兀 偉，李朋德，張 坤，肖學(xué)年，鄧國(guó)慶

(1.國(guó)家測(cè)繪地理信息局測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化研究所，陜西西安710054;2.國(guó)家測(cè)繪地理信息局，北京100830;3.國(guó)家測(cè)繪地理信息局第一大地測(cè)量隊(duì)，陜西西安710054)

一、引 言

隨著地理信息公共平臺(tái)、GPS導(dǎo)航定位服務(wù)的廣泛應(yīng)用，空間數(shù)據(jù)社會(huì)化應(yīng)用不斷推廣普及，公眾開始熟悉和使用地理信息，對(duì)空間數(shù)據(jù)越來越關(guān)注，對(duì)服務(wù)質(zhì)量要求也越來越高。同時(shí)，社會(huì)化服務(wù)是我國(guó)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(guó)家和省級(jí)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)和更新，我國(guó)積累了豐富的數(shù)據(jù)成果，但在成果社會(huì)化應(yīng)用方面與世界先進(jìn)水平相比還有很大差距。此外，盡管我國(guó)傳統(tǒng)郵政和街道地址可用于日?；顒?dòng)中的尋址，但該系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一空間定位基礎(chǔ)，無法提供我國(guó)范圍內(nèi)任何點(diǎn)的空間位置。因此，為推進(jìn)空間數(shù)據(jù)服務(wù)，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(gè)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(guó)外為解決空間定位和位置服務(wù)需要，采用格網(wǎng)對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和應(yīng)用。如美國(guó)聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會(huì)2001年發(fā)布了《美國(guó)國(guó)家格網(wǎng)》標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)現(xiàn)了地理信息數(shù)據(jù)的共享［1］。英國(guó)陸軍測(cè)量局也建立了國(guó)家格網(wǎng)系統(tǒng)，并將其用于停車、野外探險(xiǎn)和室外休閑，同時(shí)還基于國(guó)家格網(wǎng)編制了郵政地址，用于郵政服務(wù)。國(guó)內(nèi)對(duì)地理格網(wǎng)的研究和應(yīng)用實(shí)踐也很多。李德仁提出將地理空間劃分成不同粗細(xì)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(xiàng)，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(guó)局部地理格網(wǎng)在城市中也有很多應(yīng)用，如北京東城區(qū)在城市管理中運(yùn)用格網(wǎng)思想，將轄區(qū)分成若干個(gè)格網(wǎng)單元，并對(duì)各單元實(shí)施監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管理空間的分層、分級(jí)管理。目前，許多城市也開始實(shí)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(guó)家地理格網(wǎng)編碼既是適應(yīng)技術(shù)發(fā)展、支持?jǐn)?shù)據(jù)共享、滿足應(yīng)用的需求，又是空間信息整合與應(yīng)用的基礎(chǔ)，在我國(guó)有廣泛的應(yīng)用前景。

本文分析基于位置服務(wù)、尋址及空間定位對(duì)地理格網(wǎng)的要求，同時(shí)參考國(guó)外相關(guān)成果，設(shè)計(jì)符合我國(guó)特點(diǎn)的地理格網(wǎng)編碼體系，并支持?jǐn)?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(jì)基本原理與方法

地理格網(wǎng)編碼體系是按一定數(shù)學(xué)規(guī)則對(duì)地球表面進(jìn)行科學(xué)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(guó)家地理格網(wǎng)將我國(guó)領(lǐng)土范圍按一定地面距離劃分為不同層次和等級(jí)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(biāo)識(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用代碼描述格網(wǎng)的空間位置、等級(jí)和包含關(guān)系。地理格網(wǎng)是一種科學(xué)、統(tǒng)一、簡(jiǎn)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(jìn)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(wù)的環(huán)境，推進(jìn)地理信息共享、服務(wù)和廣泛應(yīng)用。為確保國(guó)家地理格網(wǎng)編碼體系的科學(xué)性和實(shí)用性，其設(shè)計(jì)應(yīng)按照以下方法和原則進(jìn)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(guó)范圍應(yīng)用，并形成公用空間參考系統(tǒng)和統(tǒng)一空間定位，以實(shí)現(xiàn)我國(guó)范圍內(nèi)任何地點(diǎn)空間位置的統(tǒng)一表示。因此，設(shè)計(jì)需面向全國(guó)，建立統(tǒng)一的格網(wǎng)體系。

2.簡(jiǎn)潔規(guī)則的地理格網(wǎng)與編碼

國(guó)家地理格網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循規(guī)則化、簡(jiǎn)單化原則，基于一定數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，按固定規(guī)格劃分。方案應(yīng)簡(jiǎn)單、實(shí)用，并建立統(tǒng)一、規(guī)則的格網(wǎng)體系，且確保編碼設(shè)計(jì)的代碼簡(jiǎn)單、易讀。

3.層次合理的格網(wǎng)分級(jí)

地物對(duì)象需要在不同空間或尺度上描述和表達(dá)其詳細(xì)程度，所建立的格網(wǎng)體系應(yīng)分層次，以便通過不同等級(jí)格網(wǎng)來粗略或詳細(xì)描述要素對(duì)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(wù)和二維空間地址建立，格網(wǎng)與代碼應(yīng)是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，代碼要反映格網(wǎng)的等級(jí)、大小和位置關(guān)系。因此，地理格網(wǎng)編碼應(yīng)在規(guī)范化原則下制訂統(tǒng)一編碼規(guī)則。

5.實(shí)用的格網(wǎng)編碼體系

我國(guó)現(xiàn)有基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)基于傳統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)，新國(guó)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(jì)要與現(xiàn)行坐標(biāo)系關(guān)聯(lián)，以便于轉(zhuǎn)換。

三、地理格網(wǎng)編碼體系設(shè)計(jì)

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

1.一級(jí)格網(wǎng)劃分與編碼

一級(jí)格網(wǎng)描述大致地理位置，格網(wǎng)劃分與我國(guó)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(jí)格網(wǎng)。一級(jí)格網(wǎng)編碼與相應(yīng)國(guó)家基本比例尺地形圖編號(hào)統(tǒng)一，其代碼與百萬地圖圖號(hào)一致。

2.二級(jí)格網(wǎng)劃分與編碼

二級(jí)格網(wǎng)劃分主要在一級(jí)格網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行。由于我國(guó)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(jí)格網(wǎng)以6°投影帶為基本單元進(jìn)行。由于我國(guó)領(lǐng)土位于東經(jīng)72°～138°、北緯0°～54°之間，因此我國(guó)地理格網(wǎng)以赤道和東經(jīng)72°經(jīng)線的交點(diǎn)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(zhǎng)度100 km依次向兩側(cè)劃分;南北方向則以赤道為起點(diǎn)，向北按相同地面長(zhǎng)度依次劃分，形成二級(jí)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(zhǎng)為100 km的正方形，最大限度實(shí)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(gè)一級(jí)格網(wǎng)交界處的二級(jí)格網(wǎng)會(huì)落在兩個(gè)相鄰一級(jí)格網(wǎng)內(nèi)。

二級(jí)格網(wǎng)代碼用兩個(gè)字母組合表示。編碼從起點(diǎn)開始，按26個(gè)英文字母順序從南向北、從西向東進(jìn)行編碼，到第27個(gè)百公里格網(wǎng)時(shí)再?gòu)腁開始按順序編。這樣任何一個(gè)二級(jí)格網(wǎng)就由所在一級(jí)格網(wǎng)代碼與表示二級(jí)格網(wǎng)的字母碼組成。特殊情況下，當(dāng)二級(jí)格網(wǎng)處于一級(jí)格網(wǎng)交界處時(shí)，由于位于同一6°投影帶內(nèi)，其一級(jí)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(gè)。因此，其代碼由處于相對(duì)低緯度帶的一級(jí)格網(wǎng)代碼，以及處于相對(duì)高緯度帶的一級(jí)格網(wǎng)字母碼和二級(jí)格網(wǎng)代碼組成。

3.三級(jí)以下格網(wǎng)劃分與編碼

三級(jí)格網(wǎng)在二級(jí)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(duì)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(zhǎng)度依次劃分。四級(jí)及以下各級(jí)格網(wǎng)的劃分規(guī)則與三級(jí)格網(wǎng)劃分完全一致，即在上級(jí)格網(wǎng)內(nèi)，按地面長(zhǎng)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(jí)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(shí)際需要，劃分到0.01 m即可。因此，格網(wǎng)的分級(jí)到9級(jí)。

三級(jí)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(gè)數(shù)字表示。這樣左下第一個(gè)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(gè)格網(wǎng)的代碼就是99。四級(jí)及以下各級(jí)格網(wǎng)編碼規(guī)則與三級(jí)格網(wǎng)完全一致，其劃分和編碼示例如圖1所示。

圖1 三級(jí)及以下格網(wǎng)劃分與編碼示例

4.補(bǔ)充格網(wǎng)劃分與編碼

在本格網(wǎng)體系下，二級(jí)格網(wǎng)以下相鄰兩級(jí)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(duì)象位置確定，有時(shí)無法滿足使用要求。為彌補(bǔ)這一不足，需要增加補(bǔ)充格網(wǎng)。補(bǔ)充格網(wǎng)在二級(jí)及以下各級(jí)格網(wǎng)上進(jìn)行，對(duì)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(bǔ)充格網(wǎng);對(duì)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(jí)格網(wǎng)理論邊長(zhǎng)1/2時(shí)不再分，大于1/2時(shí)，起始位置與普通格網(wǎng)劃分起始位置相同，并按該級(jí)格網(wǎng)理論邊長(zhǎng)的1/2進(jìn)行劃分。

補(bǔ)充格網(wǎng)采用方位代碼進(jìn)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(duì)于位于投影帶邊沿的格網(wǎng)，如果東西方向小于理論邊長(zhǎng)1/2，南北方向大于理論邊長(zhǎng)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(jí)格網(wǎng)代碼;第2部分表示所在的二級(jí)格網(wǎng)代碼;第3部分為用數(shù)字表示的三級(jí)及以下各級(jí)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(bǔ)充代碼，則第4部分是表示方位的補(bǔ)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(wù)解決示例

地理格網(wǎng)可應(yīng)用于地理尋址、導(dǎo)航等空間定位和基于位置服務(wù)。以下示例說明地理格網(wǎng)編碼體系的應(yīng)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(jí)格網(wǎng)內(nèi)。圖中繪出了1 km的格網(wǎng)線，并標(biāo)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(jí)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(yīng)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(guó)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(yīng)用將地理格網(wǎng)推廣到社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)空間化，并以空間為背景進(jìn)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(tái)。

2.城市格網(wǎng)管理

數(shù)字城市中引入國(guó)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(shí)現(xiàn)了對(duì)信息的查詢和檢索，是時(shí)空坐標(biāo)系的一種新表示方法，可形成一個(gè)面向公眾的平臺(tái)，為公眾提供高質(zhì)量的服務(wù)。

3.地址服務(wù)

將地名地址分級(jí)，并基于國(guó)家地理格網(wǎng)編碼體系進(jìn)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(shí)現(xiàn)地理格網(wǎng)與地名地址的結(jié)合，更好地服務(wù)于民眾。

4.救災(zāi)、急救活動(dòng)

在災(zāi)區(qū)相關(guān)標(biāo)識(shí)和設(shè)施嚴(yán)重破壞時(shí)，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(wù)系統(tǒng)中可用地理格網(wǎng)存儲(chǔ)街道地址;在搜救活動(dòng)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(zāi)、急救活動(dòng)，將有助于迅速確定位置，提高效率。

5.地理信息系統(tǒng)服務(wù)

國(guó)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(huì)劃分的專題信息劃歸到統(tǒng)一格網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)了地理與社會(huì)專題數(shù)據(jù)的集成融合，便于全面、準(zhǔn)確地認(rèn)知理解，為科學(xué)決策打下良好的基礎(chǔ)，為電子商務(wù)、電子政務(wù)提供了豐富、全面、可靠的綜合數(shù)據(jù)。

六、結(jié)束語

當(dāng)前，國(guó)外地理格網(wǎng)編碼體系在基于位置服務(wù)中得到了廣泛應(yīng)用。美國(guó)和英國(guó)國(guó)家地理格網(wǎng)均在各自國(guó)家內(nèi)被廣泛應(yīng)用，發(fā)揮了很大作用。我國(guó)對(duì)全國(guó)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(guó)實(shí)際需要，開展了地理格網(wǎng)編碼體系的研究，以我國(guó)百萬地圖分幅為基礎(chǔ)，繼承了原地圖分幅與編號(hào)體系，并以邊長(zhǎng)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(jí)格網(wǎng)基礎(chǔ)上增加了補(bǔ)充格網(wǎng)。同時(shí)，格網(wǎng)編碼與格網(wǎng)保持了一致性，編碼設(shè)計(jì)時(shí)從統(tǒng)一起點(diǎn)開始，按固定順序和方向進(jìn)行，盡量使代碼簡(jiǎn)化，碼位長(zhǎng)度最短，并與格網(wǎng)一一對(duì)應(yīng)，保證了其實(shí)用性。

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