北斗網(wǎng)格碼在廣東智慧水利建設中的應用

楊嘉俊，任伏虎，司艷紅

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2.中科云遙(東莞)科技有限公司，廣東 東莞 523000)

1 概述

《廣東省水利發(fā)展“十四五”規(guī)劃》指出“圍繞水利重點領域，按照‘增智慧、建機制、強能力’的思路，推進智慧水利建設，建立健全監(jiān)管法制體制機制，強化重點領域全過程、全要素監(jiān)管，防范化解重大水安全風險，提升水利管理和服務水平，不斷推進水治理能力現(xiàn)代化”[1]。廣東是國內(nèi)河網(wǎng)密度最大的地區(qū)之一，陸地海岸線居全國首位，多年平均水資源總量4 000余億m3。經(jīng)過多年的水利建設，廣東有水庫、水閘各8 000余宗，堤防總長度近30 000 km。智慧水利建設管理、河長制日常工作推進挑戰(zhàn)大，難度高[2]。

在大數(shù)據(jù)背景下，海量的、各式各樣的面目標(水面遙感監(jiān)測數(shù)據(jù))、體目標(河湖、水網(wǎng))都必須用一群“點”(河湖影像數(shù)據(jù))的集合來表達時，在對象標識、位置傳遞、信息檢索、空間計算等方面都存在短板和不足。在GeoSOT基礎上發(fā)展出的北斗網(wǎng)格碼是一種多尺度、離散、適用于導航定位服務的全球地理網(wǎng)格編碼，該技術利用地球剖分網(wǎng)格實現(xiàn)全球多尺度區(qū)域位置標識，和傳統(tǒng)經(jīng)緯度表達的區(qū)別在于用一個整型數(shù)代表一個域位置。如圖1所示，傳統(tǒng)經(jīng)緯度坐標是度分秒表達，以北斗網(wǎng)格碼表達則為整型數(shù)格式[3]。北斗網(wǎng)格碼極大的簡化了位置信息的表達方式，在智慧水利推廣中可以有效地縮減數(shù)據(jù)量，快速聚焦重點關注區(qū)域。

圖1 北斗網(wǎng)格碼示例示意

2 基本原理

2.1 理論基礎——GeoSOT網(wǎng)格理論體系

2.1.1地球剖分網(wǎng)格

隨著人類活動的空間從地面延伸到太空、地下和水下，現(xiàn)有的地表經(jīng)緯度點坐標描述框架和地球表面參考系統(tǒng)已難以滿足應用需要，在行動籌劃、空間計算、信息服務等環(huán)節(jié)遇到空天地海框架分離、空域規(guī)劃計算效率不夠、空間覆蓋計算復雜度高、空間場要素描述困難等一系列挑戰(zhàn)和瓶頸。這一現(xiàn)象的根本原因在于：① 經(jīng)緯度是抽象質(zhì)點，每一個區(qū)域最少需要3個以上的點數(shù)據(jù)串來描述，很難實現(xiàn)立體空間唯一標識；② 經(jīng)緯度是一套連續(xù)體系，采用浮點數(shù)表達，其計算效率低，且不宜做數(shù)據(jù)庫檢索主鍵，難以適應大數(shù)據(jù)時代快速檢索、高效計算的新要求。因此，建立更科學的地球空間區(qū)位參考系統(tǒng)及其應用方法，具有重大的科學與實踐意義。

地球剖分網(wǎng)格模型是建立地球區(qū)位參考框架的實現(xiàn)途徑和技術手段，主要研究空間網(wǎng)格的劃分規(guī)則與方法，剖分網(wǎng)格的幾何結(jié)構(gòu)、空間特征、空間關系，編碼規(guī)則、算法以及查找、定位方法等。地球作為一個復雜的不規(guī)則幾何體，本身難以用數(shù)學方法描述和處理，基于標準參考橢球體及空間坐標系統(tǒng)，剖分模型就具有了精確的空間定位基準依據(jù)，采用多層次的遞歸剖分方式，就可以將空間劃分為性質(zhì)相近的微分單元。連續(xù)微分單元之間形成嵌套結(jié)構(gòu)，所有單元的集合構(gòu)成一個從天到地，從立體到球面的多尺度單元嵌套集，這個集合體系即地球空間剖分組織的區(qū)位參考框架如圖2所示[4]。

圖2 地球剖分網(wǎng)格示意

2.1.2GeoSOT網(wǎng)格理論

GeoSOT(Geographic coordinate Subdividing grid with One dimension integral coding on 2nTree)是一種基于2n樹及整型一維數(shù)組的全球經(jīng)緯度區(qū)位參考框架，包括3個方面：

1) GeoSOT網(wǎng)格體系，形成一整套空間剖分網(wǎng)格解決方案，既包括了二維剖分網(wǎng)格，也包括了立體剖分網(wǎng)格，此外還對兩極地區(qū)單獨設計網(wǎng)格剖分方案。

2) GeoSOT編碼體系，在網(wǎng)格體系的基礎上，針對剖分框架劃分方案劃分出的由剖分體元作為基本單元組成的離散立體空間區(qū)域集合，逐個進行編碼，實現(xiàn)地理信息的區(qū)位標識。

3) GeoSOT計算體系，在網(wǎng)格體系和編碼體系的基礎上，利用數(shù)學和計算機科學的方法形成有關剖分編碼的代數(shù)空間，實現(xiàn)基礎算法與應用擴展[5]。

2.2 北斗網(wǎng)格碼技術特性

1) 在形式上，北斗網(wǎng)格碼能夠和現(xiàn)有測繪、氣象、海洋等圖幅及主要的規(guī)格地理產(chǎn)品銜接、兼容。

2) 在尺度上，盡可能多的選擇GeoSOT中網(wǎng)格大小不變、不出現(xiàn)三次擴展的層級，保持了網(wǎng)格的大小不變性。此外，具備多尺度特性，可滿足不同尺度的應用需求。

3) 在精度上，當編碼位數(shù)一定時，提高了北斗網(wǎng)格碼定位導航精度，易于存儲、記憶。

4) 在維度上，北斗網(wǎng)格碼基于三維空間范圍，涵蓋空、天、地、海、水下/地下等全空間，能夠在三維空間中應用。

5) 在計算性上，北斗網(wǎng)格碼便于計算機索引、計算和表達。

6) 在實用性上，北斗網(wǎng)格碼涵蓋從米級、分米級至厘米級的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)不同精度的輸出。

7) 在唯一性上，北斗網(wǎng)格碼具有地球全域空間的唯一性，無縫無疊[6]。

3 智慧水利資源數(shù)據(jù)北斗網(wǎng)格編碼

3.1 編碼方法

3.1.1編碼原則

智慧水利資源數(shù)據(jù)網(wǎng)格編碼應該遵循唯一性、規(guī)范性、簡明性、應用完備性、可實施性的原則。唯一性指每一條數(shù)據(jù)能夠賦予唯一編碼；規(guī)范性指每一條數(shù)據(jù)編碼的各編碼段均能按照既定規(guī)則獲得編碼；簡明性是指能夠用盡可能短的編碼包含盡可能多的重要信息，且各項信息清晰明確；應用完備性是指編碼包含數(shù)據(jù)的精準空間位置信息及屬性信息，可用于數(shù)據(jù)溯源和定位服務；可實施性是指編碼將多源數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S編碼，便于存儲；一經(jīng)產(chǎn)生具有唯一性、永久性和不變性，便于管理，實施起來有效可行。

廣東智慧水利建設中選取地球立體網(wǎng)格技術作為部分智慧水利資源數(shù)據(jù)網(wǎng)格編碼的基礎，分為32級立體網(wǎng)格，其中0級網(wǎng)格定義為在基于經(jīng)緯度坐標的地球立體空間中，與其原點重合的512°方格，對應區(qū)域是整個地球立體空間；1級網(wǎng)格在0級網(wǎng)格的基礎上平均分成八份，每個1級網(wǎng)格大小為256°；2級網(wǎng)格在1級網(wǎng)格的基礎上分為8份，每個2級網(wǎng)格大小為128°；除涉及到3次擴展的剖分層級以外，后續(xù)每級網(wǎng)格均嚴格依據(jù)此規(guī)律，按照八叉樹進行劃分[7]。

3.1.2編碼規(guī)則

北斗網(wǎng)格碼技術對空間和時間編碼，建立時空數(shù)據(jù)統(tǒng)一的編碼標準體系，對各類空間實體，針對其某一個時刻所在的空間位置及覆蓋范圍賦予相應的網(wǎng)格編碼(如圖3所示)，使時空數(shù)據(jù)標準化、標簽化、資產(chǎn)化，推動數(shù)據(jù)交互、共享、交易、增值[8]。

智慧水利資源數(shù)據(jù)通用網(wǎng)格標識碼基于北斗網(wǎng)格碼提出，采用二維網(wǎng)格碼+標識符+高程編碼的形式，編碼構(gòu)成如圖4所示。

該編碼總長為96 bits,其標識符是一個0～1數(shù)，當標識符為0時，高程編碼采用的是真實的高程信息；當標識符為1時，高程編碼采用的是樓層數(shù)值高；高程編碼的選擇與標識符有關，采用真實高程信息時，高程網(wǎng)格編碼從北斗網(wǎng)格碼第5層網(wǎng)格開始劃分，到第8層網(wǎng)格截止，總長為15 bits。

圖3 北斗網(wǎng)格時空編碼示意

圖4 廣東智慧水利資源數(shù)據(jù)編碼結(jié)構(gòu)說明示意

3.1.3索引數(shù)據(jù)庫生成

由于水利資源數(shù)據(jù)的應用服務與其空間區(qū)域位置之間往往存在直接關聯(lián),那么按照數(shù)據(jù)的空間位置信息數(shù)據(jù)對其生成標識并進行統(tǒng)一組織管理可以建立以空間區(qū)域位置為主導的多源數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理機制。在不改變原有數(shù)據(jù)組織框架的基礎上，只需對原有的組織框架增加一列數(shù)據(jù)標識碼，同一數(shù)據(jù)在不同空間尺度下的區(qū)位面片標識編碼是一致性遞歸的, 同一空間尺度下空間區(qū)位相鄰的數(shù)據(jù)記錄在統(tǒng)一區(qū)位關聯(lián)表中也是相鄰的。智慧水利資源數(shù)據(jù)的北斗網(wǎng)格索引碼編碼層級規(guī)定見表1。

3.1.4北斗網(wǎng)格圖生成

1) GIS數(shù)據(jù)網(wǎng)格圖生成

水利GIS中的數(shù)據(jù)指的是水利部門GIS系統(tǒng)中管理和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，大致可分為二維矢量數(shù)據(jù)、二維柵格數(shù)據(jù)和三維DEM(或模型)等3類。

表1 廣東智慧水利資源數(shù)據(jù)范圍與編碼層級對應

二維GIS數(shù)據(jù)編碼統(tǒng)一使用(C0，M，N)模型(見圖5), 以(C0，M，N)模型作為基礎，二維GIS數(shù)據(jù)編碼的統(tǒng)一架構(gòu)可以由剖分層級、地理空間信息定位面片組和結(jié)構(gòu)標識面片組3部分來構(gòu)成。剖分層級是用于標識空間信息定位面片組的剖分網(wǎng)格層級的，它直接標識了空間信息的尺度信息；定位面片組是覆蓋空間信息的最適宜尺度面片的集合，它標識了空間信息的位置和大致覆蓋范圍，也間接標識了空間信息的尺度信息；結(jié)構(gòu)標識面片組標識了空間信息較為精細的形狀和結(jié)構(gòu)。

圖5 (C0，M，N)模型示意

矢量GIS數(shù)據(jù)網(wǎng)格編碼生成規(guī)則主要有3類：點對象的剖分編碼規(guī)則、線狀對象的剖分編碼規(guī)則、面狀對象的剖分編碼規(guī)則。3種剖分編碼規(guī)則都是基于區(qū)位標識剖分編碼(C0,M,N)模型。基于該模型，對于點狀要素可以直接使用C0定位面片表示編碼來標識，這就是點對象的剖分編碼規(guī)則。對于線狀對象，可確定其最小外包矩形左下角點所在的面片為角點定位面片C0，再沿緯向方向M記錄每個涉及面片的位置(j1、j2、…、jn)，每個面片首位相連就構(gòu)成了線狀要素(如圖6所示)。而對于面狀對象，可先確定其最小外包矩形的左下角點所在的剖分面片為角點定位面片C0，再沿M緯向方向逐列記錄經(jīng)向方向每行面片的起止位置(j，k)，每行起止位置之差就是該行沿經(jīng)向方向上的面片個數(shù)N(如圖7所示)[9]。

圖6 線狀要素的編碼方法示意

圖7 不規(guī)則多邊形的編碼方法示意

2) 影像數(shù)據(jù)網(wǎng)格圖生成

對于智慧水利資源數(shù)據(jù)可以以其最小外包矩形左下角點的剖分面片為C0，在記取緯向面片數(shù)M和經(jīng)向面片數(shù)N。影像內(nèi)部數(shù)據(jù)網(wǎng)格編碼生成主要是對數(shù)據(jù)進行邏輯剖分并確定其對應的網(wǎng)格編碼，從而生成影像數(shù)據(jù)的統(tǒng)一網(wǎng)格編碼，基本原理如圖8所示。

圖8 影像內(nèi)部數(shù)據(jù)網(wǎng)格編碼生成示意

3.2 模型構(gòu)建

3.2.1編碼模型

針對多源異構(gòu)全時空智慧水利資源數(shù)據(jù)應用需求，按照“智慧水利資源數(shù)據(jù)一套網(wǎng)格統(tǒng)一管理”的數(shù)據(jù)剖分組織總體思路，本文利用上述地球剖分原理設計一個適用于多源異構(gòu)智慧水利資源數(shù)據(jù)組織的專用剖分網(wǎng)格。該網(wǎng)格可作為各類智慧水利資源數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織的索引網(wǎng)格框架、數(shù)據(jù)空間關聯(lián)網(wǎng)格框架和球面三維展示骨架。在此基礎上，結(jié)合實際應用需求，可設計形式簡潔、合理可行、適于計算機管理與應用的數(shù)據(jù)區(qū)位編碼模型，實現(xiàn)海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)一體化組織和自動關聯(lián)機制[10]。

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織和管理的關鍵是確定一套標準一致空間編碼，此空間編碼既要能單獨管理柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、導航定位數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，也要能夠把這些數(shù)據(jù)整體按照空間地理位置關聯(lián)起來統(tǒng)一管理。編碼模型針對智慧水利資源數(shù)據(jù)高效組織與應用的業(yè)務需求，生成的編碼貫穿到從數(shù)據(jù)預處理到查詢檢索、共享與交換、分發(fā)、整合等一系列智慧水利資源數(shù)據(jù)組織與應用業(yè)務流程，解決思路如圖9所示。

圖9 多源異構(gòu)智慧水利資源數(shù)據(jù)統(tǒng)一剖分編碼技術解決思路

3.2.2存儲模型

在此模型中，以面片索引碼為主鍵，建立非關系型“鍵—值”數(shù)據(jù)庫。在大表模型的稀疏矩陣中，第一維采用面片索引碼為行主鍵進行排序；第二維定義為屬性組，一個屬性組是包含多屬性列的集合一般具有類似的屬性，系統(tǒng)在存儲和訪問表時，都是以屬性組為單元組織；第三維即屬性列，理論上，一個屬性組中屬性列的個數(shù)不受限制，屬性列的命名方式通常采用“屬性組：屬性列”的方式(如圖10所示)[11]。

3.3 查詢與展示

針對智慧水利資源數(shù)據(jù)多源異構(gòu)、整合不便的業(yè)務需求，充分利用智慧水利資源數(shù)據(jù)剖分編碼模型“區(qū)位一致、編碼相同”的特點，基于編碼的查詢可以通過網(wǎng)格編碼匹配的方式快速地檢索到一定空間范圍內(nèi)所包含的所有的智慧水利資源數(shù)據(jù)。智慧水利資源數(shù)據(jù)編碼的基本原理如圖11所示，智慧水利資源數(shù)據(jù)帶有GeoSOT區(qū)位編碼邏輯索引文件，其關聯(lián)數(shù)據(jù)帶有GeoSOT區(qū)位編碼標識文件，以GeoSOT區(qū)位編碼為紐帶，將統(tǒng)一編碼下的數(shù)據(jù)以列表形式進行快速查詢，可實現(xiàn)基于編碼網(wǎng)格的數(shù)據(jù)快速檢索。

圖10 智慧水利資源數(shù)據(jù)剖分索引大表模型邏輯結(jié)構(gòu)

圖11 智慧水利資源數(shù)據(jù)地球剖分編碼原理示意

采用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)在網(wǎng)格上方逐層疊置的方法，將數(shù)據(jù)按時間或類型排序，從網(wǎng)格地平線逐層按一定高度差進行疊置，可使不同數(shù)據(jù)在網(wǎng)格上均得到展示[12]。該方法便于多源異構(gòu)智慧水利資源數(shù)據(jù)的綜合展示，當用戶對某個數(shù)據(jù)或影像感興趣時，可以將其挑選出來，或者按需改變疊置的順序或高度。

4 北斗網(wǎng)格碼在廣東智慧水利建設中的應用

北斗網(wǎng)格碼作為時空大數(shù)據(jù)的組織框架，通過如下方式將萬事萬物統(tǒng)一到一個數(shù)據(jù)模型中：

1) 一位一碼(網(wǎng)格+空間)，河湖與周邊涉水建筑進行空間精確標識，立體化管控。

2) 一物一碼(網(wǎng)格+ ID)，水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)(遙感、無人機、無人船)、河湖水面影像數(shù)據(jù)(無人機、無人船)精準映射到河湖的北斗網(wǎng)格內(nèi)，精細化管理。

3) 一事一碼(網(wǎng)格+活動)，“四亂”事件采用北斗網(wǎng)格編碼映射到對應的河湖空間網(wǎng)格內(nèi)，實現(xiàn)精準動態(tài)監(jiān)測，智能化治理。

基于“一位一碼”、“一物一碼”、“一事一碼”的北斗網(wǎng)格數(shù)據(jù)底座，可以實現(xiàn)如下功能：

4.1 北斗網(wǎng)格的數(shù)據(jù)組織管理與查詢檢索

無人機、無人船、衛(wèi)星監(jiān)測到的水質(zhì)和影像數(shù)據(jù)(物)、河湖“四亂”問題(事)經(jīng)過網(wǎng)格編碼后，統(tǒng)一歸集到河湖及周邊涉水建筑(位)網(wǎng)格的“點”上，實現(xiàn)在某一“點”上進行數(shù)據(jù)組織管理和滲透檢索查詢。

4.2 北斗網(wǎng)格遙感智能解譯與變化檢測

利用網(wǎng)格定位關聯(lián)與區(qū)域特性標識，北斗網(wǎng)格可以實現(xiàn)對空間屬性進行檢測與分析，適合海量高頻遙感數(shù)據(jù)的快速分析與智能解譯[13]。廣東“四亂”現(xiàn)象歷史變化與關聯(lián)分析已廣泛推廣應用該技術，新增“四亂”問題得到了有效遏制，執(zhí)法難度及成本極大的降低(如圖12所示)。

圖12 北斗網(wǎng)格智能解譯效果示意

4.3 北斗網(wǎng)格遙感智能分析與可視化

衛(wèi)星、無人機、無人船的影像數(shù)據(jù)利用網(wǎng)格智能解譯、定位關聯(lián)與區(qū)域特性標識，映射到網(wǎng)格內(nèi)對應的“點”，與歷史影像進行對比，實現(xiàn)“點”位的可視化和智能分析。

4.4 北斗網(wǎng)格遙感“四亂”問題跟蹤

北斗網(wǎng)格碼技術的編碼體系及唯一性特點可以建立河湖“四亂”問題唯一身份信息，實現(xiàn)“四亂”問題時空尺度的狀態(tài)跟蹤與溯源。廣東智慧水利規(guī)劃下的“廣東智慧河長”項目建立了以北斗網(wǎng)格碼技術為基礎的遙感數(shù)據(jù)底座，融合了“四亂”問題、河道劃界、岸線規(guī)劃等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，解決不同時相、不同區(qū)域的多類型數(shù)據(jù)更新和管理問題，推動“四亂”問題發(fā)現(xiàn)、溯源、跟蹤、銷號。

5 應用展望

廣東智慧水利通過衛(wèi)星監(jiān)測、無人機巡拍、地面站監(jiān)測、人員核查等方式已經(jīng)初步形成了“空天地”一體化感知監(jiān)測技術。通過水利數(shù)據(jù)中心的建設，廣東省在涉水數(shù)據(jù)資源整合、數(shù)據(jù)資源目錄體系建設、數(shù)據(jù)交換與共享等方面積累了較為豐富的經(jīng)驗，為全國河湖數(shù)據(jù)庫建設提供了堅實的基礎。北斗網(wǎng)格編碼技術可以為廣東智慧水利應用系統(tǒng)與數(shù)據(jù)資源的建設繼續(xù)添磚加瓦，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

5.1 基于北斗空間網(wǎng)格技術，可以形成廣東智慧水利數(shù)字孿生底座

北斗網(wǎng)格的“一位一碼、一物一碼、一事一碼”編碼規(guī)則可以標識地理空間、水文水資源、水工程、監(jiān)測站點等數(shù)據(jù)，形成“水利數(shù)據(jù)一本賬”，助力水利工程智慧化建設和改造升級。

5.2 基于北斗空間網(wǎng)格的標準化長時序監(jiān)測管理

北斗網(wǎng)格的時間、空間的編碼體系與離散關系可以在河道采砂管理、防汛抗旱管理、水庫動態(tài)監(jiān)管、工情采集方面實現(xiàn)長時序監(jiān)測，進而推進依法治水管水工作和規(guī)范水利工程建設運營，提升水利行業(yè)監(jiān)管能力。

5.3 基于北斗空間網(wǎng)格的時空統(tǒng)計分析

北斗網(wǎng)格的數(shù)據(jù)底座與長時序監(jiān)測管理可以形成數(shù)據(jù)計算的“大腦”，實現(xiàn)水利數(shù)據(jù)的超級運行計算和處理能力，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術，分析事件發(fā)生規(guī)律，起到提前預警和防范災害作用；同時，在汛情發(fā)布、山洪災害視頻指揮等方面形成服務統(tǒng)一入口，提升水利行業(yè)公共服務能力。

5.4 基于北斗空間網(wǎng)格的人工智能預測

廣東智慧水利運用衛(wèi)星、無人機、水文觀測站等已經(jīng)初步獲取了各類數(shù)據(jù)。這些監(jiān)測數(shù)據(jù)、基礎數(shù)據(jù)、業(yè)務管理數(shù)據(jù)經(jīng)過北斗網(wǎng)格編碼，形成數(shù)據(jù)中臺。結(jié)合基于網(wǎng)格的人工智能技術，對數(shù)據(jù)中臺中的各類數(shù)據(jù)進行樣本采集、深度學習，建立智能解譯模型；在模型評價合格后，可用于自動提取網(wǎng)格專題信息，建立網(wǎng)格信息標簽，并基于網(wǎng)格信息標簽進行目標檢測、變化檢測與分布統(tǒng)計。

6 結(jié)語

目前，在標準體系方面北斗網(wǎng)格編碼技術已發(fā)展出了國軍標《地球表面空間網(wǎng)格與編碼》(GJB 8896—2017)、北斗標準《北斗網(wǎng)格位置碼》(GB/T 39409—2020)等標準成果，并在消防、電力、燃氣等多種行業(yè)和智慧城市建設領域開展若干應用。廣東智慧水利先行項目“廣東智慧河長”中也利用了北斗網(wǎng)格技術來制作數(shù)據(jù)底座，有效地遏制了新增“四亂”問題。根據(jù)《廣東省水利發(fā)展“十四五”規(guī)劃》的要求及廣東特有的河湖水域特征，北斗網(wǎng)格技術將在廣東智慧水利建設中發(fā)揮重要的作用。