2016年12月13日，程承旗教授在“中關村大數據日” 時空大數據論壇做主題演講

地球空間參考網格國際國內發展概述

隨著科學技術的快速發展，地球空間信息涉及范圍已經從地球表面擴展到了地下、水下、空中，乃至太空。如何在海、陸、空、天尺度上準確地描述實體位置與區域，實現統一標識，從而統一組織管理海陸空天的海量數據，已成為亟待解決的問題。地球空間參考網格將地球空間劃分為形狀相近、大小規則的多層次體元（或面片），可以為解決該項問題提供空間劃分與標識的參考基礎。

發展全球性的空間參考網格，一直是學術界關注的重點。如美國國家格網USNG（United States National Grid）、英國國家格網BNGR（British National Grid Reference）和中國國家地理網格等。除了各項國家標準外，在軍事應用中空間參考網格體系也有重要的發展，其中美軍發展的軍用網格參考系統MGRS (The Military Grid Reference System，在美國范圍USGN與MGRS完全一致)、GARS（Global Area Reference System）等，已作為美軍空地坐標表達的全球地理位置編碼標準，滿足作戰系統與指揮機構協同運作的需要。然而，這些網格系統局限在地球表面空間，尚不能稱為包括整個地球立體空間的地球空間參考網格。

目前，國內外對具有立體空間概念的地球空間參考網格研究已取得了一定的進展，包括Yin-Yang格網、Ballard 格網、Cube-sphere 格網、球體退化八叉樹格網等。發展一套能對三維地球球體空間直接進行遞歸剖分，與現有地球表面網格體系具有一致性，且能完整表達空、天、地、地下數據的地球空間參考網格是目前學術界關注的熱點。

地球空間參考網格的定義

人類主要活動的空間稱為地球空間，主要包括地表及地下（水下）空間、地表至20公里的航空空間、20至100公里的臨近空間、100至50000公里的衛星空間。本文提出的地球空間參考網格定義為將地心至地球外圍5萬km的地球空間進行某種方式的剖分，構成的空天地一體化的網格框架。

根據地球空間參考網格的定義及其實際應用需求，對于地球空間參考網格體系具有以下三點設計要求：

（1）立體性：地球空間參考網格覆蓋整個地球立體空間，包括自地心至50000公里高空的地球空間。地球空間參考網格應該對整個地球立體空間進行網格劃分及編碼。

（2）二三維一致性：地球空間參考網格與地球球面參考網格具有一致的映射關系。地球空間參考網格可以轉化為二維地球球面上的參考網格框架，從而能夠表達已有的二維地球球面上的空間信息。

（3）包容性：地球空間參考網格應與經緯度等主要標準網格建立較好的轉換關系，從而能夠更好的適用于輔助已有的標識體系。

以上三點應作為地球空間參考網格設計的基本要求。

GeoSOT地球空間參考網格及其編碼

在國家973項目支持下，本文提出了一套空天地一體化地球空間參考網格技術體系：2n一維整型數組的全球等經緯度剖分網格系統（Geographical coordinate global Subdivision grid with One-dimension-integer on Two to n-th power，簡稱GeoSOT）。GeoSOT網格設計的核心思想是：對自地心至地球外圍5萬km的地球立體空間，進行八叉樹剖分，并且將地球經緯度空間進行三次擴展 （將地球及其鄰近經緯度空間擴展為512°×512°×512°，將1°擴展為64′，將1′擴展為64″），從而實現整分整度整秒的剖分網格，形成一個大到整個地球空間（0級）、小到厘米級體元（32級）的多尺度八叉樹網格樹，同時涵蓋4?、2?、1?、2′、1′、2″、1″、0.5″八個基本體元或面片。其網格劃分方式的核心思路如圖1所示。

圖1 GeoSOT地球空間參考網格劃分方式

其中，基于經緯度坐標的地球立體空間如圖2所示，其經緯度坐標以本初子午線與赤道的交點為原點。緯圈為等間隔、等長的直線，經線為與緯線垂直的、等間隔、等長的直線，經線長度與緯線長度之比為1:2，北極點、南極點成為與緯線平行且等長的直線；緯度范圍是-90?到90?，經度范圍是-180?到180?。在空間高度上，以參考橢球中心為0，空間高度最大到為512?，地球表面大約在高度為180?/π附近，最大高度離地面大約為5萬公里。設定高度單位是度分秒，參考橢球參數，建立空間高度單位與千米、米的換算關系：D?×πR/180?=H km。其中，R為地球平均半徑，H為地心與該經緯度平面的高程。

圖2 地球立體空間示意圖

在GeoSOT八叉樹經緯度剖分網格的基礎上，我們對網格構建一一對應的層次性編碼。第0層為整個地球立體空間，標記為G，自G開始每一級網格都在上一級網格基礎上采用Z序編碼，Z序編碼方向與該網格所在1級網格相關。（如圖3所示）GeoSOT網格編碼共具有四種形式：八進制1維編碼、二進制1維編碼、二進制3維編碼、十進制3維編碼。這四種形式是完全對應、一致的，并且相互之間可以方便轉換。

圖3 GeoSOT八叉樹剖分編碼方式

GeoSOT地球空間參考網格編碼最長采用32位8進制數值（0、1、2、3、4、5、6、7）,第1-9位是度級網格編碼,第10-15位是分級網格編碼,第16-21是秒級網格編碼,第22-32位是秒以下網格編碼；編碼長度表示網格層級，編碼長度越長，網格越細；書寫編碼時,前面以G開頭，度分秒級編碼以“-”隔開，秒以下編碼以“.”隔開,形式如下：

Gddddddddd-mmmmmm-ssssss.uuuuuuuuuuu

當GeoSOT地球空間參考網格高度為大地高時（或地球平均半徑），此時高度維退化，真三維地球空間參考網格框架就變為二維球面上的參考網格框架，我們稱之為GeoSOT球面參考網格。二維球面的網格劃分方式為：對地球表面空間進行四叉樹剖分，并且將地球經緯度空間進行三次擴展(將地球表面經緯度空間擴展為512°×512°，將1°擴展為64′，將1′擴展為64″)。其中，地球表面空間以赤道與本初子午線的交點為原點，緯度范圍是-90°到90°，經度范圍從-180°到180°。

GeoSOT球面參考網格編碼與GeoSOT地球空間參考網格編碼形式與結構一致，GeoSOT球面參考網格也采用Z序編碼，并具有四種形式：四進制1維編碼、二進制1維編碼、二進制2維編碼、十進制2維編碼。

 GeoSOT地球空間參考網格特性分析

GeoSOT地球空間參考網格體系具備以下幾個特點：

（1）立體性：GeoSOT地球空間參考網格完整覆蓋自地心至50000公里高空的地球空間，將整個地球及鄰近空間分成約56萬億個1至32級尺度的體元，每個體元都有一個唯一的整型編碼。

（2）立體網格與球面網格的一致性：當GeoSOT地球空間參考網格高度為大地高時（或地球平均半徑），此時高度維退化，真三維地球空間參考網格框架就變為二維地球球面上的參考網格框架。因此，GeoSOT立體空間參考網格與球面空間參考網格形成無縫連接，立體空間參考網格也能無縫關聯球面數據。

（3）包容性：GeoSOT的網格與經緯度標準網格具有良好的包容關系，GeoSOT網格包容了國內外主要的測繪、氣象、海洋、國家地理網格。通過公式運算和推演，已證明GeoSOT的基本面元能夠聚合成國外的GeoWeb、Georef、GARS、MaidenheadGrid Squares、NAC、DTED、MGRS、USNG等，以及國內的航空圖分幅、氣象分幅、海圖分幅、國家地理格網、國家標準比例尺地形圖分幅等，GeoSOT與國內外重要網格都具有良好的包容性。

（4）空天地數據的高效表達：GeoSOT地球空間參考網格的體元是多尺度的，并且每一尺度的體元均無縫、無疊充滿著整個地球立體空間，因此理論上任何空天地數據都可以用相應的體元或面片聚合而成。包括：傳統的測繪、氣象、海洋、遙感數據等地球表面信息，以及海洋水下數據、氣象云體數據、重力場電磁場數據等各類空天信息。（如圖4）

圖4 GeoSOT表達點對象示意圖

（5）支持空天地動目標的統一組織與表達：GeoSOT的地球空間參考網格框架，為空、天、地、地下動目標的表達提供了一種新的組織、管理與表達方式。由于GeoSOT空間網格充滿著整個地球空間，任何一個動目標只要賦予空間網格編碼及時間屬性，就能實現地球空間范圍內，動目標的描述、管理與表達。對每一個目標表達時，我們都采用（C,T,A）三元組進行描述，其中C為若干個體元（面片）的集合（C0C1…Cn），T記錄時間屬性，A為對象的基本屬性信息的集合（A0A1…An）。

（6）空天地數據的統一關聯：基于GeoSOT地球空間參考網格及其編碼，即可以為各類空天數據賦予唯一空間區位標識，這些數據在邏輯上就形成了在地球空間上的統一關聯。

應用前景展望

有利于發展空間大數據區位標識體系

隨著科技的進步，數據呈現爆炸式的增長，大數據這一概念逐漸受到各界的廣泛關注。目前較公認的4V定義認為，大數據需要滿足4個特點：規模性（volume）、多樣性（variety）、高速性（velocity）、價值性（value）[8]。空間大數據是指蘊含了空間含義的大數據。這些空間大數據具有數量巨大、種類繁多、數據結構復雜、計算密集型的特點，如何有效地存儲、管理、共享，并從中挖掘有效信息，成為迫切需要解決的問題。

由于所有空間大數據都蘊含了空間含義，它們都可根據其空間含義在數據屬性中附加區位屬性。這一區位屬性可能直接包含在已有數據屬性中，如遙感衛星影像中包含拍攝區域的區位屬性，又如社交網絡中發布的文字帶有發布時所在的位置屬性；另外，這一區位屬性可能隱含在數據對象中，如文本、視頻的內容隱含了區位含義。因此，區位屬性可作為空間大數據的基礎屬性。

因此，發展空間大數據統一的空間區位標識體系，對于空間大數據的管理與應用具有重要意義：首先，有利于構建一套統一的空間區位標識方法，用以表達大數據本身所包含的空間區位屬性；其次，借助這一空間區位標識，能夠將不同對象之間的K維關聯降為1維關聯[9]；最后，基于統一的空間區位標識，提供了一套對地理位置量化的記錄方式，有利于展開對不同對象之間地理空間關聯程度的度量與計算。從而，通過標識編碼、降維、計算與度量，能夠為空間大數據分析奠定基礎。

有利于發展空間信息基礎設施數據區位標識與交換標準

國家空間信息基礎設施(Spatial Information Infrastructure, 簡稱SII)是支持空間信息網絡傳輸、交換、共享和集成應用的公共通信網絡平臺、數據網絡系統及其相關的技術體系和組織體系[10]。我國國家空間信息基礎設施的建設快速發展，在服務平臺搭建、關鍵技術研究、標準研制等方面取得了顯著的成績。盡管如此，空間信息基礎設施本身的發展還面臨著迫切需要解決的問題。目前，各類專業應用標準之間缺乏必要的協調，相關產業也迫切需要發展產品標準規范，如導航電子地圖等地理空間信息標準急需出臺，這有利于空間信息的統一管理與交換，有利于全國甚至全球范圍內的空間信息基礎設施建設。

加強地理空間信息區位標識標準化工作，特別是地理空間信息區位標識分類與編碼標準、地理空間信息數據區位標識交換格式標準等需求迫切?；诘厍蚩臻g參考網格建立統一的地理空間數據區位編碼，有利于發展一套能將遙感數據、基礎地理數據等統一關聯的區位標識體系，并有利于進一步發展各部門數據交換的統一標準，對于遙感數據與基礎地理數據統一管理、各部門數據聯合應用等具有重要意義。

有利于發展統一的遙感對地觀測數據組織技術

遙感對地觀測系統涉及多種類型衛星，包括遙感衛星、測繪衛星、定位導航衛星、氣象衛星、海洋衛星等。當前，各部門不同類型的衛星數據組織規格不一（景、條帶等），如測繪、氣象、海洋等不同部門的數據規格大多不一致，對各部門之間信息共享和聯合應用造成一定困難 [11]；同時，同一傳感器產生的觀測數據在不同數據處理流程中（從數據接收、初級處理、高級處理，到應用展示、產品分發）分塊規格也不一致，這增加了很多額外的處理工作量，也在一定程度上制約了空間信息產品的應用時效性。

基于GeoSOT地球空間參考網格與現有各部門主要網格具有包容性的重要特性，可以發展遙感對地觀測數據統一的分塊規格，能將現有的多源異構遙感數據統一組織起來，提高跨部門空間信息交換共享與拼接的便捷性，為空間信息聯合應用奠定更好基礎。

有利于發展新型導航定位網格編碼技術

與傳統的經緯度定位方式相比，導航定位網格編碼不僅能夠標識導航定位過程中的空間位置，還能表達空間對象的區域范圍。目前，國外已經進行了導航定位網格編碼的應用嘗試，例如美國的國家地理網格USNG已經在導航終端中顯示用于輔助經緯度標識，在日本車載導航中廣泛使用的MapCode等。

空天地一體化的地球空間參考網格可以作為發展新型導航定位網格編碼的基礎，利用這套新型導航定位網格編碼，對導航數據進行統一組織與表達。由于新型導航定位網格與空天地一體化地球空間參考網格的統一，通過地球空間參考網格能將其他空間信息快速關聯到導航定位網格中，進而為位置服務技術體系提供一種新型的信息關聯服務。

有利于空天地及地下目標的真三維表達與管理

目前對地理信息的表達與管理方式主要為2維或2.5維，僅表達了對象的位置及包絡面信息，尚不能完整表達出地理對象的空間內部特征和變化規律[12]。而球面空間參考網格也如2維或2.5維一樣，僅表達了對象在地球表面的投影位置，無法對立體對象進行真實的描述。真三維空間表達考慮到了將z值作為連續的多個值出現，將（x,y,z）化為實體區域，不僅能夠描述對象的表面信息，還能夠描述對象實體的內部信息。

由于GeoSOT地球空間參考網格的體元彌漫在自地心至地球外圍5萬km高空，每一尺度的體元均無縫無疊地充滿著整個地球立體空間，因此理論上任何空、天、地、地下目標都可以用相應的體元或面片編碼實現真三維表達，從而實現在地球空間參考網格上的統一管理。目前，基于該地球空間參考網格體系已經建立了對地球立體對象的真三維立體表達模型，每一體元都可記錄立體對象的屬性信息，例如濕度、溫度、濃度等。

有利于發展更高效的數字地球平臺技術

數據球已經成為信息承載與表達的主要形式，現在的問題是，現有的數據球數據組織骨架自成體系，如Google、Worldwind等，與我國的測繪、氣象、海洋數據網格規格標準大多不一致。另外，由于這些數據球骨架沒有地球立體空間的剖分設計，對各高度層級的空天地數據難以進行真實有效的表達、組織與管理。

因此，基于新型的地球空間參考網格技術，利用其與現有各部門數據規格包容的優勢，發展一種更高效的數據球平臺，在其上進行各部門數據的綜合展示、表達與管理，具有重要意義。

建議：我國應形成自有技術體系及相應的國家標準

地球空間參考網格設計是一個關乎全局的問題，需要夯實科學基礎，加強頂層設計。特別是在我國中長期發展規劃中，需要特別關注這類全局性基礎問題的研究，應逐漸形成我國自有的技術體系及相應的國家標準。目前，國家973、863等研究成果為發展我國自主的地球空間參考網格技術奠定了一定的理論基礎，可以為頂層設計提供一定的技術參考，但尚需進一步開展基礎研究，特別是加強在各部門的應用效能驗證研究。

本文以地理信息科學的發展及地球參考網格的研究進展為背景，提出了新型地球空間參考網格的概念，闡述了GeoSOT地球空間參考網格及編碼的技術框架，基于地球空間參考網格提出了對地球信息科學發展的應用設想，同時以GeoSOT為例正在進行著不斷的嘗試和探索。本文希望能起到拋磚引玉的作用，引發更多學者同仁對地球空間參考網格的思考，并希望為創建我國地理空間信息統一組織區位標識標準提供理論支持。