郭玉芳，武慧琳，兀 偉，趙 鑫

（1. 自然資源部測繪標(biāo)準(zhǔn)化研究所，陜西 西安 710054）

地理網(wǎng)格是一種對地理空間進(jìn)行位置劃分的方法。我國商周時期出現(xiàn)的“井田制”就是地理網(wǎng)格的一種體現(xiàn)和應(yīng)用，“井田”即按照特定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)劃、面積和邊際劃分的方塊田，對地球表面進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，從而進(jìn)行土地的耕作和管理；后漢時期張衡利用“網(wǎng)絡(luò)天地而算之”創(chuàng)建了矩形格網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)，開始賦予格網(wǎng)以二級坐標(biāo)和方位的含義。在西方，埃拉托色尼創(chuàng)立了古老的經(jīng)緯網(wǎng)系統(tǒng)，并在基礎(chǔ)經(jīng)緯網(wǎng)上疊加了一套被稱為“普林特框格”和“斯弗拉吉德斯框格”的幾何圖形，組成了地圖的第二級網(wǎng)格系統(tǒng)，作為一級經(jīng)緯網(wǎng)格的補(bǔ)充，便于標(biāo)明各地區(qū)的位置和范圍[1-5]。自1929年芬蘭地理學(xué)家格蘭里奧采用1 km格網(wǎng)分析自然與社會現(xiàn)象以來，以各級尺寸格網(wǎng)為基本研究單元的地理分析逐漸發(fā)展成為一種地學(xué)分析方法[6]。美國的圣地亞哥和加拿大的多倫多將網(wǎng)格地圖應(yīng)用于人口預(yù)測和交通管理，并沿用至今。近年來，高分辨率遙感技術(shù)、高精度空間定位技術(shù)以及現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，已使地理網(wǎng)格技術(shù)飛躍到信息時代的新階段和新水平，它不僅適應(yīng)于定位精度不高的區(qū)域性地理現(xiàn)象空間分布的表達(dá)，而且為全球范圍內(nèi)統(tǒng)一描述和表達(dá)復(fù)雜、多樣的地理現(xiàn)象提供了可靠的理論基礎(chǔ)[7]。本文梳理分析了國內(nèi)外地理網(wǎng)格技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀與進(jìn)展，剖析了不同地理網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)特點和應(yīng)用簡況，為地理網(wǎng)格技術(shù)在多源空間數(shù)據(jù)組織、管理、融合等方面的應(yīng)用提供借鑒。

1 國際地理網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

以美國、英國為代表的發(fā)達(dá)國家對地理網(wǎng)格技術(shù)的研究起步較早，并投入了大量的人力和物力進(jìn)行基礎(chǔ)性研究。2000年2月美國政府啟動了全球信息網(wǎng)格GIG研究，投入的基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)高達(dá)5億美元。GIG項目由美國國防科技局特別小組提出，期望實現(xiàn)計算機(jī)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)和武器平臺網(wǎng)的聚合優(yōu)化，面向不同層次用戶提供所需信息，過濾不需要的信息，并逐步形成用戶所需的知識，輔助決策形成。目前，地理網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用在美國已頗為廣泛，涉及能源、交通、氣象、水利、農(nóng)林、教育、環(huán)保等領(lǐng)域。

1.1 美國、英國等國家發(fā)展現(xiàn)狀

美國針對不同應(yīng)用目的研發(fā)了多種地理網(wǎng)格系統(tǒng)，如美國國家格網(wǎng)（USNG）、美國軍方格網(wǎng)參考系統(tǒng)、全球區(qū)域參考系統(tǒng)等，其中最具代表性、應(yīng)用最廣泛的是USNG。美國聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會于2001年發(fā)布了USNG，即美國全境范圍內(nèi)統(tǒng)一的國家格網(wǎng)參考系統(tǒng)。首先在全國范圍按統(tǒng)一經(jīng)差6°和緯差8°剖分形成GZD；再基于通用橫軸墨卡托投影（UTM）坐標(biāo)，在投影帶內(nèi)經(jīng)線方向以中央經(jīng)線為起點，緯線方向以赤道為起點，按100 km長度等距離劃分形成第二級網(wǎng)格；依此類推，進(jìn)一步劃分得到1 km、100 m、10 m、1 m 等不同級別系列網(wǎng)格。一級網(wǎng)格編碼采用投影帶加字母標(biāo)識，一級以下各級采用十進(jìn)制層次結(jié)構(gòu)編碼，實現(xiàn)了美國國土范圍的統(tǒng)一網(wǎng)格化離散和代碼標(biāo)識[8]（圖1）。

圖1 美國國家格網(wǎng)劃分方法

基于USNG 標(biāo)準(zhǔn)，美國對街道和興趣點地址進(jìn)行地理編碼，建立各類地址的格網(wǎng)索引，即二維空間地址，如地址1849 C Street NW, Washington, DC 的地理編碼為18S UJ 228070。同時，USNG 網(wǎng)格結(jié)合相關(guān)工具軟件，可實現(xiàn)USNG 網(wǎng)格與不同參考系坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，解決了不同類型、不同坐標(biāo)系下地理信息數(shù)據(jù)的共享問題，從而推動了地理信息數(shù)據(jù)更好地服務(wù)于民眾，在街道管理、郵政傳遞、交通旅游、移動通信等民用領(lǐng)域中取得了較好的效果，為空間位置服務(wù)提供了新模式。

英國國家網(wǎng)格是由英國陸軍測量局設(shè)計建立的統(tǒng)一國家網(wǎng)格參考系統(tǒng)，基于英國地形測量空間基準(zhǔn)，采用Airy1830橢球，以UTM為平面基準(zhǔn)，以2°W、49°N為原點，從原點向北和東為正方向進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格規(guī)格包含邊長500 km、100 km、50 km、10 km、5 km、1 km、500 m、100 m、50 m、10 m、5 m、1 m 等同級別系列網(wǎng)格，任意一點位置均可采用國家地理網(wǎng)格來描述（圖2）。英國國家網(wǎng)格用于確定英國測量局各種數(shù)據(jù)的二維空間位置坐標(biāo)，是針對英國境內(nèi)的局部網(wǎng)格，其編碼采用層次結(jié)構(gòu)編碼法，代碼包含字母、方位和十進(jìn)制數(shù)字，實現(xiàn)了英國國土范圍的統(tǒng)一網(wǎng)格化離散和代碼標(biāo)識。

圖2 英國國家網(wǎng)格剖分示例

英國國家網(wǎng)格以覆蓋整個國家的正方形網(wǎng)格為基礎(chǔ)，按照分層級、等距離原則構(gòu)建多級網(wǎng)格系統(tǒng)，所有英國地圖均覆蓋格網(wǎng)，人們可容易并精確地查找任意一點的位置。為推動國家網(wǎng)格的應(yīng)用，英國測量局的官網(wǎng)上提供了應(yīng)用軟件工具，既可實現(xiàn)格網(wǎng)編碼與不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，也可進(jìn)行具體地址的格網(wǎng)編碼查詢，即利用網(wǎng)格確定二維地面位置，從而實現(xiàn)了任何陸地范圍、探險或室外休閑的定位與位置服務(wù)。

1.2 開放地理空間信息聯(lián)盟

開放地理空間信息聯(lián)盟（OGC）在2017年發(fā)布的《全球離散網(wǎng)格系統(tǒng)抽象規(guī)范》（DGGS），對地球表面進(jìn)行分層離散化剖分形成了曲面上網(wǎng)格單元，擁有單元結(jié)構(gòu)、地理編碼、量化方法和相關(guān)數(shù)學(xué)函數(shù)等特性，是一套基于分層嵌套的等面積網(wǎng)格單元對整個地球進(jìn)行按層級規(guī)則劃分形成的坐標(biāo)參考系統(tǒng)[9]。其特點是以地球為中心，形成一個全球覆蓋的、簡潔的全球離散網(wǎng)格系統(tǒng)，由面積相等的空間單元構(gòu)成，并符合DGGS 要求的基本特征，具備全球范圍、按層系列剖分、面積固定、單元結(jié)構(gòu)、彼此嵌套和空間參考等特征；可支持量化操作、代數(shù)運(yùn)算操作和互操作等一致性DGGS 操作所需的核心功能算法。同時，為滿足更多應(yīng)用需求，DGGS 可通過進(jìn)一步增加功能來擴(kuò)展，特別是DGGS利用OGC Web服務(wù)架構(gòu)擴(kuò)展附加支撐功能和互操作性，如Web OGC網(wǎng)絡(luò)覆蓋服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)覆蓋處理服務(wù)接口。

2 我國地理網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀分析

我國對地理網(wǎng)格技術(shù)的研究亦非常重視，2002年4月科技部召開了“網(wǎng)格戰(zhàn)略研討會”，確認(rèn)將網(wǎng)格的研究和應(yīng)用列為“863 計劃”的一個專項，專項投資啟動了“中國網(wǎng)格”建設(shè)。同時，知名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也相繼開展各種網(wǎng)格研究[10-11]，如李德仁[12]等從網(wǎng)格技術(shù)和信息網(wǎng)格出發(fā)，研究了如何在網(wǎng)格環(huán)境下實現(xiàn)從數(shù)據(jù)到信息再到知識的升華以及基于網(wǎng)格的空間信息服務(wù)；周成虎基于微分幾何原理形成了一套新的地理格網(wǎng)系統(tǒng)，使現(xiàn)代遙感、全球定位等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)更加便利地應(yīng)用于地理信息系統(tǒng)。在地理網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)化方面，我國目前已發(fā)布實施的國家標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)主要包括國家標(biāo)GB/T 40087-2021《地球空間網(wǎng)格編碼規(guī)則》、GB/T 12409-2009 《地理格網(wǎng)》、GJB 8896-2017《地球表面空間網(wǎng)格與編碼》、DB 4201/T479-2015《武漢市空間管理基礎(chǔ)網(wǎng)格編碼規(guī)范》、DB35/T 1831-2019《空間信息網(wǎng)格劃分與編碼規(guī)則》等，這些標(biāo)準(zhǔn)在一定程度上推動了網(wǎng)格技術(shù)的推廣和應(yīng)用（表1）。

1）《地球空間網(wǎng)格編碼規(guī)則》從全球立體化的視角，將地球空間統(tǒng)一剖分成不同尺度的網(wǎng)格單元，基于GeoSOT 地球剖分模型，按統(tǒng)一編碼規(guī)則進(jìn)行標(biāo)識和表達(dá)，構(gòu)建了網(wǎng)格化的地球空間數(shù)據(jù)組織參考框架；支持地球表面空間和地球立體空間與地理空間信息的聚合，可有效解決物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算中海量空間信息在標(biāo)識和表達(dá)上唯一性、可讀性、尺度性、關(guān)聯(lián)性的瓶頸，實現(xiàn)多源、多尺度數(shù)據(jù)網(wǎng)格化高效組織、處理和應(yīng)用[13]。該標(biāo)準(zhǔn)于2021年4 月首次發(fā)布實施，為滿足大數(shù)據(jù)時代信息的統(tǒng)一組織、融合共享、高效檢索與應(yīng)用，實現(xiàn)全球多尺度空間位置的統(tǒng)一標(biāo)識，提供了統(tǒng)一的地球空間數(shù)據(jù)組織參考框架。

2）《地理格網(wǎng)》規(guī)定了面向全國范圍采用地理坐標(biāo)格網(wǎng)（以經(jīng)、緯線劃分的格網(wǎng)）與高斯—克呂格投影平面直角坐標(biāo)格網(wǎng)（以公里網(wǎng)線劃分的格網(wǎng)）相結(jié)合的方式的格網(wǎng)系統(tǒng)劃分規(guī)則和編碼方法，構(gòu)建了地理格網(wǎng)系統(tǒng)和代碼，并規(guī)定地理坐標(biāo)格網(wǎng)按經(jīng)、緯差分級，以1°經(jīng)、緯差格網(wǎng)作為分級和計算格網(wǎng)代碼的基本單元，向更大或更小格網(wǎng)間隔的層級延伸。編碼由南北半球代碼、高斯—克呂格投影帶號代碼、百公里格網(wǎng)代碼和坐標(biāo)格網(wǎng)代碼組成[14]。該標(biāo)準(zhǔn)為一個在視覺上完整覆蓋全國國土范圍的格網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)，以滿足數(shù)據(jù)采集、存儲、分析與交換的空間格網(wǎng)定位要求。

3）《地球表面空間網(wǎng)格與編碼》規(guī)定了地球表面空間網(wǎng)格與編碼方法，將地球表面經(jīng)緯度坐標(biāo)空間劃分為32 級網(wǎng)格，即將整個地球表面空間（0 級網(wǎng)格）劃分為4 個1 級網(wǎng)格，從1 級網(wǎng)格起，每一級的各網(wǎng)格繼續(xù)劃分為4個下一級網(wǎng)格，直到32級網(wǎng)格（圖3），每級網(wǎng)格應(yīng)無縫無疊覆蓋地球表面空間，每級網(wǎng)格邊界都包含上一級網(wǎng)格邊界，每個網(wǎng)格均有一個全球唯一的整型網(wǎng)格編碼。該標(biāo)準(zhǔn)是一種在地球球面上基于經(jīng)、緯差的四叉樹遞歸剖分[15]，主要用于跨部門跨領(lǐng)域聯(lián)合作戰(zhàn)態(tài)勢數(shù)據(jù)和信息的統(tǒng)一組織，為多源、異構(gòu)情報信息一體化組織表達(dá)、天空地以及地下（水下）信息一體組織、全球范圍空間信息交換共享等提供規(guī)范的區(qū)位編碼。

圖3 地球表面空間網(wǎng)格剖分示例

3 我國地理網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)化面臨的問題與挑戰(zhàn)

在深入分析和研究我國現(xiàn)行地理網(wǎng)格相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對比國際有關(guān)地理網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)，筆者認(rèn)為我國在地理網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域尚面臨以下問題和挑戰(zhàn)：

1）多數(shù)地理網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)缺少面向應(yīng)用的轉(zhuǎn)換軟件工具，在一定程度上限制了大范圍應(yīng)用。不論是美國的USNG 還是英國國家網(wǎng)格，在實際應(yīng)用中都有相關(guān)軟件工具作支撐，因而應(yīng)用廣泛。我國的地理網(wǎng)格相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在頒布實施后，盡管地理網(wǎng)格剖分原理和方法比較完善，但由于缺少面向應(yīng)用的軟件工具配套，使得地理網(wǎng)格技術(shù)在實踐應(yīng)用的范圍還相當(dāng)有限。

2）地理網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用和推廣相對滯后。已頒布的地理格網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)基本上是國家標(biāo)準(zhǔn)或地方標(biāo)準(zhǔn)，頒布實施后的宣貫和推廣應(yīng)用工作都較薄弱或幾乎沒有，加之有些標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格剖分方案較復(fù)雜，實際應(yīng)用中缺乏相關(guān)技術(shù)指導(dǎo)，導(dǎo)致地理格網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用和實施層面相對滯后。

3）標(biāo)準(zhǔn)的宣貫和推廣機(jī)制亟需完善。與發(fā)達(dá)國家的自愿性標(biāo)準(zhǔn)體制不同，我國目前的標(biāo)準(zhǔn)化體制仍以政府主導(dǎo)型為主，隨著標(biāo)準(zhǔn)化體制改革的深入，亟需完善標(biāo)準(zhǔn)宣貫和推廣的相關(guān)機(jī)制，同時可根據(jù)需要開展標(biāo)準(zhǔn)化試點和示范工作，在一定范圍內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)應(yīng)用推廣的先行先試，保障已頒布標(biāo)準(zhǔn)的落地和實施。

4 結(jié) 語

現(xiàn)代快速發(fā)展的空間探測技術(shù)和不斷豐富的數(shù)據(jù)獲取手段為地理網(wǎng)格提供了全新的數(shù)據(jù)源，也使地理網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用有了新的定位和延伸。本文梳理了國際上地理網(wǎng)格技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀和應(yīng)用簡況，剖析了我國地理網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀和面臨的問題與挑戰(zhàn)，為地理網(wǎng)格技術(shù)在多源空間數(shù)據(jù)的信息集成、共享、分析處理、服務(wù)等方面的應(yīng)用提供了借鑒。