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李博士谈网格之地理网格的概念

原标题:李博士谈网格之地理网格的概念

在地理信息科学领域,有一个方向的研究是地理网格,是一种对地球表面空间按照一定规则实施划分而得到的格网体系(有时候也被称之为也称作地理格网,空间信息格网或地理网格)。通俗的说就是将地球(或球面)切分为有一定形状、有一定层级的面片的方法,再进一步通过相关的数学建模和算法研究,以进行空间信息的表达和数据的组织管理,并使得数据的组织、管理、分析和应用具有高效性。平常我们接触到的经纬度体系其实就是一种常见的地理网格的表现形式。如今,随着数学工具的发展和计算机科学技术的进步,尤其是人类已经从信息时代迈入了数据时代,地理网格已经成为地理信息科学研究和大数据研究领域的一个重要的内容。

地理网格的意义

早期的地理网格的出现源于地图制图和栅格数据模型,很大程度上受到人类对地球空间的认知和传统纸质地图表达方式的影响,比如经纬度网格、方里网。在过去的几十年里,对地观测与导航定位技术的进步使地球测量技术发生了根本性的变化,以3S+C(GNSS、RS、GIS和Communication)为核心,现代测绘技术层出不穷,Lidar技术和无人机、倾斜摄影测量等已经完全取代并超越了传统测绘地理信息技术。传感器越来越多,除了对地观测技术带来的传统测绘数据,数据来源还包含各种新兴的网络社交媒体和各种可穿戴设备、移动终端、应用APP提供的个人行为数据,这些数据具有数据量大、更新速度快、多样化、蕴含价值等特点,让人类进入了大数据时代。由此人类社会得到的数据史无前列的丰富起来。在这些数据当中相当一大部分被称之为空间数据。据统计除了一些特定的数据,人类现有数据中大约有百分之八十的数据(比如餐馆的位置、作物的产量等、人类活动轨迹)均与人们生活的空间位置具有相关性,由此对于空间信息的处理与应用对空间计算能力要求越来越高,就需要有合适的新型数据组织形式以应对大数据时代的信息处理的挑战。

地理网格的应用需求

地理网格从古代开始就随着人类对地球的认知和宇宙的探索而出现,如古老的经纬度网格、井田制中的网格、计里画方网格等,现代的地理网格如方里网、美国的国家网格USNG、英国的国家网格BNGR等。我国的国家地理网格研究始于二十世纪八十年代,并于2009年发布了《地理格网》(GB/T12409—2009),这是一个推荐使用的国家标准。除了国家标准,一些商业公司也为了自己的产品和服务而推出了自己的地理网格,如凯立德的K码、Google公司于2015年4月推出的开放的位置代码(Open Location Code)等。

地理网格的研究一直在不断深入,原因在于在新的技术发展条件下迫切需要新的空间信息数据的组织形式。这种新的数据组织形式不仅需要满足数字环境下的计算机对空间信息大算的需要,同时这种新的数据组织形式也能满足科学大数据共享的需要。地理网格作为对地球球面空间进行划分的格网体系,具有较高的标准化程度,有利于开发面向空间数据库和几何操作的更有效的算法,在组织和表达全球范围海量空间数据,以及面向全球空间大数据的空间分析、建模、仿真等方面具有广阔的应用需求。

地理网格的作用

地理网格的作用很多,在很多领域里已经有了应用。例如,对复杂地理现象的表达可研究复杂的地学问题;对于自然与人文数据的表达,可研究人类社会问题;对于地理系统功能与行为的表达,可以研究人地关系等。现代技术的发展,使得地球测量技术突飞猛进,由此推动了地理网格的研究和应用。地理网格的作用已经由传统的地图位置框架和地理现象的表达,进化到了新的层面,主要包括地理空间数据融合、多源数据融合、地学综合分析、海量遥感数据的组织与管理、商业智能分析、物流组织与管理、大数据组织管理与分析等新应用。

地理网格研究的内容

地理网格的研究内容可主要概括为四个方面的内容:

一是地理网格系统的组成,主要研究包括地理网格应当采用什么样的几何形状、通过什么递归方式进行多级的划分。具体涵盖网格的格元、网格的格边和网格的格点。网格格元表达的是具有一定面积的对象的面状地物特征,而格点是对格元所在面状目标的特定空间位置和具有点状特征的对象进行了表达。网格格边是一个度量格元之间通量关系的一个因素。

二是地理网格如何编码。地理网格如何通过代数方式实现数字化的编码以便于后期的计算也是地理网格研究的核心问题之一,内容包括椭球或圆球空间参考系下的地理网格的系统构建、模型表达、代数编码。

三是地理网格的计算。这部分包括地理网格与真实椭球空间的误差分布、空间信息检索、空间关系计算、数据分发和应用等,这也是地理网格研究的前沿性和基础性科学问题。

地理网格作为地理空间信息的一种基础研究和底层技术,在平时的日常生活中总是隐性的为商业客户和公众应用提供服务,虽然看不到,但几乎无时无刻不渗入了我们生活的方方面面。关于地理网格的发展历史和当前的热点应用,将在后续的文章中介绍。

作者简介:李滨,北京大学GIS博士,地理空间信息学者,曾任职于NTT DATA、Leica 和Trimble 公司。目前主要研究兴趣包括空间信息三维建模、环境遥感、全球空天信息剖分格网理论与应用等。返回搜狐,查看更多

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