一种基于剖分格网的新型导航定位服务方法

杨宇博，王 晶，程承旗，陆 楠，李 滨，5，董 芳

(1.解放军95899部队，北京100085;2.北京大学遥感与地理信息系统研究所，北京100871;3.国家计算机网络应急技术处理协调中心，北京100029;4.北京大学工学院，北京100871;5.天宝寰宇电子产品(上海)有限公司北京分公司，北京100020)

一、引 言

随着GPS及相关技术的不断发展，GPS的精度与可靠性越来越高，已广泛应用于社会各个领域。现阶段人们已不再满足于仅仅知道“我在哪”，而更加注重于获取用户所在位置周边的各种地理空间信息，在获取位置信息的基础上获得进一步的空间信息服务。越来越多基于位置的服务开始涌现出来［1］，其中一个核心问题就是如何快速地从海量、多源空间信息中进行位置相关信息的关联检索与服务［2］。

同时，随着信息技术的快速发展，空间信息的组织方法也在不断升级［3］，全球剖分格网为空间信息关联检索提供了一个新的途径，且基于格网的定位方法也更加符合人类的认知观念。因此，将导航定位方法与剖分格网相结合，研究基于全球剖分格网的导航定位理论与应用服务方法具有很高的理论价值与现实意义。

二、USNG格网导航应用

目前，卫星导航定位系统主要有 GPS、Galileo、GLONASS及我国自主研发的北斗导航定位系统(BDS)，其定位信息一般是以将用户所在位置抽象为一个质点的形式给出，可以称为基于点位置的导航服务模式。此模式具有定位精确、简单直接等优点，但在实际应用中也有其局限性:第一，导航定位是有精度范围的，但抽象的质点坐标输出只能表示一个点位置，现有经纬度模式输出的定位信息无法表达导航定位的误差椭圆(空间区域范围);第二，若按经纬度模式输出定位信息，在查找某地区相关空间服务信息时，区域范围空间分析和查询检索计算量较大，尤其在手持终端设备上进行大数据量关联检索时耗时较长。

针对上述问题，能否使用更加符合人类认知的区域与位置信息结合作为导航定位信息，是一个比较新颖的研究与应用方向。在这方面，美国已经开展了一系列研究工作，其中具有代表性的是基于美国国家格网(United States National Grid，USNG)［4］的导航定位服务，已经应用于实际导航定位过程中［5］。

美国联邦地理数据委员会(FGDC)于2001年发布了《美国国家格网》标准，该标准以美国军方格网参考系统(MGRS)为基础建立，在北美范围内二者等同［6］。USNG的划分方案如图1所示，具体为:首先基于UTM投影划分方法，按经差6°和纬差8°对地球进行一次划分，格网划分结果在经度方向用数字、纬度方向用字母表示;在此基础上以格网中央经线为中心、100 km为间距向两边划分方形格网，除投影带边缘外，其他格网均为100 km的方格，并用两个字母组合表示;在100 km格网基础上，可以继续划分10 km格网，并用0～9按先南北、后东西的顺序给出10 km格网号;依此类推，基于该原则可以进一步划分出1 km、100 m、10 m、1 m等不同级别格网，并给出格网编码。

图1 USNG格网导航定位及编码示意图

利用USNG格网，可以有效解决GPS定位、导航服务、国家格网地图索引及街道地址索引等一系列应用问题，且经纬网更简便、直观、快捷［7］。总体来说，格网编码方法具有多级划分、定位准确、面向大众等优点，在基于格网的位置服务和地理信息共享方面意义重大，使人们可以方便地交换地理位置信息，使用地理信息数据，并获取基于位置的地理信息服务。

虽然USNG已经应用于实践中，但却基本停留在导航定位标识阶段，如何根据导航格网进行海量多源空间数据的管理与检索，还需进一步研究［8］。同时，USNG的投影方法与我国数据投影管理体系不一致，无法直接移植到国内应用中。因此，借鉴USNG的思路和原理，发展适合我国应用需求、兼顾导航定位位置表达与空间数据组织的剖分网格体系具有重要的理论意义和应用价值。

三、GeoSOT格网在导航定位服务中的应用方法

本文提出了一种基于剖分格网的导航定位服务方法，利用网格编码表达导航定位数据，同时将后台导航服务空间信息进行格网化处理，并赋予剖分面片编码，实现接收机输出定位编码与后台服务信息组织编码的一致，从而利用统一的导航编码在服务数据库中检索与之相关联的空间信息，实现基于剖分格网的空间信息导航定位服务新模式，其具有后台网格一致、自动空间关联、查询检索高效等特点。

1.GeoSOT格网及其编码方案

本文采用的GeoSOT剖分格网［9］属于等经纬度的四叉树剖分格网体系(如图2所示)，其核心思想是将度、分、秒3级格网进行逻辑上的外延，使格网编码具有整数特征，易于计算与储存。0级格网定义为以赤道与本初子午线交点为中心点的512°×512°方格，依次向下四分至9级格网，大小为1°×1°(其中部分格网没有地理含义，不再向下划分，下同)，10级格网将起始数值空间大小由60'(即1°)外延到64'后，继续向下四分至15级格网大小为1'×1'，“秒”级格网剖分方式参照分级格网，秒以下22～32级格网严格按照四分方法划分和编码。由此形成完整的32层GeoSOT剖分格网，其二进制一维编码如图3所示。

图2 GeoSOT剖分格网分层示例

图3 GeoSOT剖分格网32层二进制编码

基于GeoSOT剖分格网组织全球多源空间信息，根据空间信息所表示的地理范围赋予剖分编码标识，使得各类信息具有了统一的组织基准;并且因为GeoSOT剖分格网所具有的多尺度层次特性，有利于多源空间信息的关联检索，特别是在针对不同尺度间多源信息的关联操作方面，其相比于传统方法具有较大优势。

2.GeoSOT剖分格网在导航定位中应用的基本原则

GeoSOT的多层格网结构可以表示不同层次的区位信息，其每一个特定剖分面片都包含双重信息:面片所在的准确位置信息和面片覆盖的区域信息，即面片具有点—面二相性。根据剖分格网的这一特性，可以将基于点的经纬度定位信息转换为剖分面片编码，基于该编码可以进一步向用户提供基于剖分格网的导航信息服务。导航定位服务中剖分格网的应用应遵循以下3个基本原则:

1)定位面片原则。以特定单一剖分面片作为定位的基本单元，称该面片为定位面片，如图4(a)所示，其通过将经纬度定位信息进行转换得到。剖分面片层级的选择由定位精度决定，即选择高于且最接近定位精度的面片作为定位面片，同时可以使用面片的中心点位置来表示更精确的位置信息。

2)相邻面片原则。为将空间信息的检索范围进行横向扩展，以定位面片为基础，定义其相邻面片，面片间的相邻关系分为边相邻、角相邻、相隔和相离4种，如图4(b)所示，从左至右相邻度依次降低。面片间的相邻度越高，表明两个面片间的空间关系越密切，面片内的空间信息对用户的重要性也就越高。

3)多级面片相关原则。为将空间信息的检索范围进行纵向扩展，以定位面片为基础，通过面片上溯机制不断迭代计算更高级别面片，定义产生的多级面片具有相关性，如图4(c)中的深色面片，上溯的层数依据用户的需求而定。将本原则与相邻面片原则结合，可以不断扩大用户在空间维和尺度维的信息检索范围。

图4 格网导航定位应用基本原则示意图

3.格网定位服务中空间信息关联检索实现方法

导航定位信息与空间信息关联检索实现方法的核心思想是将具有多级特征的GeoSOT剖分格网作为空间信息组织框架，将导航定位数据与影像、矢量、DEM、音频文件、视频文件、属性文件等各类型空间信息纳入到该框架当中并赋予统一的剖分标识编码，即以GeoSOT剖分格网为载体实现空间信息的格网化组织与表达，通过将剖分面片作为导航定位数据与空间信息的中间层，使各类空间信息经过剖分预处理后以剖分面片作为其存储与管理的基本单元，进而可以依据相应的剖分面片编码检索相关联的空间信息，如图5所示。

图5 空间信息关联检索原理图

具体来说，该方法分为两个方面(如图6所示):①通过将剖分化表示的空间信息与剖分面片建立映射关系，使特定的空间信息被赋予剖分编码［10-11］;②每隔一定的时间，依据定位面片原则使用用户当前所在位置信息确定定位面片，获取该定位面片的剖分编码，依据编码进行检索。需要指出的是，依据多级面片相关原则，可以通过多次迭代检索不同尺度空间信息。

图6 空间信息关联检索流程图

基于上述方法，本文对基于GeoSOT剖分格网的导航定位服务及其在空间信息关联检索中的应用模式与系统架构进行了初步设计(如图7所示)，并针对现有导航定位系统提出了可行的改造与接入方案，该方法可作为现有检索方法的替代或补充。

剖分导航定位服务平台系统由空间数据服务器、多媒体数据服务器、GPS应用程序管理服务器、区位标识服务器和数据检索服务器5部分组成，具体为:①空间数据服务器为用户提供经过剖分预处理的结构化多源影像、DEM数据等;②多媒体数据服务器为用户提供经过剖分标识的视频、图片、文字等其他类型数据;③GPS应用程序管理服务器提供平台系统的应用程序统一管理服务，支持动态装载系统需要的组件;④区位标识服务器根据数据的区域范围对各类型数据添加剖分区位标识，并生成影像数据对应的剖分索引文件;⑤数据检索服务器支持用户根据剖分编码检索相关联的空间数据。

图7 剖分导航定位服务平台系统架构图

在应用端将GeoSOT区位标识组件嵌入用户GPS接收终端，用户在获取GPS导航信息的同时，也可以使用经纬度转换得到定位面片剖分编码，并通过互联网接入剖分导航定位服务平台系统，依据剖分编码进行相关空间信息的检索，并将检索得到的相关空间信息按需分发至用户终端。

四、结束语

本文将GeoSOT全球剖分格网理论应用于导航定位领域，使用剖分面片进行导航定位数据空间表达，同时将导航服务信息进行格网化处理，保证了二者空间基准的一致性，由此构建起全球统一的剖分格网定位框架，可以实现基于格网导航定位服务的空间信息关联检索方法，并给出了剖分导航定位服务平台的系统架构设计。

与传统方法比较，基于剖分格网的新型导航定位服务方法具有多级定位、点—面二相性、计算高效等优良特性，有利于解决现有导航定位服务中空间信息共享与利用困难的问题，可作现有空间信息导航服务方法的替代或补充。进一步的研究工作包括优化对于空间信息的编码方案，以使得对其的管理与检索更加便捷。

［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，谢智颖，等.论空间信息与移动通信的集成应用［J］.武汉大学学报:信息科学版，2002，27(1):1-7.

［3］刘卫东，甄峰.信息化对社会经济空间组织的影响研究［J］.地理学报，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］兀伟，段怡红.美国国家格网的现状与应用［J］.测绘标准化，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，濮国梁，等.空间信息剖分组织导论［M］.北京:科学出版社，2012.

［10］杨宇博，程承旗，宋树华.面向地理对象多尺度表达的剖分编码方法研究［J］.地理与地理信息科学，2010，26(5):33-36.

［11］程承旗，郭辉.基于剖分数据模型的影像信息表达研究［J］.测绘通报，2009(10):12-14.