地理網格技術標準化的現狀分析

郭玉芳，武慧琳，兀 偉，趙 鑫

（1. 自然資源部測繪標準化研究所，陜西 西安 710054）

地理網格是一種對地理空間進行位置劃分的方法。我國商周時期出現的“井田制”就是地理網格的一種體現和應用，“井田”即按照特定的標準和規劃、面積和邊際劃分的方塊田，對地球表面進行了網格劃分，從而進行土地的耕作和管理；后漢時期張衡利用“網絡天地而算之”創建了矩形格網坐標系統，開始賦予格網以二級坐標和方位的含義。在西方，埃拉托色尼創立了古老的經緯網系統，并在基礎經緯網上疊加了一套被稱為“普林特框格”和“斯弗拉吉德斯框格”的幾何圖形，組成了地圖的第二級網格系統，作為一級經緯網格的補充，便于標明各地區的位置和范圍[1-5]。自1929年芬蘭地理學家格蘭里奧采用1 km格網分析自然與社會現象以來，以各級尺寸格網為基本研究單元的地理分析逐漸發展成為一種地學分析方法[6]。美國的圣地亞哥和加拿大的多倫多將網格地圖應用于人口預測和交通管理，并沿用至今。近年來，高分辨率遙感技術、高精度空間定位技術以及現代網絡通信技術的迅猛發展，已使地理網格技術飛躍到信息時代的新階段和新水平，它不僅適應于定位精度不高的區域性地理現象空間分布的表達，而且為全球范圍內統一描述和表達復雜、多樣的地理現象提供了可靠的理論基礎[7]。本文梳理分析了國內外地理網格技術的標準化現狀與進展，剖析了不同地理網格標準的技術特點和應用簡況，為地理網格技術在多源空間數據組織、管理、融合等方面的應用提供借鑒。

1 國際地理網格標準化進展

以美國、英國為代表的發達國家對地理網格技術的研究起步較早，并投入了大量的人力和物力進行基礎性研究。2000年2月美國政府啟動了全球信息網格GIG研究，投入的基礎研究經費高達5億美元。GIG項目由美國國防科技局特別小組提出，期望實現計算機網、傳感器網和武器平臺網的聚合優化，面向不同層次用戶提供所需信息，過濾不需要的信息，并逐步形成用戶所需的知識，輔助決策形成。目前，地理網格技術的應用在美國已頗為廣泛，涉及能源、交通、氣象、水利、農林、教育、環保等領域。

1.1 美國、英國等國家發展現狀

美國針對不同應用目的研發了多種地理網格系統，如美國國家格網（USNG）、美國軍方格網參考系統、全球區域參考系統等，其中最具代表性、應用最廣泛的是USNG。美國聯邦地理數據委員會于2001年發布了USNG，即美國全境范圍內統一的國家格網參考系統。首先在全國范圍按統一經差6°和緯差8°剖分形成GZD；再基于通用橫軸墨卡托投影（UTM）坐標，在投影帶內經線方向以中央經線為起點，緯線方向以赤道為起點，按100 km長度等距離劃分形成第二級網格；依此類推，進一步劃分得到1 km、100 m、10 m、1 m 等不同級別系列網格。一級網格編碼采用投影帶加字母標識，一級以下各級采用十進制層次結構編碼，實現了美國國土范圍的統一網格化離散和代碼標識[8]（圖1）。

圖1 美國國家格網劃分方法

基于USNG 標準，美國對街道和興趣點地址進行地理編碼，建立各類地址的格網索引，即二維空間地址，如地址1849 C Street NW, Washington, DC 的地理編碼為18S UJ 228070。同時，USNG 網格結合相關工具軟件，可實現USNG 網格與不同參考系坐標的轉換，解決了不同類型、不同坐標系下地理信息數據的共享問題，從而推動了地理信息數據更好地服務于民眾，在街道管理、郵政傳遞、交通旅游、移動通信等民用領域中取得了較好的效果，為空間位置服務提供了新模式。

英國國家網格是由英國陸軍測量局設計建立的統一國家網格參考系統，基于英國地形測量空間基準，采用Airy1830橢球，以UTM為平面基準，以2°W、49°N為原點，從原點向北和東為正方向進行網格劃分，網格規格包含邊長500 km、100 km、50 km、10 km、5 km、1 km、500 m、100 m、50 m、10 m、5 m、1 m 等同級別系列網格，任意一點位置均可采用國家地理網格來描述（圖2）。英國國家網格用于確定英國測量局各種數據的二維空間位置坐標，是針對英國境內的局部網格，其編碼采用層次結構編碼法，代碼包含字母、方位和十進制數字，實現了英國國土范圍的統一網格化離散和代碼標識。

圖2 英國國家網格剖分示例

英國國家網格以覆蓋整個國家的正方形網格為基礎，按照分層級、等距離原則構建多級網格系統，所有英國地圖均覆蓋格網，人們可容易并精確地查找任意一點的位置。為推動國家網格的應用，英國測量局的官網上提供了應用軟件工具，既可實現格網編碼與不同坐標系之間的轉換，也可進行具體地址的格網編碼查詢，即利用網格確定二維地面位置，從而實現了任何陸地范圍、探險或室外休閑的定位與位置服務。

1.2 開放地理空間信息聯盟

開放地理空間信息聯盟（OGC）在2017年發布的《全球離散網格系統抽象規范》（DGGS），對地球表面進行分層離散化剖分形成了曲面上網格單元，擁有單元結構、地理編碼、量化方法和相關數學函數等特性，是一套基于分層嵌套的等面積網格單元對整個地球進行按層級規則劃分形成的坐標參考系統[9]。其特點是以地球為中心，形成一個全球覆蓋的、簡潔的全球離散網格系統，由面積相等的空間單元構成，并符合DGGS 要求的基本特征，具備全球范圍、按層系列剖分、面積固定、單元結構、彼此嵌套和空間參考等特征；可支持量化操作、代數運算操作和互操作等一致性DGGS 操作所需的核心功能算法。同時，為滿足更多應用需求，DGGS 可通過進一步增加功能來擴展，特別是DGGS利用OGC Web服務架構擴展附加支撐功能和互操作性，如Web OGC網絡覆蓋服務和網絡覆蓋處理服務接口。

2 我國地理網格標準化現狀分析

我國對地理網格技術的研究亦非常重視，2002年4月科技部召開了“網格戰略研討會”，確認將網格的研究和應用列為“863 計劃”的一個專項，專項投資啟動了“中國網格”建設。同時，知名大學和研究機構也相繼開展各種網格研究[10-11]，如李德仁[12]等從網格技術和信息網格出發，研究了如何在網格環境下實現從數據到信息再到知識的升華以及基于網格的空間信息服務；周成虎基于微分幾何原理形成了一套新的地理格網系統，使現代遙感、全球定位等領域的數據更加便利地應用于地理信息系統。在地理網格標準化方面，我國目前已發布實施的國家標準和地方標準主要包括國家標GB/T 40087-2021《地球空間網格編碼規則》、GB/T 12409-2009 《地理格網》、GJB 8896-2017《地球表面空間網格與編碼》、DB 4201/T479-2015《武漢市空間管理基礎網格編碼規范》、DB35/T 1831-2019《空間信息網格劃分與編碼規則》等，這些標準在一定程度上推動了網格技術的推廣和應用（表1）。

1）《地球空間網格編碼規則》從全球立體化的視角，將地球空間統一剖分成不同尺度的網格單元，基于GeoSOT 地球剖分模型，按統一編碼規則進行標識和表達，構建了網格化的地球空間數據組織參考框架；支持地球表面空間和地球立體空間與地理空間信息的聚合，可有效解決物聯網、大數據、云計算中海量空間信息在標識和表達上唯一性、可讀性、尺度性、關聯性的瓶頸，實現多源、多尺度數據網格化高效組織、處理和應用[13]。該標準于2021年4 月首次發布實施，為滿足大數據時代信息的統一組織、融合共享、高效檢索與應用，實現全球多尺度空間位置的統一標識，提供了統一的地球空間數據組織參考框架。

2）《地理格網》規定了面向全國范圍采用地理坐標格網（以經、緯線劃分的格網）與高斯—克呂格投影平面直角坐標格網（以公里網線劃分的格網）相結合的方式的格網系統劃分規則和編碼方法，構建了地理格網系統和代碼，并規定地理坐標格網按經、緯差分級，以1°經、緯差格網作為分級和計算格網代碼的基本單元，向更大或更小格網間隔的層級延伸。編碼由南北半球代碼、高斯—克呂格投影帶號代碼、百公里格網代碼和坐標格網代碼組成[14]。該標準為一個在視覺上完整覆蓋全國國土范圍的格網坐標系統，以滿足數據采集、存儲、分析與交換的空間格網定位要求。

3）《地球表面空間網格與編碼》規定了地球表面空間網格與編碼方法，將地球表面經緯度坐標空間劃分為32 級網格，即將整個地球表面空間（0 級網格）劃分為4 個1 級網格，從1 級網格起，每一級的各網格繼續劃分為4個下一級網格，直到32級網格（圖3），每級網格應無縫無疊覆蓋地球表面空間，每級網格邊界都包含上一級網格邊界，每個網格均有一個全球唯一的整型網格編碼。該標準是一種在地球球面上基于經、緯差的四叉樹遞歸剖分[15]，主要用于跨部門跨領域聯合作戰態勢數據和信息的統一組織，為多源、異構情報信息一體化組織表達、天空地以及地下（水下）信息一體組織、全球范圍空間信息交換共享等提供規范的區位編碼。

圖3 地球表面空間網格剖分示例

3 我國地理網格標準化面臨的問題與挑戰

在深入分析和研究我國現行地理網格相關標準的基礎上，對比國際有關地理網格標準，筆者認為我國在地理網格標準化領域尚面臨以下問題和挑戰：

1）多數地理網格標準缺少面向應用的轉換軟件工具，在一定程度上限制了大范圍應用。不論是美國的USNG 還是英國國家網格，在實際應用中都有相關軟件工具作支撐，因而應用廣泛。我國的地理網格相關標準在頒布實施后，盡管地理網格剖分原理和方法比較完善，但由于缺少面向應用的軟件工具配套，使得地理網格技術在實踐應用的范圍還相當有限。

2）地理網格標準的應用和推廣相對滯后。已頒布的地理格網相關標準基本上是國家標準或地方標準，頒布實施后的宣貫和推廣應用工作都較薄弱或幾乎沒有，加之有些標準的網格剖分方案較復雜，實際應用中缺乏相關技術指導，導致地理格網相關標準在應用和實施層面相對滯后。

3）標準的宣貫和推廣機制亟需完善。與發達國家的自愿性標準體制不同，我國目前的標準化體制仍以政府主導型為主，隨著標準化體制改革的深入，亟需完善標準宣貫和推廣的相關機制，同時可根據需要開展標準化試點和示范工作，在一定范圍內進行標準技術應用推廣的先行先試，保障已頒布標準的落地和實施。

4 結 語

現代快速發展的空間探測技術和不斷豐富的數據獲取手段為地理網格提供了全新的數據源，也使地理網格技術的應用有了新的定位和延伸。本文梳理了國際上地理網格技術的標準化現狀和應用簡況，剖析了我國地理網格標準化現狀和面臨的問題與挑戰，為地理網格技術在多源空間數據的信息集成、共享、分析處理、服務等方面的應用提供了借鑒。