CN102609525A

CN102609525A - 一种统一现有经纬度剖分网格的方法

Info

Publication number: CN102609525A
Application number: CN2012100309336A
Authority: CN
Inventors: 程承旗; 郑承迅
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2032-02-10
Also published as: CN102609525B

Abstract

本发明公开了一种用于统一现有经纬度剖分网格的方法。该方法包括：步骤1，将地球表面空间按照GeoSOT网格剖分方式进行剖分；步骤2，对于经剖分所得到的GeoSOT网格面片赋予唯一编码。网格面片编码保持整数“度、分、秒”量纲，并可采用四进制1维编码、二进制1维编码、二进制2维编码或十进制2维编码四种编码形式；步骤3，选用GeoSOT网格中特定层级作为基础元组，可以聚合形成任意指定一种基于经纬度剖分的地理网格，并自动赋予聚合网格面片以全球唯一编码。由于聚合网格具有统一的剖分基础元组，据此，有望解决全球空间信息的一体化组织问题。

Description

一种统一现有经纬度剖分网格的方法

技术领域

本发明涉及地球空间信息组织、地理信息系统和遥感、测绘技术领域，具体涉及一种将大地坐标系进行适当扩展，进而在保持整型经纬度量纲的前提下实现全四叉树递归剖分，以该剖分网格作为基础网格用于统一现有经纬度剖分网格的方法。

背景技术

当前，随着对地观测手段的不断丰富、空间信息获取能力的不断提升以及应用方式的多样化，传统地理信息系统(GIS)技术面临三个方面的技术瓶颈：其一，海量、多维和多尺度地理空间数据资源的统一管理和高效检索问题；其二，以往各行业独立开发的应用系统间的“互操作”的应用压力；其三，即使是同一个应用系统，例如，遥感系统，不同作业环节之间(采集、处理、存储、分发和服务)的大规模数据迁移的困难。上述三个瓶颈问题均涉及到地理空间数据的组织问题。

地理空间数据总是根据需要，按照事先规划的一组地理网格切分，形成信息体，并以此为单元进行组织。不同行业的信息管理系统应用不同的地理网格组织数据，例如测绘中的“图幅”、遥感中的“分景”、社会统计中的“行政区划”、GoogleEarth系统的“瓦片”…。事实上，同样的问题存在于同一信息管理系统的不同作业环节之间。正是由于纷繁而彼此独立的地理网格，切割出尺寸各异的数据体，由此造成空间数据资源“共享”、“互操作”和“平滑迁移”的困难。

由此可见，探索各种地理剖分网格的统一性构成要素与聚合方法，从而为解决上述问题提供途径，成为本项发明的应用背景与出发点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明以探寻统一的地理网格构成元组为目标，设计提出：“基于2ⁿ及整型一维数组的全球经纬度剖分网格”，其英文为Geographical coordinates Subdividing grid with One dimension integralcoding on 2ⁿ-Tree，缩写为GeoSOT。以GeoSOT网格剖分方案为基础，依次设计GeoSOT网格编码方案和GeoSOT网格聚合方法。三者之间的逻辑层次关系如图1所示，它们共同构成本发明的技术方案：

步骤1，将地球表面空间按照GeoSOT网格剖分方案进行剖分。

GeoSOT网格剖分方案基于经纬度坐标空间定义。经纬度坐标空间的原点为本初子午线与赤道的交点。剖分方法的要点有二：其一，是采用全四叉树递归剖分；其二，是网格编码保持整数“度、分、秒”量纲。为此，我们将经纬度坐标空间做了三次扩展：将180°×360°空间扩展到512°×512°；将每度的60′空间扩展到64′；将每分的60″空间扩展到64″。在逐级递归剖分过程中，当遇到没有实际地理意义的区域，不再向下剖分。

步骤2，对于经剖分所得到的GeoSOT网格面片赋予唯一编码。

GeoSOT网格编码分为三段：度级、分级、秒级及秒以下网格编码。当可以利用编码长度来隐含网格层级时，编码越长表明网格越细；当无法利用编码长度来隐含网格层级时，需要额外的网格层级编码。GeoSOT网格编码有四种形式：四进制1维编码、二进制1维编码、二进制2维编码、十进制2维编码。

步骤3，利用有限几种GeoSOT网格作为基础元组，聚合形成任意指定一种地理网格，并自动赋予聚合网格以全球唯一编码。

用于聚合的GeoSOT网格，称为BAC网格(Basic Aggregation Cells，基础聚合网格)其中4°、2°、1°、2′、1′、2″、1″、0.5″网格，分别命名为BAC0、BAC1、BAC2、...、BAC7，作为聚合基础网格，利用BAC网格可以方便地聚合出任何现有基于经纬度的地理网格。我们将在以下“具体实施方式”节，说明GeoSOT网格的聚合方法和对聚合网格的编码方法。

作为本发明应用之一，可以利用GeoSOT网格实现对现有系统的技术改造：首先，利用GeoSOT网格对现有系统的空间数据资源进行剖分化处理，使原有空间数据资源具有GeoSOT网格标记，在此基础，对老系统的索引途径进行适当的改造，使各作业环节(存储、检索、处理、表达、应用)的空间数据按照GeoSOT网格重新组织，最终实现提高系统运行效率的目的。

由以上本发明技术方案可见，本发明从构建统一的地理网格剖分方法入手，首先探寻构成现有地理网格的统一性元组，进而建立一种基于经纬度的基础网格系统，该网格系统及其编码方案设计在采用全四叉树递归剖分的同时，巧妙地保持了经纬度计量量纲完整性，这样，即方便人的识别和历史积累资料的利用又特别适合计算机处理。利用GeoSOT网格作为基础元组，可以聚合形成任意一种现有的经纬度网格，并自动赋予聚合网格以全球唯一编码，由于聚合网格具有统一的数据组织基础，原本相互独立的系统或作业环节被平滑贯通，面向全球、横跨应用的统一的空间信息的一体化组织、调度和统一表达问题有望解决。

附图说明

图1为本发明中“网格剖分方案”、“网格编码方案”以及“网格聚合方法”三者之间的逻辑关系示意图。

图2为经纬度坐标空间(512°×512°)与GeoSOT 0级网格示意图，0级网格编码为G，对应的信息体区域是全球。

图3为1级网格示意图。1级网格中每个网格大小为256°，1级网格编码：Gd，其中d取值为0、1、2或3四进制数值。

图4为GeoSOT度级网格示意图。

图5为GeoSOT分级(第9级)根节点扩展与分级网格示意图，在此，1°空间的60′被扩展为64′。

图6为GeoSOT秒级根节点扩展与秒级网格示意图，在此，1′空间的60″被扩展为64″。

图7为中国区域部分1∶100万地形图GeoSOT聚合编码示意图，其中，深色粗框区域为一幅1∶100万图幅，图幅聚合编码为：(36°/2，114°/2，1，2，3)。

图8为传统地理管理信息系统中空间数据组织方法示意图。

图9为与图8比较，基于GeoSOT网格的空间数据组织方法示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点表述的更加清楚明白，以下结合附图，对本发明实现方法做详细说明。

本发明“一种统一现有经纬度剖分网格的方法”主要包括：GeoSOT网格剖分步骤1；GeoSOT网格编码步骤2；GeoSOT网格聚合步骤3。

步骤1：将地球表面空间剖分形成GeoSOT网格

GeoSOT网格剖分基于经纬度坐标空间定义。经纬度坐标空间的原点为本初子午线与赤道的交点。剖分方法的要点有二：其一，是采用全四叉树递归剖分；其二，是网格编码保持整数“度、分、秒”量纲。为此，我们将经纬度坐标空间做了三次扩展：将180°×360°空间扩展到512°×512°；将每度的60′空间扩展到64′；将每分的60″空间扩展到64″。在逐级递归剖分过程中，当遇到没有实际地理意义的区域，不再向下剖分。图2为经纬度坐标空间(512°×512°)，GeoSOT 0级网格，编码为G，对应信息体区域是全球。

图3为1级网格示意图，每个1级网格大小：256°，1级网格编码：Gd，其中d的取值为0、1、2或3四进制数值。

图4为GeoSOT度级网格示意图。一个3级网格(64°网格)G001被分为4个4级网格：G0010、G0011、G0012、G0013；其中4级网格G0013又被分为4个5级网格：G00130、G00131、G00132、G00133；其中5级网格G00131又被分为4个6级网格：G001310、G001311、G001312、G001313；其中6级网格G001310又被分为4个7级网格：G0013100、G0013101、G0013102、G0013103；作为一个例子，其中深色网格G0013103为“北京世纪坛”所在的7级网格(即4°网格)；上述剖分过程可继续到9级网格，即1°网格，其中，北京世纪坛所在9级网格编码为：G001310322。

图5为GeoSOT分级根节点扩展与分级网格示意图。如图5所示，第9级网格(1°网格)为分级网格的根节点，在此将经纬度坐标空间作第二次扩展，即将1°空间的60′扩展为64′。在这个基础上定义第10至15级网格，这些网格是分级网格。图中最小的一个深色网格是15级网格，即1′网格，其编码：Gddddddddd-mmmmmm，其中d、m为0、1、2或3四进制数值。

图6为GeoSOT秒级根节点扩展与秒级网格示意图。参照图6，第15级网格(1′网格)为秒级网格的根节点，在此将经纬度坐标空间作第三次扩展，即将1′值域空间的60″扩展为64″。在这个基础上定义第16至21级网格(即秒级网格)。图中整个区域为扩展后的一个15级网格(1′网格)，是北京世纪坛所在的1′网格，其编码为G001310322-230230。图中最小的一个深色网格是21级网格，位置是北京世纪坛中心大致16m见方的区域，网格大小为1″×1″网格，网格编码为G001310322-230230-310312，它所对应的十进制编码为39°54′37″N，116°18′54″E。至此，读者可以看到，原本作为北京世纪坛地理位置描述的经纬度坐标值，同时被用作北京世纪坛所在剖分网格(面片)的区位编码。

GeoSOT剖分体系由32级网格构成，其地理空间覆盖大到全球小到厘米级，网格上下级别之间的面积之比大致都为4∶1，因此是均匀变化的。GeoSOT剖分体系见表1：

表1GeoSOT网格一览表

步骤2，给GeoSOT网格编码。

四进制1维编码：

GeoSOT网格采用最长32位4进制数值(0，1，2，3)编码，

形式：Gddddddddd-mmmmmm-ssssss.uuuuuuuuuuu，其中：d、m、s、u取值均为0、1、2、3。

二进制1维编码：

GeoSOT网格编码在计算机中采用64位2进制数值(0，1)编码，每两位编码表示一位四进制数值，这样GeoSOT网格的二进制1维编码就与四进制1维编码完全一致。

当无法利用编码长度来隐含网格层级时，需要5位2进制数值记录网格层级。

GeoSOT网格编码-64位二进制数值1维编码方案

其中：d、m、s、u取值均为0、1。

GeoSOT网格编码-层级编码

二进制2维编码：

GeoSOT网格的64位二进制1维编码中，每两位数值表示某一级网格在上一级网格中的编码，将这两位数值拆开，分别对应存放，形成GeoSOT二进制2维编码。

GeoSOT网格编码-64位二进制数值2维编码方案

GeoSOT网格编码-层级编码

十进制2维编码

十进制2维编码在形式上与我国测绘行业中大地坐标系标准描述形式完全一致：

形式：(dd°mm′ss.uuuuuuuuuuu″N/S，ddd°mm′ss.uuuuuuuuuuu″E/W)，前面为纬度编码，后面为经度编码。北纬符号N、东经符号E有时可省略。

步骤3，进行GeoSOT网格聚合以形成聚合网格。

首先确定基础聚合网格：用于聚合的GeoSOT网格，称为BAC网格(Basic Aggregation Cells，基础聚合网格)，其中4°、2°、1°、2′、1′、2″、1″、0.5″网格，分别命名为BAC0、BAC1、BAC2、...、BAC7。作为聚合基础网格，利用BAC网格，可以聚合生成现有任何一种基于经纬度的地理网格。以下以国家标准地形图分幅的聚合过程为例，说明GeoSOT网格的聚合方法。

图幅聚合的过程如下：

●栓定该图幅的一个角点的BAC网格作为定位网格；

●依据图幅所在地理空间，以定位网格为启点，分别向纬向和经向方向展开，确定参加聚合的同级BAC网格的数目；

●图幅展开方向的定义为：

定位网格属于东经时，展开方向自西向东；

定位网格属于西经时，展开方向自东向西；

定位网格属于北纬时，展开方向自南向北；

定位网格属于南纬时，展开方向自北向南。

●根据这些参数确定图幅的聚合编码。

聚合网格编码规则为：聚合网格编码结构包括：定位网格编码、定位网格层级、纬向BAC网格数、经向BAC网格数。以下是一种图幅聚合编码的二进制实现格式，占用64位二进制数值：

图7为GeoSOT聚合方法与聚合编码示意图。如图7所示：中国区域部分1∶100万地形图GeoSOT聚合编码。其中，深色粗框区域为一幅1∶100万图幅，图幅聚合编码的十进制表示为：(36°/2，114°/2，1，2，3)，其含义为：定位网格编码为北纬36度，东经114度；定位网格层级为BAC1(2°网格)；纬向BAC网格数为2；经向BAC网格数为3。其中，定位面片编码中在经纬度值后加“/2”的含义是，作为BAC1网格，即2°网格，经纬度值必须能被2°整除，得到的整数商作为定位面片的编码值。按以上例子，结果是(18，57)。

该图幅由6个BAC1网格(2°网格)聚合而成，由这6个BAC1网格聚合的图幅也有唯一的图幅聚合编码，按照上述二进制格式只需占用64位二进制数值，即与一个网格编码占用二进制位数相同。

本发明从技术方案层面保证了新的剖分网格系统与现有网格存在良好的聚合与关联关系，即适合计算机处理又方便人的识别，这是现有技术所不具备的。

本发明所阐述的基于经纬度的网格剖分与聚合方法与传统方法之间的差别可以从图8和图9对比中说明：图8表述：Data_y为某一应用领域的空间信息数据集合。对于信息管理系统中的每一项操作(存储、检索、处理、服务)都必须通过各自的网格组织数据，尽管这些网格可以满足各自环节的应用需要，但不同操作之间和不同领域之间的空间信息体彼此独立，互不相通。图9表示本发明的基于经纬度的网格剖分与聚合方法，新方法在面向操作的网格和数据层之间增加了GeoSOT网格，如果，不同应用领域的空间数据均通过剖分化而获得了GeoSOT网格标记，那么，通过GeoSOT网格所支撑的索引、聚合、替代等空间数据剖分组织的运行机理，即可实现对地球表面空间数据的一体化组织。图9同时指出了本发明可能的一个应用方向。

通过以上对实施方式的描述可知，本发明的技术方案最终是通过地球空间信息的采集、处理、管理和应用系统工程建设和运行实现。因此，本发明的技术方案可以通过以下不同形式得到体现：

①以为上述工程服务为目标开发的计算机软件产品，包括工具软件、通用或专用的GIS平台软件、通用或专用的数字地球表达(数据球)信息组织平台软件；

②地球空间信息的采集、处理、管理和应用系统；

③将上述软件或应用系统部署或配置所形成的计算装备，例如：个人计算机、服务器、手持或便携式终端设备、分布式计算环境等等。

应当指出，以上所述仅为本发明的普遍实施方式，在实际应用时，本领域技术人员完全可依据需要对本技术方案做出若干调整，例如：仅选取部分而非全部BAC网格、仅定义GeoSOT网格中n个层级而非32级…，凡在本发明所阐释原理的前提下，所做的任何修改、等同替换、局部应用等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种统一现有经纬度剖分网格的方法，该方法包括步骤：

步骤1，将地球表面空间按照GeoSOT网格剖分方式进行剖分，GeoSOT网格剖分采用全四叉树递归剖分，将地球表面空间从全球剖分至厘米级，共计32层级，网格上下级别之间的面积之比是1/4；

步骤2，对于经剖分所得到的GeoSOT网格面片赋予唯一编码，网格编码保持整数“度、分、秒”量纲，网格编码采用四进制1维编码、64位的二进制1维编码、64位的二进制2维编码或十进制2维编码四种编码形式，其中，四进制1维编码用于四叉树检索，或作为DNS地址使用；二进制1、2维编码用于计算机内部存储、运算；十进制2维编码形式与经纬度坐标一致，用于人机交互，四种编码之间具有对应关系；

步骤3，利用GeoSOT网格中某些层级网格作为基础元组，聚合形成任意指定的一种理网格，并自动赋予聚合网格面片以全球唯一编码。

2.如权利要求1所述的剖分网格的方法，其特征在于：

将经纬度坐标空间进行三次扩展：将180°×360°空间扩展到512°×512°；将每度的60′空间扩展到64′；将每分的60″空间扩展到64″；

网格编码被分为三段：度级、分级、秒级及秒以下网格编码，当可以利用编码长度来隐含网格层级时，编码越长表明网格越细；当无法利用编码长度来隐含网格层级时，需要额外的网格层级编码；

各级别网格的编码具有明确的经纬度含义。

3.如权利要求1所述剖分网格的方法，其特征在于，步骤3包括：

3.1定义GeoSOT网格中4°、2°、1°、2′、1′、2″、1″、0.5″网格为基础聚合网格BAC网格(Basic Aggregation Cells)，分别命名为BAC0、BAC1、BAC2、...、BAC7；

3.2GeoSOT网格的聚合过程分为两步：首先，确定聚合网格的地理位置，具体为栓定该聚合网格的一个角点BAC网格作为定位网格；然后，确定聚合网格的空间展布，具体为依据该聚合网格所在地理空间，以定位网格为起点，分别向纬向和经向方向展开，确定参加聚合的同级BAC网格的数目；

3.3依照编码规则，聚合网格自动获取唯一编码，聚合网格编码的结构字段包括：定位网格编码、定位网格层级、纬向BAC网格数、经向BAC网格数。