基于地理格网的空间数据转换与应用

兀 伟，李朋德，董旭明，张 坤，肖学年

（1.国家测绘地理信息局测绘标准化研究所，陕西西安710054;2.国家测绘地理信息局，北京100830;3.西安地图出版社，陕西西安710054;4.国家测绘地理信息局第一大地测量队，陕西西安710054）

一、引 言

近年来，我国地理信息产业高速发展，尤其是车载导航和数字城市地理信息公共平台的推广应用，使信息时代各类信息定位基础的空间数据得到了广泛使用，服务领域迅速扩大，并从国民经济建设各专业部门走向社会化领域。以卫星导航定位、摄影测量与遥感为代表的对地观测技术，则为实时、快速和全天候获取空间信息提供了有力支撑。数字测绘时代的影像处理、数据采集和信息提取技术，为获取丰富的地理信息数据成果提供了保障。此外，我国在国家、省级基础地理信息数据库和数字城市建设中积累了多源、多类型、多比例尺和多时相的地理信息数据。这些数据基于不同坐标系和空间定位基础，虽然国家标准规定其他坐标系应与国家坐标系建立关联，但是普通用户无法获取转换参数、算法或换算表以完成数据在不同系统之间的转换，给地理信息数据社会化应用和服务带来了困难。

因此，需要基于通用性搭建全国统一的地理格网坐标与编码系统，用于空间定位和位置服务，以解决多源空间数据坐标系和空间定位基础不一致对社会化应用的约束。地理格网编码系统设计完成后，需要进一步研究空间数据集格网转换和要素格网表示，推动数据向地理格网这一简单、便捷、通用空间定位系统转换，实现数据基于地理格网的集成与整合，从而无障碍地用于服务领域，以推动其社会化应用。

二、地理格网编码系统

该地理格网以我国基本比例尺地图1∶1 000 000地形图分幅的划分为基础，以边长100 km的正方形格网为基本单元，按相同地面距离划分，尽量形成大小统一、形状规则的格网。为准确描述和表示不同大小要素地面位置范围与位置点，满足定位、位置服务和空间分析等社会化应用需要，地理格网按固定规则划分为不同等级大小，形成系列分级的格网单元。地理格网划分方案将我国领土范围划分为100 km、50 km、10 km、5 km、1 km、500 m、100 m、50 m、10 m、5 m、1 m、0.5 m 和 0.1 m 等不同等级大小的正方形格网单元，下级格网在上级格网内划分，各级格网之间为包含关系。

地理格网编码是为了满足查询和检索要求而为格网建立的统一、规范的标识系统。为便于使用，编码设计充分考虑规律性、简单易读性和实用性原则。基于以上原则，编码实现格网代码唯一，使所划分格网与代码成一一对应关系。其次，编码按固定规则进行，编码方法与地理格网划分体系对应，相应划分对应相应编码规则，并可通过代码反映格网的大小与位置、格网之间的距离和拓扑关系，实现编码体系的系统性。此外，编码设计尽量使代码的码位长度更短、更简化，以保证编码的简单、易读性。

地理格网编码体系的上述特征有利于空间数据的格网化转换、要素格网表示，实现数据集成与整合，保证其在社会化应用领域中的推广。

三、空间数据格网转换

我国地形图、地理信息数据一般采用经纬度和公里网坐标表示地面位置，数据格网转换就是将经纬度或公里网坐标转换为地理格网坐标。而地理格网是基于经纬度和地面距离划分的，与基本比例尺地图分幅关联，地理格网坐标与经纬度或公里网坐标之间存在一定数学换算关系，因此，可按此关系将数据由经纬度或公里网坐标转换成地理格网坐标。

数据格网坐标转换前需要根据数据比例尺和采集方法确定其平面位置精度，并根据精度确定转换时使用的格网大小。地理信息数据分为栅格和矢量两类。栅格数据转换时保持其数学基础和要素拓扑关系不变，将4个图廓点经纬度坐标或公里网坐标转换成相应地理格网坐标，使数据整体转换到地理格网下;矢量数据是由字符串描述的经纬度或公里网坐标表示地面位置，转换时需要将数据经纬度或公里网坐标转换成地理格网坐标，转换精度可根据数据定位精度要求的不同选用5 m、1 m、0.5 m、0.1 m等不同级格网。

为便于在数据中反映地物要素的位置，图上一般绘有经纬网、公里网或用于局部区域的地理格网。当数据转换到地理格网坐标后，也需要绘出相应的地理格网线，所绘格网线大小要综合考虑数据范围、比例尺、图面负载量、所描述要素内容及空间定位要求等。通过对1∶1 000 000、1∶250 000、1∶50 000、1∶10 000 这4种常用比例尺数据分幅、范围和要素内容分析，相应图上适宜绘出的格网线见表1。

表1 不同比例尺数据上的地理格网

为更好地反映地形图的概略位置，可在图廓整饰部分绘出该幅图所在的地理格网缩略图，以描述该幅地形图的宏观地理位置。地理格网位置缩略图示例如图1所示。

图1 地理格网位置缩略图

四、要素格网表示

1.目的和方法

基于位置服务的地理格网不仅实现了我国范围内统一、规则的格网划分，还为格网制定了规范的编码体系。因此，地理格网不仅可通过数据格网转换集成与融合空间数据，还可用格网编码表示各类要素位置信息，进而实现要素的空间查询、检索与分析。为达到以上目的，需要研究各类要素地面位置的地理格网表示，使其规范统一。由于不同类及不同形状要素二维空间位置表示方法与要求不同，因此需要分类研究要素的地理格网表示，这也是地理格网用于定位与位置服务的前提和基础。同时，地理格网可确定要素所在地面位置点和位置范围。因此，要素地理格网表示有两种方案:一种是用要素内特定位置点地理格网表示要素地面位置;另一种是用地理格网表示要素所在地面位置范围。而后者不仅可以描述要素的位置，还反映了要素的大小。

2.格网表示探讨

地理信息要素内容虽然多种多样，其面积、形状和大小也各不相同，但是在地图和地理信息数据中均是用点、线和面3种几何类型表示的，不同几何类型要素的地面位置表示方法一般是不同的。同时，人们对地名地址要素位置表示有特殊要求，这与普通要素有一定区别，需要根据其特点和要求确定表示方法。因此，空间要素地面位置地理格网表示分为点状、线状、面状和地名地址。

（1）点状要素

不依比例尺表示的点状要素的地面位置范围无法确定。因此，点状要素只需表示位置点，即首先确定要素标注点或定位点位置，并用适当地理格网编码表示。格网大小和精度由应用和服务要求决定，一般可用100 m、50 m、10 m、5 m和1 m 5种等级格网表示。

（2）线状要素

线状要素根据需要可表示其位置范围和位置点。线状要素地面位置范围表示时首先需要确定其所在格网，然后用包含其位置范围的地理格网编码表示，所用格网等级由要素大小决定。对于要素在格网交界处的特殊情况，若在某一上级格网内，则用上级格网编码表示;否则，用所在相邻格网编码表示。线状要素位置点可采用“一点法”和“二点法”两种方法表示。“一点法”是确定线状要素中点位置，并用该点地理格网编码表示其地面位置，该方法比较适用于长度较短、形状规则的要素，如水库坝;“二点法”需要确定线状要素起止点位置，并用其起止点格网编码表示地面位置，该方法适用于一般线状要素。线状要素位置点表示所用格网大小、精度等与点状要素相同。

（3）面状要素

依比例尺表示的面状要素也可表示地面位置范围和位置点。其中，地面位置范围表示与线状要素相同，即首先确定要素所在地理格网，然后用包含该要素地面位置范围的地理格网编码表示。面状要素位置点表示时为保证描述的规范统一，应首先规定表示要素位置的定位点。一般来说，地物要素定位点的最佳位置是其质心位置，但是在实际应用中质心位置很难确定。因此，面状要素选用图形的几何中心点作为地面定位点，用其几何中心点的地理格网编码表示其地面位置点。面状要素位置点表示所用格网大小、精度等与点状要素相同。

（4）地名地址要素

地名地址是社会化应用中地面定位和基于位置服务的基础，对其进行地理格网编码表示是推进地理格网应用的保障。用地理格网编码表示地名地址位置范围的方法与一般地物要素相同。地名地址的位置点表示一般也首选几何中心点，用几何中心点的地理格网编码表示其位置。但是，地名地址有其特殊性，人们在位置服务中常常不需要关注地名地址所辖地面范围的几何中心点，同时某些地名地址也不好确定其几何中心点。相反，人们会关注一些特殊点位置，这些点常被称为“兴趣点”。如一家单位，人们一般不关注其几何中心点位置，而常常需要确定大门、停车场、办公大楼等位置。因此，地名地址位置点的地理格网编码表示可以是其定位点(几何中心点)，也可以是兴趣点。地名地址位置点表示所用格网大小、精度等也与点状要素相同。

五、地理格网作用展望

地理格网构建了我国范围内统一的空间参考，有利于实现地理信息整合。首先，地理格网使不同来源、比例尺和数学基础的空间数据通过格网化转换进行集成与融合，实现非同源空间数据的共享与互操作;其次，地理格网可跨越自然地理和我国行政区界线，描述与地理空间分布相关的地表覆盖、资源环境信息，实现信息存储、统计、分析与交换的一致性，克服了自然和人为界线不规则所带来的不便，给有效进行跨行政区域界线的比较与分析带来了便利;最后，地理格网使空间数据表达从传统的基于地物要素描述的矢量形式转向基于空间单元表达的栅格形式，更易于被人们接受与使用。因此，地理格网可推进地理信息共享、应用与服务，扩大地理信息产业。

地理格网可搭建一个面向社会各领域、为公众提供服务的平台。地理信息和社会专题信息分别依附于自然和社会所划分的单元。地理格网这一公共地理空间单元可成为自然与社会经济信息的公共载体，使各类信息归划到统一地理格网中，达到以格网为基底平台的信息整合，实现信息空间化，更好地反映信息空间分布;并建立不同类型信息的空间联系，用于信息管理、空间分析与决策，有效应用这些信息，能全面准确地认知我们所关心的社会和地理环境，为科学合理的决策奠定基础。如将城市划分为适当地理格网单元，将城市基础设施确定为格网化部件，使城市建设管理中的事情空间化为格网事件，可为社会提供及时有效的服务。另外，信息格网化将会为电子商务、电子政务及科学决策提供丰富、全面、可靠的综合数据信息和高效的信息服务。因此，地理格网既是统一的空间参考，也是各种自然、人文信息的公共载体。

地理格网编码体系既使地理信息数据有了规范、统一的空间参考，亦为空间定位和基于位置服务提供了公共基底。首先，多源、多类型空间数据的格网化转换和各类地理信息要素地面位置的格网表示，实现了要素二维空间定位;其次，地理格网编码不仅可以反映地物要素的大小、地面位置与范围，还可反映不同坐标系、不同比例尺及不同图幅中地物要素之间的距离与位置关系;最后，按固定规则对地名地址进行地理格网编码，建立地址信息的地理索引(即基于格网的地理编码)，实现地理格网编码与地址信息结合，使地址信息有了统一的二维空间位置表示，并在位置服务中共享这些索引信息，有利于人们日常生活中的空间定位与寻址，以及确定和描述不同地址之间的距离和位置关系。如以地理格网编码形式存储的街道地址用于网上智能服务系统，可用于地址的公共查询与访问;在野外旅游探险中出现迷路、伤病等需要救援时，如果能提供相关区域的地理格网位置，就可在搜救活动中迅速确定搜救范围、路线等，便于救援人员抵达，提高搜救效率。

六、结束语

当前，我国卫星导航定位得到了广泛应用，各地数字城市建设迅猛发展，人们对于以空间定位与位置服务为基础的空间数据服务有巨大需求，迫切需要基于社会化服务的地理格网能够尽快推广使用。空间数据格网转换分析和基于格网的要素与地名地址二维空间位置表示研究，对验证地理格网编码体系的正确性、合理性与实用性有重要作用，并可推进地理格网的推广应用。随着信息时代的来临，以快递为支撑的电子商务迅速发展，满足位置服务要求的地理格网社会化应用将会越来越广泛。

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