空間信息剖分組織的全球離散格網(wǎng)理論與方法

童曉沖

信息工程大學測繪學院，河南鄭州450052

空間信息剖分組織的全球離散格網(wǎng)理論與方法

童曉沖

信息工程大學測繪學院，河南鄭州450052

隨著對地觀測手段的不斷進步，在廣大區(qū)域甚至全球范圍應用遙感和其他類型空間數(shù)據(jù)的機率大大增加。構(gòu)建具有連續(xù)性、層次性和動態(tài)性的全球數(shù)據(jù)模型已成為廣受關(guān)注的重要研究方向。目前，全球空間數(shù)據(jù)組織處理模型的研究已經(jīng)取得了可喜進展，其中構(gòu)建“全球離散格網(wǎng)系統(tǒng)”（discrete global grid systems，DGGS），正是針對該問題提出的一種解決方案。

全球離散格網(wǎng)采用特定方法將地球均勻離散化，形成無縫無疊的多分辨率格網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)，采用格網(wǎng)單元的地址編碼代替?zhèn)鹘y(tǒng)地理坐標參與數(shù)據(jù)操作，其優(yōu)勢體現(xiàn)在：① 以整個地球為研究對象，更適合處理全球尺度的問題；② 對地球空間的同構(gòu)離散化，有助于數(shù)據(jù)統(tǒng)一建模、按需重組；③ 格網(wǎng)具有層次性，在結(jié)構(gòu)上支持多尺度數(shù)據(jù)表達；④ 數(shù)據(jù)操作采用編碼運算完成，更適合計算機處理。本文圍繞如何利用全球六邊形離散格網(wǎng)系統(tǒng)組織、管理和處理地球空間信息這一主題開展研究，在理論和實現(xiàn)方法上取得了一些進展。主要工作總結(jié)如下：

（1）從當今格網(wǎng)技術(shù)和空間信息技術(shù)發(fā)展這一大背景出發(fā)，闡述了建立全球意義上的離散格網(wǎng)系統(tǒng)的重要性，并在此基礎(chǔ)上詳細總結(jié)、分析國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。研究與分析表明，在三種能夠進行規(guī)則化空間剖分的幾何格網(wǎng)圖形（三角形、四邊形、六邊形）中，六邊形格網(wǎng)是排列最緊湊、采樣最高效、鄰域最一致的一種，因為它非常適合用作空間數(shù)據(jù)的建模和處理，并受到越來越多的重視，而且平面六邊形格網(wǎng)的各種優(yōu)點可以延續(xù)到全球格網(wǎng)系統(tǒng)上。

（2）創(chuàng)新了一種六邊形離散格網(wǎng)的空間層次結(jié)構(gòu)（hexagonal quad balanced structure，HQBS），采用四位碼元對格網(wǎng)單元進行編碼。定義并實現(xiàn)了格網(wǎng)向量的基本運算，利用這些運算可以方便地實現(xiàn)格網(wǎng)單元的空間索引、坐標轉(zhuǎn)換以及與十進制數(shù)的互換等功能。通過試驗驗證了相關(guān)算法的正確性與效率，為全球六邊形離散格網(wǎng)的建立奠定了理論基礎(chǔ)。

（3）從理論上證明HQBS擴展到球面的完備性，解決格網(wǎng)矢量的跨面運算難題，設(shè)計球面離散格網(wǎng)上的單元索引算法。提出一種評價離散格網(wǎng)幾何屬性最優(yōu)化的目標函數(shù)，使用遺傳算法優(yōu)化，得到了球面上有限層次內(nèi)最優(yōu)化條件下的直接剖分格網(wǎng)。利用最優(yōu)化格網(wǎng)提供的控制點數(shù)據(jù)，結(jié)合地圖數(shù)值投影變換理論，成功地構(gòu)建了幾何屬性更加均勻的全球六邊形離散格網(wǎng)系統(tǒng)。試驗表明，相對于現(xiàn)有Snyder等積投影建立的全球格網(wǎng)，在格網(wǎng)單元的均勻度上更優(yōu)；在運算效率方面，速度大約是Snyder投影的2.5～3倍。

（4）將空間數(shù)據(jù)模型的記錄與表達問題分開，設(shè)計矢量數(shù)據(jù)的記錄方式和格網(wǎng)快速填充算法，解決球面上矢量表達的跨面難題。提出矢量數(shù)據(jù)內(nèi)插的高精度表達方法，將線狀矢量數(shù)據(jù)在全球格網(wǎng)上的表達誤差嚴格控制在一個格網(wǎng)單元內(nèi)。試驗表明，在全球格網(wǎng)上進行矢量表達的過程中，單位時間內(nèi)計算單元的數(shù)目是相對穩(wěn)定的，平均效率能達到1 700～5 300單元／ms。利用多點內(nèi)插的方式，實現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)的格網(wǎng)表達。通過誤差傳遞理論和頻率域采樣定理從理論上證明，并經(jīng)過實踐驗證了遙感圖像在格網(wǎng)表達過程中最大灰度內(nèi)插損失約為1.6個灰度級，內(nèi)插效率可以達到約3 000單元／ms。

（5）設(shè)計并實現(xiàn)全球離散格網(wǎng)的動態(tài)生成算法、格網(wǎng)的空間可視化方法以及空間數(shù)據(jù)在全球格網(wǎng)上的調(diào)度、顯示與綜合的原則。試驗表明：全球格網(wǎng)動態(tài)生成的效率110～370單元／ms之間，可視化過程中格網(wǎng)數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)逐層加載的時間在300ms左右，能夠保證加載空間數(shù)據(jù)后的顯示刷新率在20幀／秒左右。

（6）針對離散格網(wǎng)的距離定義、鄰域和卷積等空間域操作，以及形態(tài)學處理、Voronoi圖的生成、空間拓撲關(guān)系、量測系統(tǒng)等若干應用問題展開討論，通過具體的分析與例子充分展示了全球離散格網(wǎng)系統(tǒng)在空間數(shù)據(jù)分析、處理及應用方面所具有的潛力。

ThePrinciplesandMethodsofDiscreteGlobalGridSystemsforGeospatialInformation SubdivisionOrganization

TONGXiaochong
Institute of Surveying and Mapping，Information Engineering University，Zhengzhou 450052，China

1001－1595（2011）04－0536－01

P237

D

國家863計劃（2009AA12Z218）；國家自然科學基金（40671163）；信息工程大學博士基金

2011－03－22

童曉沖（1982—），男，講師，2010年畢業(yè)于信息工程大學測繪學院，獲測繪科學與技術(shù)專業(yè)工學博士學位（指導教師：張永生教授）。主要研究方向：全球離散網(wǎng)格系統(tǒng)、攝影測量遙感、數(shù)字圖像處理。

Author：TONG Xiaochong（1982—），male，lecturer.He received his doctorate from Institute of Surveying and Mapping，Information Engineering University in 2010.His research interests include discrete global grid systems，photogrammetry and remote sensing，digital image processing.