CN107665242A

CN107665242A - 一种区域空间多尺度网格编码方法及装置

Info

Publication number: CN107665242A
Application number: CN201710806121.9A
Authority: CN
Inventors: 季云; 王梓凝
Original assignee: Nanjing Wang Shida Data Co Ltd
Current assignee: Nanjing Wang Shida Data Co Ltd
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2018-02-06

Abstract

本发明涉及一种区域空间多尺度网格编码方法及装置，所述方法包括：对网格空间的各层中网格进行编码；设置网格空间的最高层数及单元网格，确定区域网格空间及其各层中网格编码；采用8分法获取网格空间的模型，从最小网格单元出发，通过不同层级的聚合而形成更大网格单元，即区域网格空间，进一步的，针对东西方向、南北方向、垂直方向，分别应用二进制方法进行编码，通过顺序组合，并结合标识码、补位码等形成一个完整的编码，能够有效保证聚合过程中各层级网格大小都相同、垂直方向能够灵活分层、符合计算机的二进制特点、多种意义上的多尺度化等特点，从而可以方便的适用于需要空间位置管理和服务的各种场合。

Description

一种区域空间多尺度网格编码方法及装置

技术领域

本发明涉及地球空间剖分领域，具体涉及一种区域空间多尺度网格编码方法及装置。

背景技术

合理的数据组织管理模式与方法是大数据高效应用的基础。国内外许多研究部门与行业都采用先进理念进行海量数据的统一组织、管理与应用服务。

国外比较有代表性的就有美国的军事网格参考系统(MGRS)、美国国家格网(USNG)、全球区域参考系统(GARS)、世界地理参考系统(GeoRef)、英国的国家网格(BNGR)和加拿大的自然区域编码(NAC)等。

国内有代表性的是北京大学提出的GeoSOT网格(Geographic coordinatesubdividing grid with one dimension interal coding on 2ⁿ-Tree,2ⁿ一维整型数组全球经纬度剖分网格)等。

GeoSOT网格采用了国家大地2000坐标系(CGCS2000)，基于经纬度坐标空间定义，原点为本初子午线与赤道的交点。核心思想是基于地球剖分原理，通过对地球表面的规格划分，探寻构建一种适用于空间信息或数据组织的专用网格。

GeoSOT采用全四分递归剖分。为使网格大小保持整度、整分和整秒，GeoSOT将地球经纬度坐标空间做了3次扩展：将360°×180°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″。GeoSOT的0级网格为经纬度坐标空间512°×512°，对应信息体区域是全球。接下来，下一级剖分面片由上一级剖分面片递归四叉划分得到，直到32级为止。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。这样，1级网格大小为256°×256°，2级网格大小为128°×128°。假设将地球1°设定为128KM，则32级网格大小为1/2048″×1/2048″，其在赤道附近的尺度约为1.5cm。

但是以上网格，普遍存在以下不足：

1.基于经纬度剖分方法和三次地球空间扩展方法，导致了剖分网格的大小不一致。

包括GeoSOT方法在内的传统剖分方法，大都是基于经纬度进行剖分的。但是由于经纬度系统的向极辐合特性，即使是相同的经度间隔，越是向着高纬度地区，剖分出来的网格也越小。

此外，GeoSOT剖分网格，引入了三次地球空间扩展方法：将地球经度范围最大值由360 度扩展为512度，将维度范围最大值由180度扩展为512度；将地球的1度等于60分，扩展为1度等于64分；将地球的1分等于60秒，扩展为1分等于64秒。这样扩展的目的是为了迎合计算机的二进制特点，但是却导致了剖分网格的大小不一致。

比如将经度0～512度进行1次剖分，两个网格的大小分别是0～256度和256～512度。但是由于地球实际上只有0～360度，所以第二个网格显示出来的实际大小是256～360度，明显与第一个网格0～256度是大小不一致的。

比如将纬度0～512度进行2次剖分，4个网格的大小分别为0～128度、128～256度、256～384 度和385～512度。但是由于地球纬度实际上只有0～180度，所以第二个网格的实际大小是 128～180度，明显与第一个网格大小(0～180度)是不一致的。此外第三个网格、第四个网格是虚拟出来的格子，既用不上，也无法显示。

比如将地球空间1度扩展为64分，并进行1次剖分，第一个网格是0～32分，第二个网格是32～64分。但是由于地球实际上1度只有60分，所以第二个网格的实际大小为32～60 分，明显与第一个网格0～32分是大小不一致的。

同理，将地球空间1分扩展为64秒，也会导致剖分过程中造成的网格大小不一致。

2.水平方向、垂直方向的剖分灵活性不够。

GeoSOT网格在水平方向都是根据经纬度进行剖分的，那么沿经度方向和沿维度方向，剖分的度数大小是一致的。然而很多研究对象和应用场景，在水平方向的空间分布均匀性是不一致的。比如狭长的河流、公路等等，需要在一个方向进行加密网格设置，从而有利于对象研究和应用研究。但是GeoSOT网格的水平方向剖分灵活度是不够的。

GeoSOT网格在垂直方向上的剖分也具有同样问题。比如在垂直方向上总高度设定为5.7 万公里，如果采用跟水平方向一样的剖分层级，那么剖分出来的垂直方向的网格分辨率虽然可以随着层级的变动而变动，但是每一个层级对应的垂直方向的网格分辨率是固定的，而且不能根据要研究的对象而进行相应灵活的变动。比如对于地球表面，如果取12层级(剖分 12次)，水平方向的分辨率是16公里，垂直方向的分辨率是14公里，这很显然对于很多研究对象(比如天气变化、海流变化)来说垂直分辨率都太粗了。

3.网格误差大，不可接受。

GeoSOT网格将地球表面距离每度扩展为128公里，而实际上在赤道地区每度约为111 公里。这样，误差比例为(128-111)/111＝0.153。误差为15.3％的精度对于任何应用来说都太大了，不可接受。

4.编码规则不合理，影响查询检索效率。

GeoSOT网格对经纬度进行编码的时候，是进行混合编码的，比如64位的二维空间编码，奇数位放的是纬度，偶数位放的是经度，这样的话，会导致编码并没有按照经度或纬度的变化而单调变化，因此在排序和查询的时候，就无法快速查询，而是必须遍历查询，从而极大的影响查询检索效率。

发明内容

本发明提供一种区域空间多尺度网格编码方法及装置，其目的是能够有效保证聚合过程中各层级网格大小都相同、垂直方向能够灵活分层、符合计算机的二进制特点、多种意义上的多尺度化等特点，从而可以方便的适用于需要空间位置管理和服务的各种场合。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种区域空间多尺度网格编码方法，其改进之处在于，包括：

对网格空间的各层中网格进行编码；

设置网格空间的最高层数及单元网格，确定区域网格空间及其各层中网格编码。

优选的，所述网格空间根据8分法获取。

进一步的，获取所述网格空间的过程包括：

a.初始化网格空间为一个网格，网格空间的层级数i＝0；

b.利用8分法对第i层网格空间中的网格进行剖分，获取第i+1层网格空间；

c.若i+1＝21，则输出各层网格空间，若i+1＜21，则令i＝i+1并返回步骤b。

优选的，所述对网格空间的各层中网格进行编码，包括：

分别对网格空间的第i层中东西x轴一维方向、南北y轴一维方向和垂直z轴一维方向的网格进行编号，并将所述编号转换为i位二进制编码；

利用网格空间的第i层中东西x轴一维方向、南北y轴一维方向和垂直z轴一维方向的网格对应的i位二进制编码组成网格空间的第i层中网格的编码，其中，网格空间的第i层中网格的编码包括：东西x轴一维方向的网格的i位二进制编码、南北y轴一维方向的网格的i位二进制编码、垂直z轴一维方向的网格的i位二进制编码、分隔符和补充位，其中，所述分隔符为0，所述补充位由63-3i位1组成，i∈[0,21]。

优选的，所述设置网格空间的最高层数及单元网格确定区域网格空间及其各层中网格编码，包括：

设置网格空间的n层中网格的东西x轴方向长度、南北y轴方向长度和垂直z轴方向长度，并根据所述n层中网格的大小更新网格空间的第0至n-1层中网格的大小，获取区域网格空间，其中，n为设置的网格空间的最高层数，网格空间的第n-1层中网格的大小为网格空间的第n层中网格的大小8倍；

将网格空间第0至n层中网格对应的编码作为区域网格空间第0至n层中网格的编码。

优选的，所述设置网格空间的最高层数及单元网格确定区域网格空间及其各层中网格编码之后，包括：

对所述区域网格空间进行地球网格空间映射转换。

优选的，所述对所述区域网格空间进行地球网格空间映射转换，包括：

将所述区域网格空间第i层中第j个网格的东西x轴方向长度和南北y轴方向长度扩大倍，其中，m_ij为区域网格空间第i层中第j个网格的地图放大系数，其中，i∈[0,n]，n 为区域网格空间的最高层数，j∈[0,2ⁱ]。

进一步的，所述区域网格空间第i层中第j个网格的地图放大系数包括：区域网格空间第i层中第j个网格在兰伯特投影情况下的地图放大系数、区域网格空间第i层中第j个网格在极射赤面投影情况下的地图放大系数和区域网格空间第i层中第j个网格在麦卡托投影情况下的地图放大系数；

按下式确定区域网格空间第i层中第j个网格在兰伯特投影情况下的地图放大系数m_1ij：

或者，按下式区域网格空间第i层中第j个网格在极射赤面投影情况下的地图放大系数 m_2ij：

或者，按下式区域网格空间第i层中第j个网格在麦卡托投影情况下的地图放大系数 m_3ij：

上式中，θ₁＝30°为兰伯特投影的标准纬度，θ_ij为区域网格空间第i层中第j个网格的余纬，为区域网格空间第i层中第j个网格的纬度。

一种区域空间多尺度网格编码装置，其改进之处在于，所述装置包括：

编码单元，用于对网格空间的各层中网格进行编码；

确定单元，用于设置网格空间的最高层数及单元网格，确定区域网格空间及其各层中网格编码。

优选的，所述装置还包括：

转换单元，用于对所述区域网格空间进行地球网格空间映射转换。

本发明的有益效果：

本发明提供的技术方案，采用8分法获取网格空间的模型，从最小网格单元出发，通过不同层级的聚合而形成更大网格单元，即区域网格空间，进一步的，针对东西方向、南北方向、垂直方向，分别应用二进制方法进行编码，通过顺序组合，并结合标识码、补位码等形成一个完整的编码，因为采用的是8分法，所以各层级之间的变化规律，符合计算机的二进制特点，再加上设定了最小网格尺度单位长度，所以所有层级的网格尺度都是整数，不存在浮点运算，所以有利于提高计算效率；能够克服传统基于经纬度剖分方法的实施过程中各网格大小不一的缺点，保证在每个剖分层级上，聚合算法得到的网格几何尺度都是一样大小。由于设定有21个层级，每个层级的尺度大小都不一致，即多尺度，所以可以很方便的根据要研究的对象大小来判定需求，即需要使用哪个层级的编码；由于可以任意设定三个方向的最小网格单元的尺度大小，所以可以很方便的对空间分布各向异性的对象进行针对性的编码，特别是可以有利于垂直方向的灵活分层；最后，本技术方案主要针对局地切平面上的空间位置管理与服务，设定的局地切平面比传统的地球表面曲面计算要容易的多，又因为加入了地图投影放大系数的计算过程，也可以根据不同区域选择不同的投影方式，从而能够降低误差，提高计算精度。

附图说明

图1是本发明一种区域空间多尺度网格编码方法的流程图；

图2是本发实施例中采用8分法进行网格剖分的示意图；

图3是本发实施例中采用2分法沿一维方向进行网格剖分的示意图；

图4是本发实施例中球坐标系示意图；

图5是本发实施例中局地切平面示意图；

图6是本发实施例中兰伯特投影示意图；

图7是本发实施例中极射赤面投影示意图；

图8是本发实施例中麦卡托投影示意图；

图9是本发实施例中矩形网格区域的分布图；

图10是本发明一种区域空间多尺度网格编码装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

为了方便理解本发明实施例，首先在此介绍本发明实施例描述中会引入的几个术语：

地球空间剖分：为了便于对地球及其附属事物的研究，将地球空间按照一定的规则剖分成一个个不同区域，称之为地球剖分。

网格：在信息学中，网格是一种用于集成或共享地理上分布的各种资源(包括计算机系统、存储系统、通信系统、文件、数据库、程序等)，使之成为有机的整体，共同完成各种所需任务的机制。对于地理信息来说，更多的是指地球空间剖分之后形成的一个个独立的小空间。

经纬度坐标系：人们给地球表面假设了一个坐标系，这就是经纬度线。经度是地球上一个地点离一根被称为本初子午线的南北方向走线以东或以西的度数。纬度是指某点与地球球心的连线和地球赤道面所成的线面角，其数值在0至90度之间。经纬度是经度与纬度的合称，组成一个坐标系统，又称为地理坐标系统。

多尺度：在地球剖分过程中，因为剖分次数的不同，也就是剖分层级的不同，导致了网格的尺度大小也不一样。具有多层级的不同尺度的集合，称之为多尺度。

本发明提供的技术方案，通过设定最小剖分单元大小，解决剖分网格立方体长宽高非整型以及网格体大小不一的问题。

传统方法都是将特定大小的较大网格空间通过剖分的方法得到更小的网格空间，因此在剖分过程中不可避免的会遇到网格边长大小带有小数点的情况，从而影响计算效率和计算精度。

在本发明中，假设所要研究的空间经过若干次剖分以后得到最小立方体网格单元，其长宽高的大小为我们事先设定的基本长度单元，比如说是1米(也或者是1厘米，也或者是1 毫米)。经过这样设定的研究空间，可能会比实际空间稍微大一点，但是一定能保证任意次剖分出来的立体网格空间，其长宽高的大小都是整数形式，而且每个剖分层级上的剖分网格体大小都是一样的。

通过8分法进行整型剖分，解决网格误差精度问题。

GeoSOT为了凑成2ⁿ形式，进行了地球空间扩展，比如将地球表面1°＝111公里扩展成 1°＝128公里，因此必然带来实际地球空间的网格长度与虚拟计算空间的网格长度大小不一的现象，也就带来了网格误差精度问题。

本发明中，因为也是通过8分法进行的整型剖分，所以必然满足2ⁿ形式的计算规律,便于提高计算效率。不过，由于本发明中没有进行任何地球空间扩展的假设，而且在剖分过程中同一层级的网格体大小完全一致，所以不存在地球空间扩展误差问题，也避免了网格误差精度问题。

针对需求任意设定最小网格单元的长宽高大小，解决剖分灵活性不够的问题。

传统方法并不能任意设定剖分大小，基本上都是一套规则走天下，但是对于不同的案例情况和实际需求，却无法进行灵活有效的调节。

本发明中，最小剖分网格单元的长、宽、高(分别是沿东西向的水平方向、沿南北向的水平方向、从地心向外太空的垂直方向)，都是独立设置的，且都可以根据实际需求去灵活设定，因此适应性更强。

采用分开编码和顺序组合方法，提高查询检索效率。

本发明中，针对东西方向、南北方向和垂直方向，分别应用二进制方法进行编码，并按照特定顺序规则组合成一个完整的编码。这样，对于这三个方向来说，完全可以根据编码的大小，来判定网格的相对位置。在查询检索的时候，也可以很快判定起始和终止的位置，也就是不需要遍历查询，最终提高了查询检索效率。

采用局地切平面近似，考虑三种地图投影方式，可将规则网格应用于局地三维空间的空间信息标识和管理。

实际地球空间的水平面不是真的平面，而是一个有弧度的面，因此在进行空间计算的时候，必须考虑地球表面的曲率效应。

本发明中，通过引入局地切平面近似、将非平面的地球空间映射到平面的投影计算空间、考虑三种地图投影方式、有效利用地图放大系数等手段，可以提高空间位置关系的计算效率以及计算精度，最终有利于将规则网格应用于局地地球三维空间的空间信息标识和管理。

具体的，本发明提供的一种区域空间多尺度网格编码方法，如图1所示，包括：

101.对网格空间的各层中网格进行编码；

102.设置网格空间的最高层数及单元网格，确定区域网格空间及其各层中网格编码。

其中，所述网格空间根据8分法获取。

获取所述网格空间的过程包括：

a.初始化网格空间为一个网格，网格空间的层级数i＝0；

本发明实施例中利用网格剖分方法获取网格空间，对研究区域按照8分法进行剖分，目的是将一个完整的立方体，不停地剖分成一个个更小的立方体网格单元，每剖分一次网格体单元的大小缩小1/8，但是网格体单元的数量扩大8倍，如图2所示，分别是完整的立方体、剖分1次、剖分2次的示意图。这种8分法的剖分方式可以依次类推下去，直到最小剖分体颗粒度满足用户的要求为止。其中，所述研究区域为虚拟空间，从而构建一个虚拟的网格空间模型。

获取虚拟的网格空间后，需对该网格空间进行编码，所述101，包括：

8分法本质上是分别沿着X、Y、Z三个方向同时进行网格剖分，为了简单起见，可以先考虑沿任意一个方向(例如X方向)进行剖分算法并进行网格编号。

由于考虑到目前计算机中1个长整数占64位的情况，因此本研究中列举的例子是进行了 21次剖分并对网格编码的。将来计算机硬件发展了，如果能够1个长整数占128位长度，那么可以考虑进行42次剖分的网格编码过程。

另外，对于只考虑水平方向的二维情况，也可以考虑进行32次剖分的编码过程，这也是本方法应用的一个特殊演变例子。或者仍然只进行21次剖分，但是用短码的形式来提高方便度和计算效率。

如图3所示，采用2分法沿一维方向进行网格剖分，具体剖分次数与编号对应关系如下：

无剖分，只有1个基本单元，编号就是0；

剖分1次，网格单元个数为21＝2个，十进制编号分别为0、1，二进制编号分别为：0、1；

剖分2次，网格单元个数为22＝4个，十进制编号分别为0、1、2、3，二进制编号分别为：00、01、10、11

剖分3次，网格单元个数为23＝8个，十进制编号分别为0、1、2、3、4、5、6、7，二进制编号分别为：000、001、010、011、100、101、110、111；

剖分4次，网格单元个数为24＝16个，十进制编号分别为0、1、2、3、……、24-1，二进制编号分别为：0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、1010、 1011、1100、1101、1110、1111；

……

剖分20次，网格单元个数为220＝1048576个，十进制编号分别为0、1、2、3、4、……、220-1，二进制编号分别为：00000000000000000000、0000000000000000001、0000000000000000010、0000000000000000011、……、11111111111111111111；

剖分21次，网格单元个数为221＝2097152个，十进制编号分别为0、1、2、3、4、…、221-1，二进制编号分别为：000000000000000000000、00000000000000000001、00000000000000000010、00000000000000000011、…、111111111111111111111

因为任何一个数据的空间位置，都包括X、Y、Z三个方向的空间信息，所以与它对应的空间网格编码，也要包含X、Y、Z方向的编号信息，并最终使得一个空间网格编码对应一个空间位置；

因为一个长整数在计算机存储时占8个字节(Byte)，共64位(比特，bit)，所以如果每个一维方向的网格编码，最长都用21位长度的编码来表示的话,三个方向加起来是63位长度，加上1位补充码，正好64位长度；

编码组合的时候，采用分段组合方式，也就是分成三段，分别记录三个方向的空间信息，这样使得每段编码的大小跟三个方向的变化趋势都有着良好的对应关系，这样有利于按照编码大小,在事先设定的范围内进行查询和检索，而不需要遍历查询。为了实现这个目标，取表1所示的编码位数设置方式：

表1编码位置设置情况

垂直Z向	东西X向	南北Y向	分隔符	补充位
					0～21位	0～21位	0～21位	1位	63～0位

其中，一个完整编码由3部分组成：有效编码、分隔编码和补充编码。其中有效编码分成3段，分别对应3个方向，各自占位0～21位，也就是长度在0～21之间变化，最大层级为21级。如果按照“垂直Z向编号+东西X向编号+南北Y向编号”组合起来作为有效编码，则有效编码长度最短为0位，最长为63位。因为一个长整数占64位，所以为了方便使用，要对不满64位的有效编码进行补位，补位码全部用1，而有效编码和补充编码之间用分隔编码0隔开。

为了便于说明，举一个例子：比如对于层级为10的时候，完整编码位数情况如表2所示：

表2层级为10的剖分编码占位情况

垂直Z向	东西X向	南北Y向	分隔符	补充位
					10位	10位	10位	1位	33

利用上述网格空间作为模型，设置网格空间的最高层数及单元网格能够确定最终待研究区域所对应的网格空间及该区域所对应的网格空间中各层级中网格的编码，因此所述102，包括：

例如，设置n次剖分结束时得到最小的网格单元的长宽高，这个基本长度单位，可以根据实际需要任意给定。比如：对于汽车导航来说，可能1米的精度就够了，那么基本长度单位可以取1米；对于港口叉车的自动装卸货来说，1分米的精度就够了，那么基本长度可以取1分米；对于餐厅自动机器人的送餐来说，1厘米的精度就够了，那么基本长度可以取1 厘米；对于台风位置的预报来说，1公里的精度就够了，那么基本长度可以取1公里。

此外，对于水平方向和垂直方向的精度要求不一样的情况，或者甚至东西方向和南北方向的精度要求都不一样的情况，其设定的基本长度单元完全可以不一样。比如我们要研究梅雨锋面的发展演变，假如梅雨锋面的几何形状，在东西方向长达1000公里，南北方向只有 100公里宽度，而垂直高度只有10公里高度，那么在这三个方向的基本长度单元完全可以不一样，可以分别取为1公里、100米、10米。再比如对于公路的导航，假设有这么一段高速公路，长达1000公里，宽度只有50米，但是上下有多层，上层是高速公路下层是辅路，这时三个方向的基本长度单元也都可以取不一样。

本发明中按照2ⁿ增长特点设定层级与网格大小的对应规则，即空间剖分的时候，是采用8分法依次从大空间(0层级)向小空间(21层级)一步一步剖分的，同时设定最小网格单元的长宽高大小为基本长度单元。

对于一维方向来说，如果将最小网格单元的格长大小设置为1(具体长度单位可以根据用户的实际需求来设定)，那么其他各层级的格长大小依次按照2ⁿ的特点在增长，层级与网格数量的对应关系如表3显示：

表3各层级与网格数量的对应关系

层级	网格数量	层级	网格数量	层级	网格数量
						0	2^21-21＝1	8	2^21-13＝256	16	2^21-5＝65,536
1	2^21-20＝2	9	2^21-12＝512	17	2^21-4＝131,072
						2	2^21-19＝4	10	2^21-11＝1,024	18	2^21-3＝262,144
3	2^21-18＝8	11	2^21-10＝2,048	19	2^21-2＝524,288
						4	2^21-17＝16	12	2^21-9＝4,096	20	2^21-1＝1,048,576
5	2^21-16＝32	13	2^21-8＝8,192	21	2^21-0＝2,097,152
						6	2^21-15＝64	14	2^21-7＝16,384
7	2^21-14＝128	15	2^21-6＝32,768

根据剖分的层级，可以有多个不同的尺度大小。

比如从0级到21级，各层级网格分别具有不同的大小，且满足2ⁿ剖分特点。这个特点，如表3所示。因此，如果选择不同的层级，就是选择不同的剖分次数，得到不同尺度大小的网格单元。因为层级是多层级的，所以网格的尺度也就是多尺度的。

其中，最小网格单元大小可以设定为任意长度尺度。

针对不同的研究系统和实际需求，可以将最小网格单元大小可以设定为任意长度尺度。比如可以是米级尺度，也可以是分米、厘米、毫米级长度尺度，具体见表5。当然，这里用作举例子的是这4个例子，实际上随着用户的需求变化，这种最小网格单元的尺度大小可以任意变化，充分体现了多尺度的效果。总之，0级网格单元的长度大小约为21层级网格单元长度大小的200万倍，只要最小网格单元的长度尺度变化了，各层级网格单元的长度大小，都会跟着变化。

例如，最小网格单元长度为1米，各层级网格长度如表4所示：

表4最小网格单元长度为1米各层级网格单元长度

其中，区域网格空间的三个维度方向的最小网格单元的尺度大小是可以任意设定，且互不相同。

水平活动范围和垂直活动范围的区别，导致了需要不同的尺度设定。人类的绝大部分活动，都集中在离地球表面附近的几十公里高度范围内，包括向地面以下的延伸活动。但是在水平方向来说，某次活动范围扩展到几千公里、几万公里都是正常的。因此，对于水平方向和垂直方向的网格分辨率需求是完全不能等同的。比如对于大气运动的研究，如果用16公里的水平分辨率，即1个网格大小16公里，也许是可以接受的。但是在垂直方向，16公里已经基本上等同于对流层的高度，因此把1个网格的囊括整个对流层的垂直分辨率，是绝对不能接受的。传统的剖分方法，只能通过继续剖分来同时增加水平和垂直方向的分辨率，但是这样一来，当垂直方向分辨率达到需求时，水平方向的分辨率因为过于高而极大的增加了计算量，从而耗费了计算资源，并限制了应用能力。

最简单的研究区域大气运动尺度设定的例子如表5所示，其中最小的网格单元，在水平方向上为1公里，在垂直方向上为10米。如果取第9层级，那么这时候聚合的网格单元尺度，水平方向为4096公里，垂直方向为40.96公里，这两种聚合尺度，对于水平方向和垂直方向的大气运动来说，都是适宜的。

表5水平方向和垂直方向的不同尺度设定

另外，水平活动具有的方向性，也导致了水平方向可能也需要不同的尺度设定。比如高速公路、铁路、河流、锋面、飑线等很多研究对象都是线性的，所以在不同的水平方向也可能需要不同的尺度设定。对于本发明来说，完全能够适应这个需求。

进一步的，实际地球空间的水平面不是真的平面，而是一个有弧度的面，因此在进行空间计算的时候，必须考虑地球表面的曲率效应。本发明中，通过引入局地切平面近似、将非平面的地球空间映射到平面的投影计算空间、考虑三种地图投影方式、有效利用地图放大系数等手段，可以提高空间位置关系的计算效率以及计算精度，最终有利于将规则网格应用于局地地球三维空间的空间信息标识和管理。因此，在所述102之后，包括：

对所述区域网格空间进行地球网格空间映射转换。

具体包括：

其中，所述区域网格空间第i层中第j个网格的地图放大系数包括：区域网格空间第i 层中第j个网格在兰伯特投影情况下的地图放大系数、区域网格空间第i层中第j个网格在极射赤面投影情况下的地图放大系数和区域网格空间第i层中第j个网格在麦卡托投影情况下的地图放大系数；

本发明实施例中，本发明的网格编码方法，主要应用于局地三维空间的空间信息的标识和管理，因此将地球面投影到切平面上去，同时充分考虑到放大系数的影响，在局地切平面中进行网格多尺度聚合和编码，具体包括：

首先，设定球坐标系和经纬度量度，在地球系统空间，实际观测到的运动都是相对于地球表面的运动，因而一般以地球作为参照系，来研究各种运动。对于全球范围内的运动来说，采用最多的是球坐标系。

如图4所示，球坐标系的原点取在地心，P点为地球表面的某个点，这里设置为坐标系水平面的原点。坐标λ,φ,r分别为P点的经度、纬度和地心指向P点的向径；单位矢量分别与纬圈相切指向东(东西方向)、与经圈相切指向北(南北方向)、垂直地球表面即海平面指向天顶(垂直方向)。很显然，单位矢量的方向随P点的位置而变化。

球坐标在很多其他的网格剖分方法中，应用比较广泛。

其次，设定局地切平面近似，所谓局地切平面近似，就是指在局地范围内，可以把球面视为平面，而不再考虑单位矢量的空间变化。即我们这里建立的局地直角平面坐标网格，水平面就位于局地切平面之上，垂直方向从地心指向外太空。

如图5所示，是局地切平面的剖面示意图。图中表示地球自转角速度，是坐标原点所在的纬度。

最后，与三大地图投影的匹配对应，地球表面是圆的，而在研究局地运动时，常常使用平面直角坐标系，因此总会带来误差。当将球面投影于平面上时，并重新划分网格，使网格距保持常数，这一过程可称为地图投影。在进行地图投影的过程中，必须考虑地图放大系数的计算问题。

常用的三大地图投影方式，分别为极射赤面投影、兰伯特投影和麦卡托投影。本项目设计的网格方法，可以跟这三种地图投影方式相匹配。一般来说，极射赤面投影主要应用于高纬地区，麦卡托投影主要应用于低纬地区和赤道地区，兰伯特投影主要应用于中纬度地区。

因为我国主要分布于中纬度地区，所以这里先以兰伯特投影为例，来说明网格与地图投影的匹配问题。如图6所示，是兰伯特投影示意图。

兰伯特投影是割投影，标准纬度为θ₁＝30°，θ₂＝60°；地图放大系数可以表示为：地图放大系数其中，L为投影平面上的距离，L_s为地球表面上相应的距离，通过一定的计算规则，可以推导证明在兰伯特投影地图上计算格点网格点上的放大系数为也就是可先将地球表面的距离，通过乘以放大系数，得到投影到局地切平面直角坐标系的距离，然后再在局地切平面直角坐标系中进行各种运算。

在高纬地区，一般可以使用极射赤面投影。投影面与地球在纬度相割，投影面所张的平面角为360°，如图7所示，是极射赤面投影示意图。极射赤面投影的放大系数为

在低纬地区，常常使用麦卡托投影。如图8所示，是麦卡托投影的示意图，麦卡托投影的标准纬度为22.5°N和22.5°S。其中麦卡托投影在沿东西方向的放大系数为1，而沿南北方向的放大系数为

最后以兰伯特投影的一个具体例子来说明求放大系数的步骤：

如图9所示，假设水平矩形区域的中心点为C点，该点的经纬度坐标为矩形的北边界与维圈相切于A点，南边界与另一维圈相切于B点，AB为某一经线。取正方形网格，格子尺度为d，实线格点数分别为奇数(MIX，MJX)。现在求任意格点P上的放大系数m_i,j；

具体求算步骤：

第一步，先计算C点到北极点N的距离：

第二步，计算P点到北极点N的距离：

第三步，计算P点的经度和余纬：

第四步，计算P点的放大系数：

本发明提供一种区域空间多尺度网格编码方法的实施例：

步骤一、根据研究的对象，判断需要设置的最小网格单元大小和最大空间区域大小。

比如，需要研究的对象是台风运动。那么在水平方向上，可以判断需要设置的水平最小网格单元大小为1公里、最大水平空间区域大小为2000公里左右，从这个意义上讲，设定的层级可以是第10层级。在垂直方向上，可以判定需要设置的垂直最小网格单元是10米、最大垂直空间区域大小为20公里，从这个意义上讲，设定的层级也是第9层级。

比如，需要研究的对象是港口货物的自动装载和短距离运输。那么在水平方向上，可以判断需要设置的水平最小网格单元为1厘米、最大水平空间区域为10公里左右，那么设定的层级可以是第1层级。而在垂直方向上，垂直最小网格单元设置为1毫米也能满足需求了，最大的垂直空间区域1公里就足够了，所以从垂直方向的需求来看，设定的层级也是第1层级。

比如，需要研究的对象是工厂的自动化生产和加工线上的货物搬运。那么无论是水平方向，还是垂直方向，最小网格单元至少都要设置1毫米，而最大的空间区域大小为50米也基本足够了，因此这时设定的层级为第5层级。

其他的研究对象，也可以根据需求进行类似的判断，从而设定水平/垂直方向的最小网格单元、最大区域空间、层级数等。

步骤二、利用最小网格单元、层级数，根据2ⁿ特点，进行网格空间聚合运算，构建每个层级的网格空间编码。

构建网格空间编码的时候，先对一个方向进行网格空间的聚合运算，并进行一维网格编码构建。假如设定的层级数为9，因为最小网格单元的层级数为21，也就是从第21层级到第 9层级的网格编码构建都在这次运算的过程中。

然后将3个方向的一维网格编码组合起来，并加上识别码和补码，形成完整的三维局地网格编码。

步骤三、对研究空间里面的对象数据进行处理，按照规则进行编码。

先对研究空间里面的对象(如图9所示，假设位于P点)进行数据采集，研究对象的数据都含有空间位置信息，也就是P点的空间位置信息。这个空间位置信息，可能是用经纬度表示的，也有可能用相对距离表示的。

如果是用经纬度表示的，则沿X方向与Y方向的距离，都可以按照球面距离公式计算出来，再结合地图投影放大系数，就可以将在局地切平面里面的距离计算出来，从而按照规则计算空间位置信息的编码。

如果是用相对距离来表示的，那么判断是地球表面的相对距离，还是直线距离，地球表面的相对距离转换为局地切平面空间的距离过程中需要考虑地图投影放大系数，如果是直线距离可以直接转换而不用考虑地图投影放大系数。

本发明提供一种区域空间多尺度网格编码装置，如图10所示，所述装置包括：

编码单元，用于对网格空间的各层中网格进行编码；

其中，所述网格空间根据8分法获取。

获取所述网格空间的过程包括：

a.初始化网格空间为一个网格，网格空间的层级数i＝0；

所述编码单元，用于：

所述确定单元，用于：

所述装置还包括：

所述转换单元，用于：

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/ 或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/ 或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种区域空间多尺度网格编码方法，其特征在于，所述方法包括：

对网格空间的各层中网格进行编码；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述网格空间根据8分法获取。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，获取所述网格空间的过程包括：

a.初始化网格空间为一个网格，网格空间的层级数i＝0；

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对网格空间的各层中网格进行编码，包括：

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置网格空间的最高层数及单元网格确定区域网格空间及其各层中网格编码，包括：

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置网格空间的最高层数及单元网格确定区域网格空间及其各层中网格编码之后，包括：

对所述区域网格空间进行地球网格空间映射转换。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述区域网格空间进行地球网格空间映射转换，包括：

将所述区域网格空间第i层中第j个网格的东西x轴方向长度和南北y轴方向长度扩大倍，其中，m_ij为区域网格空间第i层中第j个网格的地图放大系数，其中，i∈[0,n]，n为区域网格空间的最高层数，j∈[0,2ⁱ]。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述区域网格空间第i层中第j个网格的地图放大系数包括：区域网格空间第i层中第j个网格在兰伯特投影情况下的地图放大系数、区域网格空间第i层中第j个网格在极射赤面投影情况下的地图放大系数和区域网格空间第i层中第j个网格在麦卡托投影情况下的地图放大系数；

<mrow> <msub> <mi>m</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>sin&theta;</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>sin&theta;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mi>g</mi> <mfrac> <msub> <mi>&theta;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>/</mo> <mi>t</mi> <mi>g</mi> <mfrac> <msub> <mi>&theta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>0.71556</mn> </msup> </mrow>

或者，按下式区域网格空间第i层中第j个网格在极射赤面投影情况下的地图放大系数m_2ij：

<mrow> <msub> <mi>m</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mo>+</mo> <msqrt> <mn>3</mn> </msqrt> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>sin&theta;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>cos&theta;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>

或者，按下式区域网格空间第i层中第j个网格在麦卡托投影情况下的地图放大系数m_3ij：

9.一种区域空间多尺度网格编码装置，其特征在于，所述装置包括：

编码单元，用于对网格空间的各层中网格进行编码；

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：