空間信息剖分組織的全球離散格網(wǎng)理論與方法

童曉沖

信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，河南鄭州450052

空間信息剖分組織的全球離散格網(wǎng)理論與方法

童曉沖

信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，河南鄭州450052

隨著對(duì)地觀測(cè)手段的不斷進(jìn)步，在廣大區(qū)域甚至全球范圍應(yīng)用遙感和其他類型空間數(shù)據(jù)的機(jī)率大大增加。構(gòu)建具有連續(xù)性、層次性和動(dòng)態(tài)性的全球數(shù)據(jù)模型已成為廣受關(guān)注的重要研究方向。目前，全球空間數(shù)據(jù)組織處理模型的研究已經(jīng)取得了可喜進(jìn)展，其中構(gòu)建“全球離散格網(wǎng)系統(tǒng)”（discrete global grid systems，DGGS），正是針對(duì)該問題提出的一種解決方案。

全球離散格網(wǎng)采用特定方法將地球均勻離散化，形成無縫無疊的多分辨率格網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)，采用格網(wǎng)單元的地址編碼代替?zhèn)鹘y(tǒng)地理坐標(biāo)參與數(shù)據(jù)操作，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：① 以整個(gè)地球?yàn)檠芯繉?duì)象，更適合處理全球尺度的問題；② 對(duì)地球空間的同構(gòu)離散化，有助于數(shù)據(jù)統(tǒng)一建模、按需重組；③ 格網(wǎng)具有層次性，在結(jié)構(gòu)上支持多尺度數(shù)據(jù)表達(dá)；④ 數(shù)據(jù)操作采用編碼運(yùn)算完成，更適合計(jì)算機(jī)處理。本文圍繞如何利用全球六邊形離散格網(wǎng)系統(tǒng)組織、管理和處理地球空間信息這一主題開展研究，在理論和實(shí)現(xiàn)方法上取得了一些進(jìn)展。主要工作總結(jié)如下：

（1）從當(dāng)今格網(wǎng)技術(shù)和空間信息技術(shù)發(fā)展這一大背景出發(fā)，闡述了建立全球意義上的離散格網(wǎng)系統(tǒng)的重要性，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)總結(jié)、分析國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。研究與分析表明，在三種能夠進(jìn)行規(guī)則化空間剖分的幾何格網(wǎng)圖形（三角形、四邊形、六邊形）中，六邊形格網(wǎng)是排列最緊湊、采樣最高效、鄰域最一致的一種，因?yàn)樗浅＿m合用作空間數(shù)據(jù)的建模和處理，并受到越來越多的重視，而且平面六邊形格網(wǎng)的各種優(yōu)點(diǎn)可以延續(xù)到全球格網(wǎng)系統(tǒng)上。

（2）創(chuàng)新了一種六邊形離散格網(wǎng)的空間層次結(jié)構(gòu)（hexagonal quad balanced structure，HQBS），采用四位碼元對(duì)格網(wǎng)單元進(jìn)行編碼。定義并實(shí)現(xiàn)了格網(wǎng)向量的基本運(yùn)算，利用這些運(yùn)算可以方便地實(shí)現(xiàn)格網(wǎng)單元的空間索引、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及與十進(jìn)制數(shù)的互換等功能。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了相關(guān)算法的正確性與效率，為全球六邊形離散格網(wǎng)的建立奠定了理論基礎(chǔ)。

（3）從理論上證明HQBS擴(kuò)展到球面的完備性，解決格網(wǎng)矢量的跨面運(yùn)算難題，設(shè)計(jì)球面離散格網(wǎng)上的單元索引算法。提出一種評(píng)價(jià)離散格網(wǎng)幾何屬性最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，使用遺傳算法優(yōu)化，得到了球面上有限層次內(nèi)最優(yōu)化條件下的直接剖分格網(wǎng)。利用最優(yōu)化格網(wǎng)提供的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合地圖數(shù)值投影變換理論，成功地構(gòu)建了幾何屬性更加均勻的全球六邊形離散格網(wǎng)系統(tǒng)。試驗(yàn)表明，相對(duì)于現(xiàn)有Snyder等積投影建立的全球格網(wǎng)，在格網(wǎng)單元的均勻度上更優(yōu)；在運(yùn)算效率方面，速度大約是Snyder投影的2.5～3倍。

（4）將空間數(shù)據(jù)模型的記錄與表達(dá)問題分開，設(shè)計(jì)矢量數(shù)據(jù)的記錄方式和格網(wǎng)快速填充算法，解決球面上矢量表達(dá)的跨面難題。提出矢量數(shù)據(jù)內(nèi)插的高精度表達(dá)方法，將線狀矢量數(shù)據(jù)在全球格網(wǎng)上的表達(dá)誤差嚴(yán)格控制在一個(gè)格網(wǎng)單元內(nèi)。試驗(yàn)表明，在全球格網(wǎng)上進(jìn)行矢量表達(dá)的過程中，單位時(shí)間內(nèi)計(jì)算單元的數(shù)目是相對(duì)穩(wěn)定的，平均效率能達(dá)到1 700～5 300單元／ms。利用多點(diǎn)內(nèi)插的方式，實(shí)現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)的格網(wǎng)表達(dá)。通過誤差傳遞理論和頻率域采樣定理從理論上證明，并經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證了遙感圖像在格網(wǎng)表達(dá)過程中最大灰度內(nèi)插損失約為1.6個(gè)灰度級(jí)，內(nèi)插效率可以達(dá)到約3 000單元／ms。

（5）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)全球離散格網(wǎng)的動(dòng)態(tài)生成算法、格網(wǎng)的空間可視化方法以及空間數(shù)據(jù)在全球格網(wǎng)上的調(diào)度、顯示與綜合的原則。試驗(yàn)表明：全球格網(wǎng)動(dòng)態(tài)生成的效率110～370單元／ms之間，可視化過程中格網(wǎng)數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)逐層加載的時(shí)間在300ms左右，能夠保證加載空間數(shù)據(jù)后的顯示刷新率在20幀／秒左右。

（6）針對(duì)離散格網(wǎng)的距離定義、鄰域和卷積等空間域操作，以及形態(tài)學(xué)處理、Voronoi圖的生成、空間拓?fù)潢P(guān)系、量測(cè)系統(tǒng)等若干應(yīng)用問題展開討論，通過具體的分析與例子充分展示了全球離散格網(wǎng)系統(tǒng)在空間數(shù)據(jù)分析、處理及應(yīng)用方面所具有的潛力。

ThePrinciplesandMethodsofDiscreteGlobalGridSystemsforGeospatialInformation SubdivisionOrganization

TONGXiaochong
Institute of Surveying and Mapping，Information Engineering University，Zhengzhou 450052，China

1001－1595（2011）04－0536－01

P237

D

國家863計(jì)劃（2009AA12Z218）；國家自然科學(xué)基金（40671163）；信息工程大學(xué)博士基金

2011－03－22

童曉沖（1982—），男，講師，2010年畢業(yè)于信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，獲測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)專業(yè)工學(xué)博士學(xué)位（指導(dǎo)教師：張永生教授）。主要研究方向：全球離散網(wǎng)格系統(tǒng)、攝影測(cè)量遙感、數(shù)字圖像處理。

Author：TONG Xiaochong（1982—），male，lecturer.He received his doctorate from Institute of Surveying and Mapping，Information Engineering University in 2010.His research interests include discrete global grid systems，photogrammetry and remote sensing，digital image processing.