基于位置服務的地理格網(wǎng)編碼設(shè)計

兀 偉，李朋德，張 坤，肖學年，鄧國慶

(1.國家測繪地理信息局測繪標準化研究所，陜西西安710054;2.國家測繪地理信息局，北京100830;3.國家測繪地理信息局第一大地測量隊，陜西西安710054)

一、引 言

隨著地理信息公共平臺、GPS導航定位服務的廣泛應用，空間數(shù)據(jù)社會化應用不斷推廣普及，公眾開始熟悉和使用地理信息，對空間數(shù)據(jù)越來越關(guān)注，對服務質(zhì)量要求也越來越高。同時，社會化服務是我國信息化建設(shè)的目的，而地理信息則是信息化建設(shè)的基礎(chǔ)和重要部分。隨著國家和省級地理信息數(shù)據(jù)庫的建設(shè)和更新，我國積累了豐富的數(shù)據(jù)成果，但在成果社會化應用方面與世界先進水平相比還有很大差距。此外，盡管我國傳統(tǒng)郵政和街道地址可用于日?；顒又械膶ぶ?，但該系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一空間定位基礎(chǔ)，無法提供我國范圍內(nèi)任何點的空間位置。因此，為推進空間數(shù)據(jù)服務，滿足公眾需求，解決空間定位和尋址問題，迫切需要建立一個支持公眾使用和交流位置信息的統(tǒng)一地理格網(wǎng)編碼系統(tǒng)。

目前，國外為解決空間定位和位置服務需要，采用格網(wǎng)對空間數(shù)據(jù)進行組織和應用。如美國聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會2001年發(fā)布了《美國國家格網(wǎng)》標準，建立了統(tǒng)一地理格網(wǎng)編碼系統(tǒng)，解決了數(shù)據(jù)融合困難，實現(xiàn)了地理信息數(shù)據(jù)的共享［1］。英國陸軍測量局也建立了國家格網(wǎng)系統(tǒng)，并將其用于停車、野外探險和室外休閑，同時還基于國家格網(wǎng)編制了郵政地址，用于郵政服務。國內(nèi)對地理格網(wǎng)的研究和應用實踐也很多。李德仁提出將地理空間劃分成不同粗細層次的規(guī)則格網(wǎng)，記錄與格網(wǎng)密切相關(guān)的數(shù)據(jù)項，并根據(jù)地物密集程度確定格網(wǎng)尺度，形成不同層次的格網(wǎng)［2］。我國局部地理格網(wǎng)在城市中也有很多應用，如北京東城區(qū)在城市管理中運用格網(wǎng)思想，將轄區(qū)分成若干個格網(wǎng)單元，并對各單元實施監(jiān)控，實現(xiàn)了對管理空間的分層、分級管理。目前，許多城市也開始實施這種管理模式。一些城市交通圖上繪有規(guī)則格網(wǎng)，并用格網(wǎng)代碼表示位置。以上事例說明，統(tǒng)一國家地理格網(wǎng)編碼既是適應技術(shù)發(fā)展、支持數(shù)據(jù)共享、滿足應用的需求，又是空間信息整合與應用的基礎(chǔ)，在我國有廣泛的應用前景。

本文分析基于位置服務、尋址及空間定位對地理格網(wǎng)的要求，同時參考國外相關(guān)成果，設(shè)計符合我國特點的地理格網(wǎng)編碼體系，并支持數(shù)據(jù)集成，以滿足多源、多尺度地理空間信息整合。

二、設(shè)計基本原理與方法

地理格網(wǎng)編碼體系是按一定數(shù)學規(guī)則對地球表面進行科學劃分形成格網(wǎng)系統(tǒng)，并建立統(tǒng)一的格網(wǎng)編碼與索引的技術(shù)［3］。國家地理格網(wǎng)將我國領(lǐng)土范圍按一定地面距離劃分為不同層次和等級的格網(wǎng)，并將空間不確定性因素控制在一定范圍內(nèi)，建立格網(wǎng)體系。地理格網(wǎng)編碼是為了便于查詢檢索，為了地理格網(wǎng)建立統(tǒng)一、規(guī)范的標識系統(tǒng)，實現(xiàn)用代碼描述格網(wǎng)的空間位置、等級和包含關(guān)系。地理格網(wǎng)是一種科學、統(tǒng)一、簡單、便捷的空間定位參照系統(tǒng)，統(tǒng)一地理格網(wǎng)編碼體系的建立，有利于人們利用格網(wǎng)進行空間數(shù)據(jù)組織，并用格網(wǎng)代碼描述空間位置和關(guān)系，使人們能基于統(tǒng)一格網(wǎng)使用空間數(shù)據(jù)，交流位置信息，形成基于位置服務的環(huán)境，推進地理信息共享、服務和廣泛應用。為確保國家地理格網(wǎng)編碼體系的科學性和實用性，其設(shè)計應按照以下方法和原則進行：

1.統(tǒng)一地理格網(wǎng)編碼體系

地理格網(wǎng)編碼體系將在全國范圍應用，并形成公用空間參考系統(tǒng)和統(tǒng)一空間定位，以實現(xiàn)我國范圍內(nèi)任何地點空間位置的統(tǒng)一表示。因此，設(shè)計需面向全國，建立統(tǒng)一的格網(wǎng)體系。

2.簡潔規(guī)則的地理格網(wǎng)與編碼

國家地理格網(wǎng)設(shè)計應遵循規(guī)則化、簡單化原則，基于一定數(shù)學基礎(chǔ)，按固定規(guī)格劃分。方案應簡單、實用，并建立統(tǒng)一、規(guī)則的格網(wǎng)體系，且確保編碼設(shè)計的代碼簡單、易讀。

3.層次合理的格網(wǎng)分級

地物對象需要在不同空間或尺度上描述和表達其詳細程度，所建立的格網(wǎng)體系應分層次，以便通過不同等級格網(wǎng)來粗略或詳細描述要素對象的空間位置。

4.規(guī)范統(tǒng)一的格網(wǎng)編碼

為便于位置服務和二維空間地址建立，格網(wǎng)與代碼應是一一對應關(guān)系，代碼要反映格網(wǎng)的等級、大小和位置關(guān)系。因此，地理格網(wǎng)編碼應在規(guī)范化原則下制訂統(tǒng)一編碼規(guī)則。

5.實用的格網(wǎng)編碼體系

我國現(xiàn)有基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)基于傳統(tǒng)坐標系統(tǒng)，新國家地理格網(wǎng)推廣使用需要利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)。因此，地理格網(wǎng)編碼體系設(shè)計要與現(xiàn)行坐標系關(guān)聯(lián)，以便于轉(zhuǎn)換。

三、地理格網(wǎng)編碼體系設(shè)計

國家地理格網(wǎng)要滿足我國領(lǐng)土范圍內(nèi)的統(tǒng)一空間定位，其范圍是我國版圖。其次，為便于與我國基本比例尺地圖和地理信息數(shù)據(jù)銜接，國家地理格網(wǎng)劃分應在經(jīng)緯網(wǎng)基礎(chǔ)上進行多級格網(wǎng)劃分，一級格網(wǎng)按相同經(jīng)緯差劃分，二級及以下各級格網(wǎng)按固定地面距離劃分，所形成格網(wǎng)應盡量規(guī)則，并且同級格網(wǎng)大小、形狀應相同，從而有利于多級劃分。地理格網(wǎng)編碼應便于公眾使用，便于人們對各級格網(wǎng)進行快速編碼，并可根據(jù)代碼確定格網(wǎng)的等級、位置，以及不同格網(wǎng)之間的距離和關(guān)系。

1.一級格網(wǎng)劃分與編碼

一級格網(wǎng)描述大致地理位置，格網(wǎng)劃分與我國傳統(tǒng)1∶1 000 000地形圖分幅一致，即緯線方向，從赤道起自南向北按緯差4°，經(jīng)線方向從180°經(jīng)線起，自西向東按經(jīng)差6°劃分，形成相同經(jīng)緯度差的一級格網(wǎng)。一級格網(wǎng)編碼與相應國家基本比例尺地形圖編號統(tǒng)一，其代碼與百萬地圖圖號一致。

2.二級格網(wǎng)劃分與編碼

二級格網(wǎng)劃分主要在一級格網(wǎng)基礎(chǔ)上進行。由于我國絕大多數(shù)地理信息數(shù)據(jù)均采用了高斯-克呂格投影，為便于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，二級格網(wǎng)以6°投影帶為基本單元進行。由于我國領(lǐng)土位于東經(jīng)72°～138°、北緯0°～54°之間，因此我國地理格網(wǎng)以赤道和東經(jīng)72°經(jīng)線的交點為起始位置，各投影帶內(nèi)東西方向以其中央經(jīng)線為起始位置，按地面長度100 km依次向兩側(cè)劃分;南北方向則以赤道為起點，向北按相同地面長度依次劃分，形成二級格網(wǎng)。該格網(wǎng)所表示的地面除6°投影帶邊沿不足100 km外，其余都是邊長為100 km的正方形，最大限度實現(xiàn)了格網(wǎng)規(guī)則化。按照本劃分方案，南北方向上處于兩個一級格網(wǎng)交界處的二級格網(wǎng)會落在兩個相鄰一級格網(wǎng)內(nèi)。

二級格網(wǎng)代碼用兩個字母組合表示。編碼從起點開始，按26個英文字母順序從南向北、從西向東進行編碼，到第27個百公里格網(wǎng)時再從A開始按順序編。這樣任何一個二級格網(wǎng)就由所在一級格網(wǎng)代碼與表示二級格網(wǎng)的字母碼組成。特殊情況下，當二級格網(wǎng)處于一級格網(wǎng)交界處時，由于位于同一6°投影帶內(nèi)，其一級格網(wǎng)代碼中表示東西位置的數(shù)字碼完全一致，可省略一個。因此，其代碼由處于相對低緯度帶的一級格網(wǎng)代碼，以及處于相對高緯度帶的一級格網(wǎng)字母碼和二級格網(wǎng)代碼組成。

3.三級以下格網(wǎng)劃分與編碼

三級格網(wǎng)在二級格網(wǎng)內(nèi)劃分。規(guī)則格網(wǎng)沿南北、東西方向按地面10 km劃分。對于投影帶邊沿的格網(wǎng)，南北方向從南邊開始按地面10 km向北劃分，東西方向從鄰近投影帶中心線一側(cè)開始以相同長度依次劃分。四級及以下各級格網(wǎng)的劃分規(guī)則與三級格網(wǎng)劃分完全一致，即在上級格網(wǎng)內(nèi)，按地面長度1/10關(guān)系劃分形成1 km、100 m、10 m、1 m、0.1 m、0.01 m等不同等級的格網(wǎng)。從理論上說，地理格網(wǎng)可按此規(guī)則無限劃分，但考慮到實際需要，劃分到0.01 m即可。因此，格網(wǎng)的分級到9級。

三級格網(wǎng)代碼用數(shù)字表示。編碼從左下開始，按從下到上、從左到右的順序分別用0～9共10個數(shù)字表示。這樣左下第一個格網(wǎng)的代碼就是00，如果是規(guī)則格網(wǎng)，右上端最后一個格網(wǎng)的代碼就是99。四級及以下各級格網(wǎng)編碼規(guī)則與三級格網(wǎng)完全一致，其劃分和編碼示例如圖1所示。

圖1 三級及以下格網(wǎng)劃分與編碼示例

4.補充格網(wǎng)劃分與編碼

在本格網(wǎng)體系下，二級格網(wǎng)以下相鄰兩級格網(wǎng)面積相差100倍，中間無過渡格網(wǎng)。由于相差過大，因此不利于地物對象位置確定，有時無法滿足使用要求。為彌補這一不足，需要增加補充格網(wǎng)。補充格網(wǎng)在二級及以下各級格網(wǎng)上進行，對于規(guī)則格網(wǎng)按各邊中線四等分劃分，形成面積為原格網(wǎng)1/4的補充格網(wǎng);對于投影帶兩側(cè)的非規(guī)則格網(wǎng)，南北和東西方向小于該級格網(wǎng)理論邊長1/2時不再分，大于1/2時，起始位置與普通格網(wǎng)劃分起始位置相同，并按該級格網(wǎng)理論邊長的1/2進行劃分。

補充格網(wǎng)采用方位代碼進行編碼，即按其在原格網(wǎng)中的方位分別用NE、NW、SE、SW表示。對于位于投影帶邊沿的格網(wǎng)，如果東西方向小于理論邊長1/2，南北方向大于理論邊長1/2而被分成兩部分，則分別用N、S表示。

5.地理格網(wǎng)代碼結(jié)構(gòu)

地理格網(wǎng)的代碼分為3～4部分，第1部分表示其所在的一級格網(wǎng)代碼;第2部分表示所在的二級格網(wǎng)代碼;第3部分為用數(shù)字表示的三級及以下各級格網(wǎng)代碼，其中表示南北方向的代碼在前，表示東西方向的代碼在后。如果有補充代碼，則第4部分是表示方位的補充代碼，具體格網(wǎng)代碼結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 地理格網(wǎng)代碼結(jié)構(gòu)

四、位置服務解決示例

地理格網(wǎng)可應用于地理尋址、導航等空間定位和基于位置服務。以下示例說明地理格網(wǎng)編碼體系的應用。圖3是一幅地圖上的格網(wǎng)，該圖位于代碼為H49 KA的二級格網(wǎng)內(nèi)。圖中繪出了1 km的格網(wǎng)線，并標出了10 km和1 km格網(wǎng)線代碼。其中，第1位是10 km格網(wǎng)代碼;第2位是1 km格網(wǎng)代碼。a是某一地物要素的圖上位置，則該地物要素的地面位置就可以用代碼表示出來。根據(jù)精度要求不同，可分別用10 m、5 m、1 m、0.1 m 和0.01 m等不同格網(wǎng)表示。地物要素a用不同等級格網(wǎng)代碼可分別表示為，10 m格網(wǎng)：H49 KA 86763678;5 m格網(wǎng)：H49 KA 86763678 NW;1 m 格網(wǎng)：H49 KA 8676036783;0.1 m 格網(wǎng)：H49 KA 867603367835;0.01 m格網(wǎng)：H49 KA 86760323678357。

圖3 地理格網(wǎng)編碼體系空間定位示例

五、應用探討

1.人口普查和資源環(huán)境調(diào)查

人口普查中利用地理格網(wǎng)編制人口地圖，可以更好地反映人口密度，研究局部區(qū)域人口飽和度。如金君等研究了數(shù)字人口模型格網(wǎng)法，增加了不同性質(zhì)、區(qū)域人口數(shù)據(jù)的可比較性［4］。資源環(huán)境調(diào)查中用國家地理格網(wǎng)，可以豐富空間數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式，深化數(shù)據(jù)的處理與分析［5］。上述應用將地理格網(wǎng)推廣到社會經(jīng)濟領(lǐng)域，實現(xiàn)了社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)空間化，并以空間為背景進行分析，使地理格網(wǎng)成為數(shù)據(jù)管理和分析的基礎(chǔ)平臺。

2.城市格網(wǎng)管理

數(shù)字城市中引入國家地理格網(wǎng)，并將其作為特定范圍內(nèi)城市各類信息的載體，用格網(wǎng)代碼實現(xiàn)了對信息的查詢和檢索，是時空坐標系的一種新表示方法，可形成一個面向公眾的平臺，為公眾提供高質(zhì)量的服務。

3.地址服務

將地名地址分級，并基于國家地理格網(wǎng)編碼體系進行編碼，建立格網(wǎng)索引，形成二維空間地址，并共享索引信息，實現(xiàn)地理格網(wǎng)與地名地址的結(jié)合，更好地服務于民眾。

4.救災、急救活動

在災區(qū)相關(guān)標識和設(shè)施嚴重破壞時，可用地理格網(wǎng)提供的位置表示方案定位;公共安全訪問和查詢服務系統(tǒng)中可用地理格網(wǎng)存儲街道地址;在搜救活動中，可用地理格網(wǎng)確定搜救范圍、路線等。地理格網(wǎng)用于以上救災、急救活動，將有助于迅速確定位置，提高效率。

5.地理信息系統(tǒng)服務

國家地理格網(wǎng)作為公共地理空間單元，將自然劃分的地理信息和社會劃分的專題信息劃歸到統(tǒng)一格網(wǎng)中，實現(xiàn)了地理與社會專題數(shù)據(jù)的集成融合，便于全面、準確地認知理解，為科學決策打下良好的基礎(chǔ)，為電子商務、電子政務提供了豐富、全面、可靠的綜合數(shù)據(jù)。

六、結(jié)束語

當前，國外地理格網(wǎng)編碼體系在基于位置服務中得到了廣泛應用。美國和英國國家地理格網(wǎng)均在各自國家內(nèi)被廣泛應用，發(fā)揮了很大作用。我國對全國統(tǒng)一的地理格網(wǎng)編碼體系也有很大需求。本文根據(jù)我國實際需要，開展了地理格網(wǎng)編碼體系的研究，以我國百萬地圖分幅為基礎(chǔ)，繼承了原地圖分幅與編號體系，并以邊長為100 km的正方形格網(wǎng)為基本單元，保證了格網(wǎng)的規(guī)則性，且考慮了不同需要，在各級格網(wǎng)基礎(chǔ)上增加了補充格網(wǎng)。同時，格網(wǎng)編碼與格網(wǎng)保持了一致性，編碼設(shè)計時從統(tǒng)一起點開始，按固定順序和方向進行，盡量使代碼簡化，碼位長度最短，并與格網(wǎng)一一對應，保證了其實用性。

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