2. 北京大学工学院, 北京 100871;
3. 西藏民族大学信息工程学院, 陕西 咸阳 712028
2. College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China;
3. School of Information Engineering, Xizang Minzu University, Xianyang, 712028, China
在地理空间信息的实际应用中，空间数据种类繁多、关系复杂，且不同行业有不同内容的专业信息，地理空间数据的生产、维护分散在不同的单位且采用的数据标准各异，造成了部门或系统之间、不同历史阶段之间标准不统一[1-2]。而地球空间参考网格将地球空间划分为形状相近、大小规则的多层次面片，为解决以上问题提供了空间划分与标识的参考基础。
发展全球性的空间参考网格，一直是学术界关注的重点。如美国国家格网USNG、英国国家格网BNGR和中国国家地理网格等，都在试图建立有关国家或地区的统一参考网格。国外许多研究机构也在探索采用统一的地球空间参考网格进行多源异构数据的统一组织与管理，如Google采用的Google Earth和Google Maps网格、Microsoft采用的Bing Maps网格、NASA采用的Worldwind网格等，但这些网格系统主要是管理特定行业的数据，与我国的地理信息网格 (如国家地理网格、地图图幅体系等) 缺少对应关系，用其来承载地理信息产品需要大量的数据转换工作，且这些网格对应的地球空间尚局限在地球表面，难以描述地球立体空间信息[3-7]。近年来针对地震波模拟计算提出的Ballard格网、Yin-Yang格网等，是对地球球体进行递归剖分的立体网格，但这些立体网格大多局限在某一个具体的专业应用领域，并存在二、三维不统一，格网的地理一致性缺乏等 (未考虑兼容现有不同规格数据产品等问题)，仅涵盖地球球体空间，仍难以满足多源异构全球空间地理信息一体化数据管理需求[8-15]。
发展一套能对三维地球体空间直接进行递归剖分，与现有地球表面网格体系具有一致性，且能完整组织地理空间数据的地球空间参考网格，是全球空间信息高效组织的迫切需求。文献[16-20]提出了2 n一维整型数组地理坐标的全球剖分网格GeoSOT (geographical coordinate global subdivision based on one-dimension-integer and two to n-th power，GeoSOT网格)，通过3次地球扩展，实现整度、整分的四叉树剖分，形成一个上至地球 (0级)、下至厘米级面元 (32级) 的多尺度四叉树剖分网格。本文以GeoSOT网格为基础，研究了基于全球剖分网格的地理空间信息保障服务技术，设计全球空间信息剖分管理技术原型系统，为海量多源异构空间数据统一组织提供了新的理论方法和技术手段支撑。
1 地理空间信息保障服务系统数据管理需求地理空间信息保障库是国家高分专项地面应用体系的重要组成部分，负责高分测量控制点数据、正射影像 (DOM)、数字高程模型 (DEM)、矢量地形数据、地球重力数据、地球磁力数据等的统一组织与管理，包括有基础空间数据处理、数据库管理、全球数据无缝分层组织、数据球瓦片服务、数据周期更新和数据发布分发服务等应用功能。在上述应用功能基础上，为更好地向各类高分用户提供从处理到服务的保障能力，地理空间信息保障库对空间信息综合保障服务提出以下需求。
(1) 数据动态监控对全局展示需要。负责管理高分地面应用过程中所涉及的各类基础地理空间信息，管理的数据具有多源、异构、海量等显著特点。在如此庞大的数据体系下，用户和系统管理员都难以直观准确掌握：“库中数据覆盖了哪些区域？某个区域有什么类型数据？哪些区域有最近更新的数据？某个区域最新的数据有什么？哪个区域还有数据覆盖缺口？”等信息。因此，从数据资源实时动态管控的角度，地理空间信息保障库亟需增加一项数据资源全局展示功能。
(2) 多源异构数据关联检索需要。地理空间信息保障库管理的数据类别涵盖了控制点、DOM、DEM、矢量、重力、磁力、瓦片等多种类型。目前，主要采用以经纬度、地名、ID码等多种关键词为索引的数据库编目组织技术，由于数据相互间关联关系多维 (具有K维关系)，索引复杂，信息汇集时常常存在找不到或找不全的情况。同时，库中新增加数据记录时，数据库已有数据常常不易快速建立关联关系，直接影响数据汇集的完整性与时效性；而且不同系统的网格不一致、同一系统不同数据区域的网格也不一致，当跨区、跨库进行数据整合时难以发挥网格高效检索和自动关联的优势。因此，发展具有全球统一网格编码的数据索引技术成为发展方向。
(3) 多源异构数据多尺度服务需要。根据设计规划，地理空间信息保障库面向各级各类用户，提供从处理到服务的基础地理空间信息全链路保障能力，不同用户在不同阶段要求数据尺度多样，因此要求地理空间信息保障库必须提供多尺度的数据服务。
2 基于全球剖分网格的地理空间信息保障服务技术全球剖分网格是一种用来作为栅格、矢量、属性等不同类型空间数据分块依据和索引框架的空间地理网格，可作为地理空间信息保障库空间数据网格索引、自动关联、全局展示和模版库构建的统一参考基础。
根据地理空间信息保障库业务应用需要，按照“地理空间信息保障库信息全球统一网格化编码管理”的思路，基于全球剖分网格的地理空间信息保障服务系统包括由地理信息预处理子系统、地理信息网格关联检索子系统、资源全局展示于监视子系统、多尺度数据服务子系统等部分组成。地理信息预处理子系统，主要负责控制点、DOM、DEM、矢量、重力、磁力、瓦片等各类数据网格编码标识的统一生成。地理信息关联索引子系统，在多源异构数据统一网格编码的基础上，负责剖分索引大表的构建和管理，并提供编码查询、关联查询、空间查询等检索服务。资源全局展示与监视子系统，负责将地理空间信息保障库中各类数据资源按其空间剖分编码可视化展示在对应网格中，实现地理空间信息保障库信息资源的全局展示和可视化动态监控。多尺度数据服务子系统，负责在全球逻辑划分中，为各级给类用户，提供在线服务和多尺度的数据下载服务。
2.1 基于全球剖分网格的数据编码索引大表在全球网格划分与剖分编码的基础上，地理空间信息保障库中控制点、DOM、DEM、矢量、重力、磁力及其他相关数据，其原有分幅、分景、分区划体制不需要变化 (即不需要做物理上的分幅分景改动)，只需按其所在地理空间位置及 (覆盖) 范围赋予相应的网格编码，即根据空间坐标范围建立与网格单元 (剖分面片) 之间的空间对应关系，就可实现空间多源异构数据在逻辑上的统一编码，如图 1所示。在此基础上，以数据剖分编码为基础，构建跨库、异构数据的统一网格编码索引大表。
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| 图 1 数据网格编码索引原理示意图 Fig. 1 Schematic diagram of data grid encoding index |
2.2 基于全球剖分网格的数据关联检索
依托地理空间信息保障库多源异构数据统一网格编码索引大表，不同空间数据之间可以通过剖分编码有机地关联在一起，并通过标识编码计算它们之间的空间关系，从而形成空间拓扑查询、空间关联查询等能力 (见图 2)。在实际使用时，用户就可以通过剖分面片编码查询关心区域的关联数据集。
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| 图 2 数据关联检索原理示意图 Fig. 2 Schematic diagram of data association retrieval |
2.3 基于全球剖分网格的数据全局展示
以全球剖分网格为基础，依托网格编码索引大表，将保障库中各类数据资源按其空间剖分编码可视化展示在对应网格中，可以实现保障库信息资源的全局可视化展示和动态监控；在此基础上，还可实现基于剖分索引大表的可视化数据快速查询 (见图 3)。
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| 图 3 数据全局展示原理示意图 Fig. 3 Schematic diagram of data global display |
2.4 基于全球剖分网格的多尺度数据服务
根据不同用户在不同阶段要求数据尺度多样性，地理信息保障库提供从处理到服务的基础地理空间信息全链路保障能力。各级用户只需要根据各自的需求从理空间信息保障库中下载所需要的标准化数据。
3 基于全球剖分网格的地理空间信息保障服务原型系统设计与实现按照“地理空间信息保障库信息全球统一网格化编码管理”的思路，依托基于统一网格编码地理信息预处理技术、多源数据关联的地理信息关联检索技术、多源多尺度数据统一的资源全局展示与监视技术、多尺度数据服务技术研究的基础，进行了基于全球剖分网格的地理空间信息保障服务原型系统的开发与技术验证。
3.1 体系架构整个软件系统分为3层结构，分别为数据预处理层、数据索引检索层、数据服务层，如图 4所示。数据预处理层主要包括地理信息网格编码预处理组件；地理空间信息保障库数据经数据预处理层的处理分析后，进入数据索引检索层构建一体化网格索引；在保障数据一体化网格索引的基础上，以数据网格编码为纽带，依托资源全局展示与监视子系统，使用多尺度数据服务子系统，向用户提供数据下载服务。
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| 图 4 系统体系结构示意图 Fig. 4 Structure diagram of system architecture |
根据地理空间信息保障库信息全球统一网格化编码管理的思路，结合地理空间信息保障库的主要数据保障业务流程和系统体系架构，基于全球网格的地理空间信息保障服务系统主要工作流程如图 5所示。
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| 图 5 地理空间信息保障服务技术流程图 Fig. 5 Flow chart of system working |
3.2 原型系统组成与技术验证
技术原型系统分为剖分编码生成器、剖分管理子系统、剖分查询检索子系统、剖分分发子系统、手机端高分数据剖分应用APP，硬件试验连接如图 6所示。
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| 图 6 原型系统硬件试验连接示意图 Fig. 6 Connection diagram of hardware test for prototype system |
系统实现功能主要包括空间数据剖分编码生成、剖分查询、剖分统计、剖分下载、APP服务等，部分实例如图 7—9所示。
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| 图 7 剖分查询实现 Fig. 7 Implementation of subdivision query |
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| 图 8 剖分统计实现 Fig. 8 Implementation of subdivision statistics |
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| 图 9 手机端高分数据剖分应用实现 Fig. 9 Application implementation of high resolution earth observation data subdivision in mobile phone |
基于GeoSOT网格与编码理论搭建的地理信息保障服务原型系统，通过剖分编码生成、剖分查询、剖分统计、剖分下载、APP服务等功能的实现及测试，实际验证了GeoSOT剖分网格应用于地理空间信息保障库系统开发的科学性、合理性、有效性。
4 结束语本文以地理空间信息保障库核心支撑系统地理空间信息保障服务系统研究设计为背景，提出了新型地球空间GeoSOT网格与编码作为统一组织基准的技术实现方法，实现完成了技术原型系统研制。总体而言，基于地球剖分网格的地理空间信息保障服务系统技术特点如下：
(1) 地理空间信息保障服务系统，采用四叉划分剖分的GeoSOT网格，有利于计算机组织与管理；在秒级以上的剖分面片均为整度、整分、整秒，可聚合成国家测绘地图、航空、气象、海图等规格数据产品，对现有的测绘数据具有很好的继承性。
(2) 地理空间信息保障服务系统，采用整型一维二进制的GeoSOT编码，所有的查询检索操作均为整型运算，利用计算机二进制位操作实现，使得数据查询检索效率得到了根本性提升。
(3) 地理空间信息保障服务系统，采用GeoSOT编码，具有全球唯一性和地学含义，可方便实现全球统一的基于空间区域组织的数据索引机制，便于各种不同类型的空间信息产品形成较好的区位关联关系。
基于地球剖分网格的地理空间信息保障服务系统的以上技术特点和优势，为发展我国统一的各类空间地理信息大数据组织管理系统建设奠定了坚实的理论基础。
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