的研究目前才刚刚开始。1992年,G ood 2child 和Yang 就提出了一种全球地理信息系统层

次数据结构,其思想在后来Dutton 的全球层次坐标网格体系中被采用和发展;1998年,Sahr 和

White 讨论了离散全球网格系统D GGS (discrete global grid system ),阐述了以经纬度来划分地球

网格的方法以及将地球看成多面体,用4面体、立方体、8面体、12面体和20面体等5种理想的立体形状模拟地球,并逐级划分地球的全球网格方法;2000年,Dutton 在G oodchild 思想的基础上提出全球层次坐标(global hierarchical coordinates )方法,通过对地球进行8面体的四分三角形网格(octahedral quaternary trianlgular mesh ,O 2Q TM )逐级划分,形成全球多级网格(global multi \|scale mesh )。

但上述网格的划分在技术层面上更多地用于解决GIS 空间定位、空间检索机制的网格划分,对于解决当前在GGG (great global grid )网格计算环境下空间数据和信息的资源共享和协同利用的问题是远远不够的。为此,本文在分析网格概念的基础上提出了SIM G 。

1　网格与空间信息多级格网

SIM G 的概念在地学领域早已有过尝试,二

叉树、四叉树和八叉树都是将特定空间范围进行逐级格网划分,形成不同的层次格网;不同比例尺的图幅划分实际上也形成一种多级格网。如在数字高程模型(DEM )中,将覆盖区域划分成规则排列的正方形格网,每个格网作为表示空间信息的最小单元,记录着一个高程值以及一个起算点的位置坐标和格网间距,并能通过LOD (level of de 2tail )技术实现对地球表面的多级表示。G ood 2child 、Dutton Sahr 和White 等人研究的全球网格

“G lobal Grid ”则按不同的空间划分方法(如按经纬度划分、基于地球正多面体的表面映射划分)将地球球面进行表面分割,从而有效地描述地球表面的空间位置关系。

本文研究的SIM G 属于地学网格的概念,是对地理空间进行多层次划分的方法。它既是空间位置的划分方法,也是特定空间位置范围内自然、社会、经济属性的信息载体,同时也是适合时空坐标系变化的空间信息的一种新的表示方法,是为了更方便地在网格计算环境下实现对空间信息资源的整合、共享与利用,实现将SIM G 的空间划分、空间数据组织与表示方法作为网格节点上空间数据组织与管理的基础。SIM G 的核心思想是:按不同格网大小将全国范围划分不同粗细层次的格网,每个层次的格网在范围上具有上下层涵盖关系;每个格网以其中心点的坐标(格网中心点)来确定其地理位置,同时记录与此格网密切相

第29卷第11期2004年11月武汉大学学报・信息科学版

G eomatics and Information Science of Wuhan University Vol.29No.11

Nov.2004

关的基本数据项(如经纬度、全球地心坐标、各类投影参数下的坐标);落在每个格网内的地物对象(细部地物)记录与格网中心点的相对位置,以高斯坐标系为基准。SIM G在立足于多级格网技术的基础上,重点考虑格网的基准问题、格网的投影技术和格网内不同坐标系的基础数据表示、转换方法和标准体系。

2　SIMG潜在的三大职能

2.1　作为现有地图产品的补充产品

不难发现,不同比例尺地图本身就可以被看作是一个格网。如1∶100万相对1∶1万来说就是一个格网,只不过这种格网太粗略,还没有超越数字地图产品的规范要求,但却能带来很多启发式的思考。在美国和加拿大多采用经纬格网,并按行政区划来调查和统计地理空间的分布现象,效果与格网表示比较接近。如果把不同地区人口、年龄构成、土地分布等全写进一个数据库里,操作起来一定比较慢。果有统一的格网,可以采用格网与GPS相联系的数据采集策略,用GPS采集空间和非空间数据,并按照统一的格网数据标准填充到格网里,只要精度能满足要求,不必考虑行政区划,更不用考虑成图比例尺和投影坐标系,这种数据更新方法在数据更新时优势更加明显,而且数据成果可以作为现有地图的补充产品。

将SIM G作为数字地图的补充产品,并不是让其代替传统的数字产品。在表现形式上,可以使两者相结合,两者之间可以相互转化,格网中依附的信息可以从传统的GIS中分析得到。同样,格网信息也可以通过一定的手段转化为GIS中空间对象(如行政区划)的属性。此外,格网信息也可以直接通过调查和野外采集得到,如通过带有GPS设备的便携式手持设备进行格网内的人口调查统计,所以,新理论是对旧理论的继承和发展,目的是为了使格网产品更适合用户。

2.2　作为适应时空坐标系变化的一种空间数据

的表示和组织方法

空间数据是各种测量手段得到的结果,空间信息与大地坐标密不可分,因此,大地坐标系一直是大地测量中最基本的问题。

我国建立了多种坐标系,其中54坐标系和80坐标系以及部分城市的地方坐标系是二维坐标系统,地心坐标系是三维系统。目前,GPS测量的数据属于W GS84地心坐标系。在实用中,这几种坐标系并存,造成我国在相当长的时间内不同部门、不同地区、不同需求、不同年代所使用的坐标系统不一致,从而给国民经济的各个应用部门、基础建设、军事应用带来极大的不便。由于GPS技术和整个卫星大地测量、卫星重力测量等技术的飞速发展,全球时空基准与框架不断精化,其周期越来越短,必将走向实时动态化。因此,以存储某一坐标系下的坐标串为主要方式的空间信息系统是适应不了这种变化的,需要从地理空间数据在计算机中的表示方法来寻求非地图表示的新方法。GIS空间数据以上述坐标系统的数据为基础,在数据共享和应用服务带来的不便是很自然的。大地坐标系的发展将对空间信息系统产生深远的影响,而且现有的坐标系越来越复杂,仍采用地图上的坐标串来实现不同投影、不同坐标系间的转换已无法满足要求。地球动力学研究仍在发展,网格计算要求从三维发展到四维,因此格网技术可以满足要求。使用格网技术,研究实现一种网格划分方法,只需考虑格网中心点的坐标可以转换成不同坐标系,格网的中心点能在不同投影不同坐标系中变换,而格网内部的相对量(角度、长度、面积等)不变(或是投影误差小到可以忽略),从而避免了从54坐标系到80坐标系变化时全部数据都要发生变化的问题。

因此,研究适应动态坐标系下(时空坐标系下)空间数据表示的新方法(保角、保长度、保面积),寻找从球面到平面的距离(角度、面积等)在一定误差范围内具有不变性的投影变换方法,反过来支持存储格网划分,使得这种划分能满足不同应用的精度要求。研究的任务首先要通过计算分析确定这种表示方法的有效性。在有效的前提下,需要提供这种空间数据的表示和组织框架下的存储、检索、空间分析的实现方法,以及与传统数字地图4D产品的转换方法,对SIM G这部分内容研究的关键之一是确定不同层次的格网划分。如果研究成功,可能有望成为一种随时空变化的新的空间数据的有效表示和组织方法,可以作为现有表示方法的替代或补充。

2.3　SIMG是在网格计算环境下实现对现有各

种空间数据库进行操作的工具

网格技术与空间信息处理结合的研究目前才刚刚开始,主要涉及三个技术:网格计算、基于Web服务的信息共享技术和空间信息互操作技术。前两项属于信息基础设施建设和技术标准问题。对后一问题,两个国际标准化组织O GC和ISO/TC211已经作了大量的研究工作,发布了一系列技术标准,如基于Web的地图服务规范

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