一種基于剖分格網(wǎng)的新型導(dǎo)航定位服務(wù)方法

楊宇博，王 晶，程承旗，陸 楠，李 濱，5，董 芳

(1.解放軍95899部隊(duì)，北京100085;2.北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京100871;3.國(guó)家計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急技術(shù)處理協(xié)調(diào)中心，北京100029;4.北京大學(xué)工學(xué)院，北京100871;5.天寶寰宇電子產(chǎn)品(上海)有限公司北京分公司，北京100020)

一、引 言

隨著GPS及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS的精度與可靠性越來越高，已廣泛應(yīng)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域。現(xiàn)階段人們已不再滿足于僅僅知道“我在哪”，而更加注重于獲取用戶所在位置周邊的各種地理空間信息，在獲取位置信息的基礎(chǔ)上獲得進(jìn)一步的空間信息服務(wù)。越來越多基于位置的服務(wù)開始涌現(xiàn)出來［1］，其中一個(gè)核心問題就是如何快速地從海量、多源空間信息中進(jìn)行位置相關(guān)信息的關(guān)聯(lián)檢索與服務(wù)［2］。

同時(shí)，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，空間信息的組織方法也在不斷升級(jí)［3］，全球剖分格網(wǎng)為空間信息關(guān)聯(lián)檢索提供了一個(gè)新的途徑，且基于格網(wǎng)的定位方法也更加符合人類的認(rèn)知觀念。因此，將導(dǎo)航定位方法與剖分格網(wǎng)相結(jié)合，研究基于全球剖分格網(wǎng)的導(dǎo)航定位理論與應(yīng)用服務(wù)方法具有很高的理論價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

二、USNG格網(wǎng)導(dǎo)航應(yīng)用

目前，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要有 GPS、Galileo、GLONASS及我國(guó)自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)(BDS)，其定位信息一般是以將用戶所在位置抽象為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的形式給出，可以稱為基于點(diǎn)位置的導(dǎo)航服務(wù)模式。此模式具有定位精確、簡(jiǎn)單直接等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也有其局限性:第一，導(dǎo)航定位是有精度范圍的，但抽象的質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)輸出只能表示一個(gè)點(diǎn)位置，現(xiàn)有經(jīng)緯度模式輸出的定位信息無法表達(dá)導(dǎo)航定位的誤差橢圓(空間區(qū)域范圍);第二，若按經(jīng)緯度模式輸出定位信息，在查找某地區(qū)相關(guān)空間服務(wù)信息時(shí)，區(qū)域范圍空間分析和查詢檢索計(jì)算量較大，尤其在手持終端設(shè)備上進(jìn)行大數(shù)據(jù)量關(guān)聯(lián)檢索時(shí)耗時(shí)較長(zhǎng)。

針對(duì)上述問題，能否使用更加符合人類認(rèn)知的區(qū)域與位置信息結(jié)合作為導(dǎo)航定位信息，是一個(gè)比較新穎的研究與應(yīng)用方向。在這方面，美國(guó)已經(jīng)開展了一系列研究工作，其中具有代表性的是基于美國(guó)國(guó)家格網(wǎng)(United States National Grid，USNG)［4］的導(dǎo)航定位服務(wù)，已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際導(dǎo)航定位過程中［5］。

美國(guó)聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會(huì)(FGDC)于2001年發(fā)布了《美國(guó)國(guó)家格網(wǎng)》標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)以美國(guó)軍方格網(wǎng)參考系統(tǒng)(MGRS)為基礎(chǔ)建立，在北美范圍內(nèi)二者等同［6］。USNG的劃分方案如圖1所示，具體為:首先基于UTM投影劃分方法，按經(jīng)差6°和緯差8°對(duì)地球進(jìn)行一次劃分，格網(wǎng)劃分結(jié)果在經(jīng)度方向用數(shù)字、緯度方向用字母表示;在此基礎(chǔ)上以格網(wǎng)中央經(jīng)線為中心、100 km為間距向兩邊劃分方形格網(wǎng)，除投影帶邊緣外，其他格網(wǎng)均為100 km的方格，并用兩個(gè)字母組合表示;在100 km格網(wǎng)基礎(chǔ)上，可以繼續(xù)劃分10 km格網(wǎng)，并用0～9按先南北、后東西的順序給出10 km格網(wǎng)號(hào);依此類推，基于該原則可以進(jìn)一步劃分出1 km、100 m、10 m、1 m等不同級(jí)別格網(wǎng)，并給出格網(wǎng)編碼。

圖1 USNG格網(wǎng)導(dǎo)航定位及編碼示意圖

利用USNG格網(wǎng)，可以有效解決GPS定位、導(dǎo)航服務(wù)、國(guó)家格網(wǎng)地圖索引及街道地址索引等一系列應(yīng)用問題，且經(jīng)緯網(wǎng)更簡(jiǎn)便、直觀、快捷［7］?？傮w來說，格網(wǎng)編碼方法具有多級(jí)劃分、定位準(zhǔn)確、面向大眾等優(yōu)點(diǎn)，在基于格網(wǎng)的位置服務(wù)和地理信息共享方面意義重大，使人們可以方便地交換地理位置信息，使用地理信息數(shù)據(jù)，并獲取基于位置的地理信息服務(wù)。

雖然USNG已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)踐中，但卻基本停留在導(dǎo)航定位標(biāo)識(shí)階段，如何根據(jù)導(dǎo)航格網(wǎng)進(jìn)行海量多源空間數(shù)據(jù)的管理與檢索，還需進(jìn)一步研究［8］。同時(shí)，USNG的投影方法與我國(guó)數(shù)據(jù)投影管理體系不一致，無法直接移植到國(guó)內(nèi)應(yīng)用中。因此，借鑒USNG的思路和原理，發(fā)展適合我國(guó)應(yīng)用需求、兼顧導(dǎo)航定位位置表達(dá)與空間數(shù)據(jù)組織的剖分網(wǎng)格體系具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

三、GeoSOT格網(wǎng)在導(dǎo)航定位服務(wù)中的應(yīng)用方法

本文提出了一種基于剖分格網(wǎng)的導(dǎo)航定位服務(wù)方法，利用網(wǎng)格編碼表達(dá)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，同時(shí)將后臺(tái)導(dǎo)航服務(wù)空間信息進(jìn)行格網(wǎng)化處理，并賦予剖分面片編碼，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)輸出定位編碼與后臺(tái)服務(wù)信息組織編碼的一致，從而利用統(tǒng)一的導(dǎo)航編碼在服務(wù)數(shù)據(jù)庫中檢索與之相關(guān)聯(lián)的空間信息，實(shí)現(xiàn)基于剖分格網(wǎng)的空間信息導(dǎo)航定位服務(wù)新模式，其具有后臺(tái)網(wǎng)格一致、自動(dòng)空間關(guān)聯(lián)、查詢檢索高效等特點(diǎn)。

1.GeoSOT格網(wǎng)及其編碼方案

本文采用的GeoSOT剖分格網(wǎng)［9］屬于等經(jīng)緯度的四叉樹剖分格網(wǎng)體系(如圖2所示)，其核心思想是將度、分、秒3級(jí)格網(wǎng)進(jìn)行邏輯上的外延，使格網(wǎng)編碼具有整數(shù)特征，易于計(jì)算與儲(chǔ)存。0級(jí)格網(wǎng)定義為以赤道與本初子午線交點(diǎn)為中心點(diǎn)的512°×512°方格，依次向下四分至9級(jí)格網(wǎng)，大小為1°×1°(其中部分格網(wǎng)沒有地理含義，不再向下劃分，下同)，10級(jí)格網(wǎng)將起始數(shù)值空間大小由60'(即1°)外延到64'后，繼續(xù)向下四分至15級(jí)格網(wǎng)大小為1'×1'，“秒”級(jí)格網(wǎng)剖分方式參照分級(jí)格網(wǎng)，秒以下22～32級(jí)格網(wǎng)嚴(yán)格按照四分方法劃分和編碼。由此形成完整的32層GeoSOT剖分格網(wǎng)，其二進(jìn)制一維編碼如圖3所示。

圖2 GeoSOT剖分格網(wǎng)分層示例

圖3 GeoSOT剖分格網(wǎng)32層二進(jìn)制編碼

基于GeoSOT剖分格網(wǎng)組織全球多源空間信息，根據(jù)空間信息所表示的地理范圍賦予剖分編碼標(biāo)識(shí)，使得各類信息具有了統(tǒng)一的組織基準(zhǔn);并且因?yàn)镚eoSOT剖分格網(wǎng)所具有的多尺度層次特性，有利于多源空間信息的關(guān)聯(lián)檢索，特別是在針對(duì)不同尺度間多源信息的關(guān)聯(lián)操作方面，其相比于傳統(tǒng)方法具有較大優(yōu)勢(shì)。

2.GeoSOT剖分格網(wǎng)在導(dǎo)航定位中應(yīng)用的基本原則

GeoSOT的多層格網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以表示不同層次的區(qū)位信息，其每一個(gè)特定剖分面片都包含雙重信息:面片所在的準(zhǔn)確位置信息和面片覆蓋的區(qū)域信息，即面片具有點(diǎn)—面二相性。根據(jù)剖分格網(wǎng)的這一特性，可以將基于點(diǎn)的經(jīng)緯度定位信息轉(zhuǎn)換為剖分面片編碼，基于該編碼可以進(jìn)一步向用戶提供基于剖分格網(wǎng)的導(dǎo)航信息服務(wù)。導(dǎo)航定位服務(wù)中剖分格網(wǎng)的應(yīng)用應(yīng)遵循以下3個(gè)基本原則:

1)定位面片原則。以特定單一剖分面片作為定位的基本單元，稱該面片為定位面片，如圖4(a)所示，其通過將經(jīng)緯度定位信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到。剖分面片層級(jí)的選擇由定位精度決定，即選擇高于且最接近定位精度的面片作為定位面片，同時(shí)可以使用面片的中心點(diǎn)位置來表示更精確的位置信息。

2)相鄰面片原則。為將空間信息的檢索范圍進(jìn)行橫向擴(kuò)展，以定位面片為基礎(chǔ)，定義其相鄰面片，面片間的相鄰關(guān)系分為邊相鄰、角相鄰、相隔和相離4種，如圖4(b)所示，從左至右相鄰度依次降低。面片間的相鄰度越高，表明兩個(gè)面片間的空間關(guān)系越密切，面片內(nèi)的空間信息對(duì)用戶的重要性也就越高。

3)多級(jí)面片相關(guān)原則。為將空間信息的檢索范圍進(jìn)行縱向擴(kuò)展，以定位面片為基礎(chǔ)，通過面片上溯機(jī)制不斷迭代計(jì)算更高級(jí)別面片，定義產(chǎn)生的多級(jí)面片具有相關(guān)性，如圖4(c)中的深色面片，上溯的層數(shù)依據(jù)用戶的需求而定。將本原則與相鄰面片原則結(jié)合，可以不斷擴(kuò)大用戶在空間維和尺度維的信息檢索范圍。

圖4 格網(wǎng)導(dǎo)航定位應(yīng)用基本原則示意圖

3.格網(wǎng)定位服務(wù)中空間信息關(guān)聯(lián)檢索實(shí)現(xiàn)方法

導(dǎo)航定位信息與空間信息關(guān)聯(lián)檢索實(shí)現(xiàn)方法的核心思想是將具有多級(jí)特征的GeoSOT剖分格網(wǎng)作為空間信息組織框架，將導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)與影像、矢量、DEM、音頻文件、視頻文件、屬性文件等各類型空間信息納入到該框架當(dāng)中并賦予統(tǒng)一的剖分標(biāo)識(shí)編碼，即以GeoSOT剖分格網(wǎng)為載體實(shí)現(xiàn)空間信息的格網(wǎng)化組織與表達(dá)，通過將剖分面片作為導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)與空間信息的中間層，使各類空間信息經(jīng)過剖分預(yù)處理后以剖分面片作為其存儲(chǔ)與管理的基本單元，進(jìn)而可以依據(jù)相應(yīng)的剖分面片編碼檢索相關(guān)聯(lián)的空間信息，如圖5所示。

圖5 空間信息關(guān)聯(lián)檢索原理圖

具體來說，該方法分為兩個(gè)方面(如圖6所示):①通過將剖分化表示的空間信息與剖分面片建立映射關(guān)系，使特定的空間信息被賦予剖分編碼［10-11］;②每隔一定的時(shí)間，依據(jù)定位面片原則使用用戶當(dāng)前所在位置信息確定定位面片，獲取該定位面片的剖分編碼，依據(jù)編碼進(jìn)行檢索。需要指出的是，依據(jù)多級(jí)面片相關(guān)原則，可以通過多次迭代檢索不同尺度空間信息。

圖6 空間信息關(guān)聯(lián)檢索流程圖

基于上述方法，本文對(duì)基于GeoSOT剖分格網(wǎng)的導(dǎo)航定位服務(wù)及其在空間信息關(guān)聯(lián)檢索中的應(yīng)用模式與系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)(如圖7所示)，并針對(duì)現(xiàn)有導(dǎo)航定位系統(tǒng)提出了可行的改造與接入方案，該方法可作為現(xiàn)有檢索方法的替代或補(bǔ)充。

剖分導(dǎo)航定位服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)由空間數(shù)據(jù)服務(wù)器、多媒體數(shù)據(jù)服務(wù)器、GPS應(yīng)用程序管理服務(wù)器、區(qū)位標(biāo)識(shí)服務(wù)器和數(shù)據(jù)檢索服務(wù)器5部分組成，具體為:①空間數(shù)據(jù)服務(wù)器為用戶提供經(jīng)過剖分預(yù)處理的結(jié)構(gòu)化多源影像、DEM數(shù)據(jù)等;②多媒體數(shù)據(jù)服務(wù)器為用戶提供經(jīng)過剖分標(biāo)識(shí)的視頻、圖片、文字等其他類型數(shù)據(jù);③GPS應(yīng)用程序管理服務(wù)器提供平臺(tái)系統(tǒng)的應(yīng)用程序統(tǒng)一管理服務(wù)，支持動(dòng)態(tài)裝載系統(tǒng)需要的組件;④區(qū)位標(biāo)識(shí)服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)的區(qū)域范圍對(duì)各類型數(shù)據(jù)添加剖分區(qū)位標(biāo)識(shí)，并生成影像數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的剖分索引文件;⑤數(shù)據(jù)檢索服務(wù)器支持用戶根據(jù)剖分編碼檢索相關(guān)聯(lián)的空間數(shù)據(jù)。

圖7 剖分導(dǎo)航定位服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)圖

在應(yīng)用端將GeoSOT區(qū)位標(biāo)識(shí)組件嵌入用戶GPS接收終端，用戶在獲取GPS導(dǎo)航信息的同時(shí)，也可以使用經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換得到定位面片剖分編碼，并通過互聯(lián)網(wǎng)接入剖分導(dǎo)航定位服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)，依據(jù)剖分編碼進(jìn)行相關(guān)空間信息的檢索，并將檢索得到的相關(guān)空間信息按需分發(fā)至用戶終端。

四、結(jié)束語

本文將GeoSOT全球剖分格網(wǎng)理論應(yīng)用于導(dǎo)航定位領(lǐng)域，使用剖分面片進(jìn)行導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)空間表達(dá)，同時(shí)將導(dǎo)航服務(wù)信息進(jìn)行格網(wǎng)化處理，保證了二者空間基準(zhǔn)的一致性，由此構(gòu)建起全球統(tǒng)一的剖分格網(wǎng)定位框架，可以實(shí)現(xiàn)基于格網(wǎng)導(dǎo)航定位服務(wù)的空間信息關(guān)聯(lián)檢索方法，并給出了剖分導(dǎo)航定位服務(wù)平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。

與傳統(tǒng)方法比較，基于剖分格網(wǎng)的新型導(dǎo)航定位服務(wù)方法具有多級(jí)定位、點(diǎn)—面二相性、計(jì)算高效等優(yōu)良特性，有利于解決現(xiàn)有導(dǎo)航定位服務(wù)中空間信息共享與利用困難的問題，可作現(xiàn)有空間信息導(dǎo)航服務(wù)方法的替代或補(bǔ)充。進(jìn)一步的研究工作包括優(yōu)化對(duì)于空間信息的編碼方案，以使得對(duì)其的管理與檢索更加便捷。

［1］WILSON M W.Location-based Services，Conspicuous Mobility，and the Location-aware Future［J］.Geoforum，2012，43(6):1266-1275.

［2］李德仁，李清泉，謝智穎，等.論空間信息與移動(dòng)通信的集成應(yīng)用［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版，2002，27(1):1-7.

［3］劉衛(wèi)東，甄峰.信息化對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)空間組織的影響研究［J］.地理學(xué)報(bào)，2004，59(S1):67-76.

［4］FGDC-STD-011-2001 United States National Grid［EB/OL］.［2012-08-23］.http:∥www.fgdc.gov/standards/projects/FGDC-standards-projects/usng/fgdc_std_011_2001_usng.pdf.

［5］Implementing the Standard for the US National Grid in North Carolina［EB/OL］.［2008-10-08］.http:∥www.fgdc.gov/usng/articles-reports/UsingUSNG_NC2009.pdf.

［6］USNational Grid Executive Summary and Information Paper［EB/OL］.［2012-08-23］.http:∥www.fgdc.gov/usng/USNGInfoSheetsCv5_4pages.pdf.

［7］兀偉，段怡紅.美國(guó)國(guó)家格網(wǎng)的現(xiàn)狀與應(yīng)用［J］.測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化，2004，20(2):20-22.

［8］The Future of the Global Positioning System［EB/OL］.［2012-08-23］.http:∥www.fgdc.gov/usng/articles-reports/DSB_200510_future_of_GPS.pdf.

［9］程承旗，任伏虎，濮國(guó)梁，等.空間信息剖分組織導(dǎo)論［M］.北京:科學(xué)出版社，2012.

［10］楊宇博，程承旗，宋樹華.面向地理對(duì)象多尺度表達(dá)的剖分編碼方法研究［J］.地理與地理信息科學(xué)，2010，26(5):33-36.

［11］程承旗，郭輝.基于剖分?jǐn)?shù)據(jù)模型的影像信息表達(dá)研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2009(10):12-14.