search
專輯論文| 萬剛:地理空間信息網格的歷史演變與思考

專輯論文| 萬剛:地理空間信息網格的歷史演變與思考

《測繪學報》

構建與學術的橋樑 拉近與權威的距離

萬剛

, 曹雪峰

信息工程大學地理空間信息學院, 河南 鄭州 450052

收稿日期:2016-08-20; 修回日期:2016-10-20

基金項目:國家自然科學基金面上項目(41371384);國家自然科學基金青年項目(41491465)

第一作者簡介:萬剛 (1972—),男, 教授, 研究方向為地理空間信息網格、大數據可視分析、虛擬地理環境。

E-mail: casper_51@163.com

摘要:網格的概念隨著科學技術和社會實踐的發展而不斷演變,在不同行業中的內涵既有區別又有聯繫。本文首先分析了地理空間網格的基本特徵,提出了地理空間網格的廣義和狹義概念。然後,回顧分析了地理空間網格的發展歷史,認為地理空間網格是一種人類空間認知的重要思想和理論、方法,地理空間信息網格是信息化條件下的地理空間網格。最後,分析指出了地理空間信息網格以信息化的地球系統為研究對象,以模型理論為基礎理論,未來將發展出現代地理空間網格的標準體系和服務體系,不僅服務於人,還將服務於智能化平台,具有廣闊發展前景。

關鍵詞:地理空間信息網格 空間認知 地圖投影 地理信息系統 虛擬地理環境 數字地球

The Historical Evolution and Reflection of Geospatial Information Grid

WAN Gang

, CAO Xuefeng

Abstract: With the development of science and practices, the grid concept continues to evolve, and there are differences and relations between different industries about understanding of its connotation. First, the theoretic characteristics of Geospatial Grid are analyzed and its broad and narrow concept is put forward. Then the history of Geospatial Grid development is reviewed and analyzed, and Geospatial Grid is considered as one kind human spatial cognition theory, and it developed into Geospatial Information Grid under the condition of information. At the end, this paper argues that the research object of Geospatial Information Grid is the informational earth system and it is based on the model theory, the service and standards system will be constructed, and the service range extends from human to intelligent platforms at that time which leading to a bright future.

Key words: geospatial information grid spatial cognition map projection geographic information system virtual geographic environment digital earth

進入21世紀,地理空間信息網格 (geospatial information grid) 技術得到迅速發展,其多樣化的表現形式使得人們產生困惑。它僅僅是一種剖分演算法,還是數據組織模型?或者只是傳統技術的另一種「時髦」的稱謂,地圖投影、柵格數據、DEM數據、影像金字塔等屬於地理空間信息網格嗎?它的價值在哪裡,未來會怎樣?本文對地理空間信息網格基本概念、發展歷史和未來發展趨勢給出描述。

1 地理空間信息網格是地理空間網格在信息化條件下的技術形態

對地理空間信息網格的認識必須統一到地理空間網格 (geospatial grid) 的基本概念上來。地理空間網格是人類在認識地形環境過程中逐漸形成的一種基本理論和方法,即通過一定規則組織起來的、連續的、多解析度的網格單元,逐步逼近最真實的地球,把空間的不確定性因素控制在相應的尺度範圍之內。

1.1 地理空間網格的基本特徵

通過多年來的討論

(1) 基準性。建立嚴格的空間、時間數學控制模型,在參考橢球、大地坐標系等方面確保一致。

(2) 連續性。將地球空間整體或局部剖分為若干網格單元,連續地描述空間事件和空間對象,保證空間上不重疊。

(3) 唯一性。每一個網格單元表達唯一確定的空間位置,編碼不能出現二義性。

(4) 多尺度性。實現對地球空間的層次化剖分與編碼,建立不同層級的網格單元之間的嵌套隸屬關係,能夠組織多解析度空間數據,支持多尺度空間現象和過程的描述與分析。

(5) 近似性。表現為一系列同層接近、鄰層相同、逐層一致的幾何近似性結構特點。

(6) 適應性。既為跨領域研究提供統一的基礎結構,又要適應不同領域對地理空間信息的個性化需求。

(7) 關聯性。地理關聯,是將地理空間數據轉化到網格的框架中,使網格單元成為地理空間數據組織管理與分析應用的基本單元;剖分關聯,是指剖分演算法遵循嚴格的數學組織規則,網格單元之間存在著密切的空間關聯關係,同時各種網格剖分演算法之間可以相互轉換。

1.2 地理空間信息網格的廣義和狹義認識

地理空間信息網格則是地理空間網格在信息化時代的體現,有廣義和狹義兩種描述方式。廣義上的地理空間信息網格是指以計算機、測繪、遙感、導航等科學為基礎,構建的天地一體的空間信息獲取、存儲、分發、計算、服務體系,包括計算網格、數據網格、服務網格3部分[6]。其中,地理空間計算網格是指將網路上分佈的、與地理空間信息領域相關的、各種同構與異構的計算機、工作站、機群等設備的計算能力聚合起來,形成相對用戶透明、虛擬的高性能計算環境;地理空間數據網格是指與信息化技術環境相適應,將地理空間數據進行網格化剖分和組織,使其支持海量存儲、管理與調度,支持多維空間信息的融合、分析;地理空間服務網格是在計算網格和數據網格的基礎上,支持各種同構/異構的地理空間服務資源的動態加入/退出、自治管理、分發等。

狹義上的地理空間信息網格是指地理空間數據網格,即按照嚴格的空間剖分規則,構建一系列緊密關聯的空間單元集合,支持地理空間數據的網格同化、網格存儲,多維環境信息網格融合和網格分析等[5]。

2 地理空間網格發展歷史

在人類認知客觀世界的過程中,曾產生過一系列的科學方法論和技術。地理空間網格就是這樣一種人類空間認知的重要思想和理論、方法。地理空間網格的發展大致可分為古代地理空間網格、近代地理空間網格、現代地理空間網格三種階段,具體表現為多種形式。

2.1 古代地理空間網格

古代是典型的陸地型國家。對地球的認知是「天圓地方」的思想,在古代地圖作品中充分體出這種最初的原始平面空間劃分思想,最典型的是古代夏商周時期的「井田制」。公元200多年,「計里划方」思想出現在西晉地圖學家裴秀提出「製圖六體」理論中,成為古代和近代地圖編製、進行精度控制與量算的基本方法。典型產品有:唐代賈耽繪製的《海內華夷圖》、北宋沈括繪製的《天下州縣圖》、宋代刻於岐山石碑上的《禹跡圖》、元代朱思本繪製的《輿地圖》、明代羅洪先繪製的《廣輿圖》等等。

古代希臘是典型的海洋型國家。對地球是球形的認識,來自於古希臘人觀察從遠方駛來的帆船時,先看到船帆再看到船身的現象。約公元前500年,哲學家畢達格拉斯最早提出地球球形學說。公元前334年,地理學家尼爾庫斯在亞歷山大東征中第一次在地圖上劃出了一條緯線。公元前300年,天文學家埃拉托斯在編製以地中海為中心的世界地圖上繪製了7條經線和6條緯線。公元前134年天文學家依巴谷繪製星圖的同時,設計了喜帕恰斯經緯線體系。公元127年克羅狄斯·托勒密繪製出著名的「托勒密地圖」,在地圖上繪製了經緯線網。

可以看出,古代人類出於對所處生活地域和地球的認識,一直在尋找一種能夠解釋自然現象,可以用數學來表達的工具。用點、線、面來表示空間對象是人類空間抽象思維上的一個顯著進步,最為典型的是古希臘學者已經從數學和天文學出發,嘗試用抽象概念的形式解釋事物的本質。無論是東方的「井田制」、「計里畫方」,還是西方初期的「經緯度」,表現形式仍是相對具體和直觀的,是通過一種簡單的網格劃分來實現控制地圖的比例和繪製精度,是一種「規則化」的「概略控制」的思想。這種古代的地理空間「樸素」網格思想與當時人類的認知能力是一致的。人類開始急切地認識自己周圍的世界。

2.2 近代地理空間網格

經過漫長的中世紀徘徊,14世紀文藝復興之後,人類歷史進入了地理大發現時代。隨著國家意識的強化和空間拓展的需要,地圖在國家之間的外交談判、軍事鬥爭中發揮著越來越重要的作用,人類迫切需要建立更加精密的地理空間表達體系。

1406年,托勒密的《地理學指南》開始廣為流傳,人們學會了通過不同的投影網格選取面來觀測世界,利用經緯度製表法來進行空間數據精確化和標準化表達。1569年,荷蘭地圖學家墨卡托首次採用正軸等角圓柱投影編製航海圖,開闢了人類利用地圖投影科學認知地球的新紀元。

1615年,荷蘭數學家斯涅耳發明了大地三角測量方法,幾何大地測量學成為建立國家大地網和工程測量控制網的基本方法之一。1669—1733年,法國卡西尼家族在測量子午弧的過程中,構建出與天文測定的基本網相聯結的法國一級三角點的三角網路,第一次精確地測算出法國的全國面積與形狀,接著又構建了二級與三級的三角點網路,以此作為大比例尺地圖的基礎性架構。此後,歐洲很多國家都開展了大規模的全國性三角測量工作。

為了保證測量坐標系的準確性,天文學家從大量觀測地球形狀的工作中提出了參考橢球體重要理論,並以此構建獨立的大地坐標系。參考橢球理論的出現提供了一個重要的空間基準和嚴格的數學模型。這個階段主要的參考橢球體有1800年法國的德蘭勃橢球,1830年法國的埃弗瑞斯橢球,1841年德國的貝塞爾橢球,1866年英國的克拉克橢球等。1910年的美國海福特橢球成為國際上第一個推薦值。1941年前蘇聯提出克拉索夫斯基參考橢球模型。

為了滿足世界各國的不同需要,各國規定使用了不同的地圖投影方法作為地圖的數學基礎,主要有1752年法國的彭納投影、1772年德國的蘭勃特投影、1912年德國的高斯-克呂格投影等。

1891年,德國地理學家彭克提出世界各國共同編製百萬分之一比例尺世界地圖的建議。1913年在巴黎世界地圖會議上通過了《國際百萬分之一世界地圖編製細則》,成為之後世界多國地形圖生產的基本標準。此時,人類已經具備構建全球統一的地理空間框架的理論和實踐能力。

整個17至19世紀,人類認識客觀世界的方法取得了巨大的發展。試驗和數學是占統治地位的科學方法,人們通過歸納和演繹,從細節上把握思維對象和客觀世界。唯物辯證法產生,給出了一種從總體上把握客觀世界,並指導實踐科學的思維方法。這個階段,人類雖然站在地球表面,但通過大範圍的地理觀測實踐,已經掌握了認知所處星球的有效科學工具,這就是解析幾何理論、微積分理論、大地測量理論和地圖投影理論。無論是橢球理論模型的「經緯網」,還是實地布設的「三角控制網」,以及地圖投影后的「坐標網」,都在追求一種嚴格「數學規則」下的可控制量測的目標,共同構成這種近代的地理空間「量測」網格思想。

2.3 現代地理空間網格

以第一次世界大戰為分界線,現代人類社會在短短的100年內取得了巨大的科技成就。這個階段,地理空間網格思想及技術有了顯著的進步,其內涵和外沿產生巨大的變化,稱之為「地理空間信息網格」。

2.3.1 全球化的人類活動,需要以全球為對象的新坐標框架

第一次世界大戰前後,為了提高炮兵的射擊精度,各國根據軍事需要紛紛使用等角投影。1917年法國改彭納等面積投影為蘭勃特等角投影,德國也將卡西尼投影改算為高斯-克呂格投影,並使用了軍用坐標網。1928年前蘇聯建立按經差6°分帶的高斯-克呂格投影,開創了大範圍統一全國地形圖投影的先例。

第二次世界大戰以後,美國為了配合其「全球戰略」的需要,於1948年提出「通用橫軸墨卡托投影」(universal transverse mercator projection,UTM) 和「通用極球面投影」(universal polar stereographic projection,UPS)。為適應全球作戰和指揮業務的方便,美軍制定了軍用坐標參考系 (military geographic reference system,MGRS) 標準。在全球8°×6°分區的基礎上,MGRS按照100 km邊長繪製「方格」坐標網,通過逐步細化可以達到米級網格,支持全球唯一編碼。MGRS用網格編碼法替代圖幅分幅編號法,在統一標定位置、指示區域上具有很好的效果,歷經多次作戰檢驗。2001年9·11事件以後,MGRS成為美國國家網格 (united states national grid,USNG) 標準。

20世紀50年代末,衛星和遠程彈道武器出現后,為了精確推算軌道與跟蹤觀測,必須建立新型地心坐標系。世界上第一個統一的地心坐標系是1984年WGS-84世界大地坐標系。2008年全面啟用2000國家大地坐標系。

坐標網、比例尺、大地控制網 (平面控制網和高程式控制制網) 統稱為地圖的數學基礎,是地圖上確定地理要素分佈位置和幾何精度的基本依據。這種「全球連續覆蓋」、「唯一」、「尺度+控制」的理念,正是傳統地理空間網格的核心思想。

2.3.2 航測、製圖技術的現代化,需要相一致的空間數據模型

1903年飛機問世,1910年德國研製成功了用於航空攝影測量的立體測圖儀,人類跨入從空中進行地形圖測繪的新階段。1957年,前蘇聯發射了第一顆人造地球衛星,開創了人類從新的高度進行全球性觀測的新紀元。航空航天對地觀測所獲取的都是行掃描的遙感影像數據,以像素作為空間對應的基本單元,是一種多解析度的「像素」網格,具備了「海量」特徵,影像金字塔等技術成為影像「像素」網格管理和應用的重要工具。

1946年世界上第一台數字式電子計算機誕生,20世紀50年代後計算機技術開始應用於地圖製圖領域。柵格數字地圖是將地球表面劃分為大小、均勻、緊密相鄰的網格陣列,按行與列排列、具有不同灰度或顏色的陣列數據。為了更好地存儲、管理地理空間數據,人們開始使用空間資料庫技術。空間數據的整體管理仍遵循傳統紙質地圖的分幅組織方法。

1999年,Google Earth在全球空間信息的網路存儲與管理方面取得了巨大突破,多尺度、多源、海量地理空間數據的網路快速瀏覽成為現實。它打破傳統紙質地圖的分幅組織管理方法,完全以分塊、分層的思想組織管理空間數據。為了應對網路環境下地理空間數據的獲取、存儲、檢索等應用需要,「網格剖分」的概念開始提出。

2.3.3 信息化知識服務的需求,需要最佳的認知工具和應用平台

1956年美國Miller教授提出數字高程模型 (digital elevation model,DEM) 概念。DEM有規則網格 (Grid) 和不規則三角網 (TIN) 兩種表現形式,通過細節分層 (level of details,LOD) 技術實現多級表示。規則網格數字高程模型 (Grid DEM) 具有地理空間網格的典型特徵,如「嚴格空間基準」、「規則化」、「近似性」、「多解析度」、「連續性」等,不規則三角網雖然描述空間特徵更加優秀,但卻不符合「規則化」和「近似性」的特徵。DEM最大的進步是使地理空間網格具備了「分析」的特徵,利用網格單元之間的空間關聯性,結合屬性數據可以進行空間分析,支持多種複雜空間問題的求解。從1967年世界上第一個地理信息系統 (Canada geographic information system,CGIS) 在加拿大誕生起,地理信息系統技術得到飛速發展。其中數字高程模型都是重要的空間分析源數據。

20世紀90年代,人們提出虛擬地理環境 (virtual geographic environment,VGE) 概念。1998年美國副總統戈爾描述的「數字地球」就是一個以地球坐標為依據的、具有多解析度的、多維海量數據和多維顯示的虛擬地球系統。其核心就是基於地理空間信息網格的多維空間數據組織模型,使得VGE集成政治、經濟、軍事、地理、大氣、地球物理等多門學科的知識和機理,成為多學科應用的平台。長期以來,地學領域中研究地殼構造、地質、地震、海洋、大氣、地球物理的學者一直從自身專業角度出發,已設計了多種類型的全球或局部三維網格模型。與上述研究有所區別的是,VGE更要求基於統一的地理空間框架,進行嚴格的地球空間多級網格剖分,構建基於網格的空間數據組織模型,支持多維信息的融合、可視與分析。真正意義上的「地理空間信息網格」概念開始出現,地理空間信息網格成為VGE的核心數學基礎之一。

1992年文獻[7]提出了一種全球地理信息層次數據結構。1998年文獻[8]提出離散全球網格系統 (discrete global grid systems,DGGS) 思想。2000年文獻[9]提出全球四元三角形網格思想。文獻[10-16]提出了多種類型的地球球面網格剖分方案。雖然各有不同的應用範疇,其實質均是基於地理空間信息網格的多維空間數據組織模型。

從數學模型上來看,地理空間信息網格可以分為4類:①地理空間信息平面網格,包括地圖投影經緯線網格、圖像像素網格、數字地形模型網格,都是在二維平面上描述地理空間實體及現象;②地理空間信息球面網格,直接在地球參考球體 (橢球體) 面上進行系列網格剖分,構建空間數據組織模型;③地理空間信息立體網格,將地球球面擴展為地球立體空間,支持三維、動態空間對象表達;④地理空間信息時空網格,在地球空間立體網格基礎上增加時間編碼,支持複雜時間變化事件的組織管理。從平面網格、球面網格,擴展為立體網格和時空網格,是一脈相承的。

2.3.4 計算網格等新技術發展,推動計算科學與空間科學的結合

隨著互聯網等信息化技術的發展,出現一系列與網格相關的概念。例如,Net主要指網路、網狀物、通信網、計算機網、神經網等含義;Network特指計算機網路;Grid主要是指格子、地圖坐標方格、輸電網等含義。雖然它們的共同之處都是由相互交叉的若干條邊構成,相互支撐、相互關聯;但Grid更強調嚴格的數學模型,空間的規則性和形狀的近似性。

21世紀起始,美國計算機學家Ian Foster在《The Grid: Blue print for a New Computing Infrastructure》一書中指出:「網格是建築在互聯網上的一組新興技術,它將高速互聯網、高性能計算機、大型資料庫、感測器、遠程設備融為一體,為用戶提供更多的資源、功能和交互性」。這裡的Grid是計算網格 (computing grid) 的概念,主要指網路環境中計算資源、軟體、數據的整合和利用。而地理空間信息網格是指地理空間信息資源的整合、組織管理和共享應用的基礎。兩者雖然都具有「信息化」、「整合資源」、「廣域分佈」、「基礎平台」等共同特徵,但是不同領域的不同概念。如何建立兩種網格的科學、實用的聯繫?信息網格 (information grid)、知識網格 (knowledge grid) 等一系列新概念已經提出。

1999年,美軍國防信息系統局提出全球信息網格 (global information grid,GIG) 計劃,目標是構建一個全球互聯、對端對終端、高度集成的一體化作戰信息系統,通過全維、立體、多頻譜、多節點的網格化的信息,在恰當的時間、恰當的地點,以恰當的方式向恰當的人員,安全、及時、準確地提供所需的作戰信息資源。GIG中的Grid是一個以網路為中心的作戰指揮平台,並不是美軍傳統的MGRS中的Grid概念。這個階段,Grid名詞的不同使用引發了很多概念上的爭議和混淆,2014年美國國防信息系統局已將GIG改名為國防信息網路 (Department of Defense Information Network,DoDIN)。

3 地理空間信息網格的科學思考

面對當今社會中科技的迅猛發展,地理空間信息網格作為一種人類認知空間環境的理論和方法,已經煥發出新的活力。

3.1 地理空間信息網格研究對象是信息化的地球系統

3.1.1 地球系統是一個複雜巨系統

基於地理空間信息網格技術可以構建地球模擬系統。地理空間信息網格的建立要嚴格遵循地球時空基準,滿足多類型空間實體和空間現象的需求,諸如人類的空間遷移行為、商品物流的軌跡、電磁環境的構設、網路環境的表達等。1997年日本建立「地球模擬器」、2001年歐盟建立「地球系統建模歐洲網」、2005年澳大利亞建立「地球系統模擬器」等都是基於地理空間信息網格模型管理時空數據。

3.1.2 研究對象擴展到地球空間系統

地理空間信息網格研究對象已經超越了傳統地表空間、近地軌道空間,擴展到地月空間、月球空間、太陽系空間等。把地球和地球外層空間當作一個整體或系統來研究,需要統一表達整體太陽系與地月系、地球坐標系的各類型天球坐標系,遵循地球自轉、公轉的時間規律,要考慮相對論中時間的變化、時間漩渦的影響。

3.1.3 把握信息化應用模式

必須把握信息化條件下地理空間信息網格應用的基本特徵。

(1) 應用領域全球化。地理空間信息網格的研究必須建立全球化的基本觀點,研究範圍涉及整個地球系統、地球空間系統甚至外層空間系統,研究領域涉及陸、海、空、天、電、網等多維環境。

(2) 地理空間信息高度離散化。建設越來越高密度、高精度的大地控制網;獲取越來越多類型、多解析度的航空航天觀測遙感影像;建立越來越多尺度、矢量柵格一體的地理信息資料庫。

(3) 應用平台網路化。分散式網路環境下的地理信息公共服務應用已經成為地理空間信息化的基本特徵,其核心同樣是地理空間信息網格技術,支持網格數據存儲、網路數據傳輸、靈活的客戶端應用。

(4) 服務智能化。依託高效的空間網格數據組織模型,能夠支撐多維空間信息的融合,開展各類型智能化空間分析研究。

3.2 模型理論是地理空間信息網格的基礎理論

3.2.1 地理空間信息網格是信息化條件下的地圖投影模型

傳統地圖投影是地球球面到歐氏空間二維平面的轉換,地理空間信息網格可以看作是信息化條件下的地圖投影。

地理空間信息球面網格,是用若干層網格單元表面逼近地球參考面,每一層的網格單元解析度不同,每一層的投影變換函數都是不同的 (中緯度和高緯度不同),其數學表達式為

(1)

12是變換函數;

m

n

是網格單元行列編碼。

地理空間信息立體網格,是將球面網格方案延伸到立體空間,用一系列空間的網格體單元逼近地球空間系統。在每一個網格體單元內採用不同層次概念,每一層次的網格單元解析度不同,每一層次的投影變換函數都是不同的。數學表達式為

(2)

123是變換函數;

m

n

k

是行列高編碼。

由於地理空間信息網格模型均有著嚴格的數學模型,因此多種網格模型之間支持相互轉換。以地理空間信息球面網格為例,投影轉換實質就是建立兩個曲面場之間的點對應關係,包括反解和正解兩種方法。地理空間信息網格相互轉換的基礎條件有三個:描述對象是同一的,不能跨越維度,例如均以地球球面為研究對象或者均以地球立體空間為研究對象;坐標基礎是統一的,都是地心坐標系和地球參考系;剖分標準是一致的,均遵循地理空間信息網格的基本特徵。

3.2.2 地理空間信息網格是信息化條件下的數據組織模型

地理空間信息網格可以作為支持地理空間數據的組織調度的索引。地理空間邏輯數據模型可以分為基於對象模型、基於域/場模型、基於網路模型三種。地理空間信息網格在管理域/場數據上具有先天的優勢,可以直接將柵格數據按照地理空間信息網格剖分原則進行分割,以網格單元和分層的方式進行組織管理和運算,適合局部區域、重點目標空間數據的快速更新和應用。地理空間信息網格在管理對象數據和網路數據上可以發揮空間索引的作用,對點狀、線狀、面狀目標所壓蓋的空間單元進行記錄,形成邏輯和物理地址索引文件,支持快速調度。

地理空間信息網格可以作為支持陸海空天多維空間數據融合集成的框架。基於地理空間信息網格可以構建陸海空天統一的多維空間數據組織模型,支撐地表、地下、水下、大氣、近地軌道、地月等多維空間數據的融合、可視化及應用。例如,支持地下環境準確定位,地下物理過程模擬;支持在海洋水圈空間中準確定位,統一組織管理水下環境數據,海洋環境可視化、海洋三維空間精細化分析等;支持大尺度的全球氣象環境和小尺度的局部氣象環境統一描述,從水平和垂直兩方面進行精細化的表達和分析;支持地表空間、大氣空間到近地軌道空間一體化數據組織,支持航天測控準確描述和預測,空間氣象環境的精確建模和分析;支持空間多坐標系之間變換,星際導航、軌道設計,高精度行星表面定位、行星測量、行星製圖等。

3.2.3 網格是新一代的空間分析模型

空間數據高度離散化支撐空間分析的細化。地理空間信息網格支持多尺度的網格單元表達,解析度可以達米、厘米甚至更高,網格單元內存儲的數據顆粒度更高,可以支撐更加豐富的專題信息分析和網格計算,網格分析的結果也更加精確。

基於網格的空間代數運算支撐新型空間關係分析法則。網格代數是在網格編碼原理基礎上建立加法、減法、成分代數運演算法則,滿足結合律、交換律、封閉性等代數運算性質。通過網格代數運算,可以將空間實體之間的關係運算轉變為網格空間單元之間的關係運算,大大簡化空間關係運算流程,提高運算效率。基於網格模型的新一代地理信息系統GRID GIS呼之欲出。

多維空間信息融合推動空間分析模型的精化。基於地理空間信息網格技術可以構建支持多維空間信息統一存儲、統一表達和統一分析的數據組織模型,優化空間分析結果。例如:構建城市經濟數據網格、交通數據網格、醫療數據網格、通信數據網格、商業數據網格、環保數據網格等,支持城市精確管理;基於地理空間信息網格,可以構建新一代指揮信息系統,支持多維戰場環境的深度融合和戰場時空衝突分析,實現基於網格的代碼指揮。

時空網格將促進時空分析跨越式發展。基於地理空間網格技術可以構建時空一體化的時空大數據組織模型,創新時空分析模型。例如:基於空間立體網格建立空間碎片網格化數據管理機制,提高空間碎片防撞預警與安全分析效率;利用網格時空編碼描述作戰計劃並進行時空推理與分析,推理作戰計劃各要素與時空約束條件之間的矛盾、作戰計劃之間及其內部行動之間的時空矛盾,以保證作戰計劃擬制的科學性。

3.3 構建現代地理空間信息網格體系

3.3.1 統一地理空間信息網格標準,支撐國家空間數據基礎設施建設

(1) 可作為地理空間信息交換標準。基於地理空間信息網格建立統一的地理空間數據區位標識體系,為建立統一的跨部門空間數據交換提供了理論和技術支撐。

(2) 可作為統一的對地觀測網格數據組織標準。在多種對地觀測系統的數據預處理、數據承載、數據分發及數據處理與應用諸環節建立統一的網格組織技術體制。

(3) 可作為統一的地面人文數據採集標準。將網格單元與物聯網設備相聯繫,按照統一的網格數據標準採集空間和非空間數據,支持地理大數據更新。

(4) 可作為導航定位編碼標準。將地理空間信息網格與傳統地圖參考坐標系相結合,標識空間對象在地球表面上的區位位置,還可以方便地標識其在立體空間中的區位位置,實現空間對象空、天、地、地 (水) 下統一的位置標識。

3.3.2 構建空間感測器和大數據的網格服務體系,支持智慧地球系統需要

(1) 構建統一智能化空間感知體系。構建包括對地觀測網格和地面人文數據網格在內的網格體系,將所有感測器空間感知數據融合進入地理空間信息網格體系中,進行數據甄別、支撐數據分析、快速數據檢索、服務數據應用。

(2) 構建統一的空間位置標識體系。為空間信息位置服務提供一種新型的信息定位與關聯方法,將社交網路中文本、視頻進行語義轉換進行網格化存儲;將不同對象之間的N維關聯降為一維關聯;展開對不同對象之間地理空間關聯程度的度量與計算;支持空間大數據分析。

(3) 構建新型空間信息組織模型。支持地表、天空、地下、水下、太空任何目標的相應的網格單元 (或網格單元集合) 的真三維表達,實現空間信息在地理空間信息網格中的統一管理。空間範圍可以從地心至地球外層空間,將三維實體坐標、屬性信息 (如濕度、溫度、濃度等) 化為實體單元,每一尺度的體元可以連續、無縫、唯一地充滿著整個地球立體空間。

(4) 構建多維海量信息可視化平台。設計適應國情的、自主可控的地理空間網格演算法和編碼標準,融合現有各部門空間數據格式,發展一種更高效的全球三維地理信息平台,支持各業務部門空間信息的綜合表達與管理。

3.3.3 構建基於網格的機器人空間認知系統,支持智能化平台的空間行為

傳統的基於對象和基於網路的空間環境描述模型於智能化機器人平台並不是最佳的,機器人導航需要極高解析度的三維地圖。地理空間信息網格可以在機器人空間感知上提出有效的解決方案,支持基於網格導航、基於網格尋路、基於網格避障等。基於網格的機器人空間認知系統涉及高解析度空間數據採集、海量空間數據管理與存儲、網路數據分發、視頻三維空間重建、自主路徑規劃等一系列關鍵技術,是地理空間信息網格技術的新的典型應用,將具有廣闊的發展前景。

4 結論

本文主要對地理空間信息網格進行理論特徵分析與發展趨勢探索,從地理空間網格歷史演進脈絡入手,認為地理空間網格是一種人類空間認知的重要思想和理論、方法,地理空間信息網格是信息化條件下的地理空間網格。需要進一步指出的是,地理空間信息網格以信息化的地球系統為研究對象,以模型理論為基礎理論,未來將發展出現代地理空間網格的標準體系和服務體系,不僅服務於人,還將服務於智能化平台,具有廣闊的發展前景。

【引文格式】萬剛,曹雪峰。 地理空間信息網格的歷史演變與思考[J]. 測繪學報,2016,45(S1):15-22. DOI: 10.11947/j.AGCS.2016.F002

圖片| 太空俯瞰地球,衛星視角下的農田竟如此壯觀!

權威 | 專業 | 學術 | 前沿

微信投稿郵箱 | song_qi_fan@163.com

歡迎加入《測繪學報》作者QQ群: 297834524

進群請備註:姓名+單位+稿件編號

熱門推薦

本文由 一點資訊 提供 原文連結

一點資訊
寫了5860316篇文章,獲得23286次喜歡
留言回覆
回覆
精彩推薦