基于全球剖分网格的地理空间信息保障服务技术研究-李世忠.pdf

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1、第45卷第s1期 测绘学报 V0145，Nos12016年12月 Acta Geodaetica et Ca rtog raphica Sinica Decembe r2016引文格式：李世忠，程承旗，王东，等基于全球剖分网格的地理空间信息保障服务技术研究J测绘学报，2016，45(s1)：115120DOI：1011947jAGCS2016F014LI Shizhong，CHENG Chengqi，WANG Dong，et a1Geospatial Inormation Service System Based on GeoSOT GridEncodingJActa Geodaetica a

2、t Cartographica Sinica，2016，45(S1)：115120DOI：1011947jAGCS2016F014基于全球剖分网格的地理空间信息保障服务技术研究李世忠1，程承旗2，王 东3，濮国梁z，陈 波z1中国天绘卫星中心，北京102102；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712028Geospatial Information Service System Based on GeoSOT GridEncodingLI Shizhon91，CHENG Chengqi2，WANG Dan93，PU Guolian92，CHEN B021

3、TH Cente r of China，Beijing 102102，China；2College of Enginee ring，Peking Unive rsity，Beijing 100871，China3School of Information Enginee ring，Xizang Minzu Unive rsity，Xianyang，712028，ChinaAbstract：With the rapid development of the space and earth observation technology，it is important toestablish a m

4、ultisource，muItiscale and unified cross-platform reference for globaI dataIn practice，theproduction and maintenance Of geospatial data a re scattered in different units，and the standa rd Of thedata grid varies between departments and systemsAI these bring out the disunity of standards amongdifferent

5、 historical periods or orgnizationsAiming at geospatial information security library for the nationalhigh resolution earth observation，there are some demands for global display，associated retrieval andtemplate applications and other integrated services for geospatial dataBased on GeoSOT grid andenco

6、ding theory system，“geospatial information security library information of globally unified gridencoding management”data subdivision organization solutions have been proposed；system-levelanalyses，researches and designs have been carried outThe experimental results show that the dataorganization and

7、management method based on GeoSOT can significantly improve the overall efficiency ofthe geospatiat information security service systemKey wordsgeospatial information；GeoSOT grid；grid encoding；multisource data association；multiscale dataFoundation support：The National Special Major for High Resoluti

8、on Earth Observation Syetem(30Y3081390031416；03一Y30806-90011315)；The Special Fund for Surveying，Mapping and Geoinformation Researchin the PubIiC Interest(201512020)摘 要：随着空间和对地观测技术的飞速发展，建立一个适应全球的多源、多尺度、多时相跨平台统一数据组织的网格框架具有非常重要的意义。当前地理空间数据的生产、维护分散在不同单位，且采用的数据网格标准各异，造成了部门或系统之间、不同历史阶段之间标准不统一。本文针对高分专项地理空间

9、信息保障库对数据资源全局展示、关联检索和模版应用等综合服务展示需求，基于GeoSOT网格与编码理论体系，提出了“地理空间信息全球统一网格化编码管理”的数据剖分组织解决思路，并进行了系统分析、研究与设计。通过试验证明，基于GeoSOT虚拟一张图的数据组织管理方法能够显著提高地理空间信息保障服务系统的整体应用效能。关键词：地理空间信息；GeoSOT网格；网格编码；多源数据关联；多尺度数据中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1001-1595(2016)S10115一06基金项目：国家高分辨率对地观测系统重大专项(30一Y3081390031416；03Y3080690011315)；测

10、绘地理信息公益性行业科研专项(201512020)万方数据116 Decembe r 2016 Vo|45 S1 AGCS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

11、外许多研究机构也在探索采用统一的地球空问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问信息E3-r。近年来针对地震波模拟计算提出的Ballard格网、YinYang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

12、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。1。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16203提出了2咒一维整型数组地理坐标的全球剖分网格GeoSOT(geographical coordinate globalsubdivision based on onedimensioninteger andtwo to nth po

13、wer，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地理空问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

14、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

15、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。

16、(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。万方数据第S1期 李世忠等：基于全球剖分网格的地理空间信息保障服务技术研究 11 72基于全球剖分网格的地理空问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。根据地理空问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

17、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

18、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。21 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、D()M、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l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。22 基于全球剖分网格的数据关联

19、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。剖分索引大表图1 数据网格编码索引原理示意图Fig1 Schematic diagram of data grid encoding index0060 1015r百_T百五i石iTi磊菲；莲。广：；丽髯 I竹斫 I腐竹婚碚 I女鲁寄F下丽广1试酬ID：0010001 1 20100921 JB。订磊磊丽ID：0010 001 1

20、20100820113参巨习：=：!隹=牛b竺P蒙l“8 90)I 8 l一ll【90 40)lfop，l 2lJp H a2323500G00131030kL“-L *”k*w曼。图2 数据关联检索原理示意图Fig2 Schematic diagram of data association retrieval23 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)。24基于全球剖分网格的多尺度

21、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。羹一黼麟一一懋一烹一万方数据118 Decembe r 2016 VoI4j S1 AGCS。：。悬，愚毒 熊。曼一图3 数据全局展示原理示意图Fig3 Schematic diagram of data global display3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“地理空问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

22、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。31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，进人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。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

23、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。32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。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。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、

24、有效性。高分应用体系资源管理与服务|应急J|_务 I各类应J11 l数槲交换|_|8匿 |1l资源全局展示 多j4度数据 |l与监视子系统 眼务子系统 【|L忖 叫 固每水库0、 唑錾兰窭爱嗲数据索 叫引 剖分索引大表硷索层 瓦片库f、I栅挤数掘II矢最数槲ll重磁敬据ll瓦片数据J|其他数据l格索引|荆格索引l l叫格索引l M格索引I”4格案刮，1、 。U、 U数 地理信息预处删子系统据预 燃 矢量 控制l 重力 瓦片 A处 数据 点Ml 磁力 数掘 叫理 问格 M格 格编l I蜘格 |；j9格层 编码 码1 随旦 编码编码图4 系统体系结构示意图Fig4 Structure diagra

25、m of system architecture图5 地理空间信息保障服务技术流程图Fig5 Flow chart of system working万方数据第S1期 李世忠，等：基于全球刮分网格的地理空间信息保障服务技术研究 11 9数据服务器数据管理服务器 JjL核心交换M络 li，ttti#_，_日B3F，一，b#_一I运行管理工作站鬣图6原型系统硬件试验连接示意图Fig6 Connection diagram of hardware test forprototype system獬=二=：=1122211：。“qt渤慨_ n1自一月8i 4凑i妻嚣。霪i兰蠹冈7剖分查询实现Fig7

26、Implementation of subdivision query1、女&”一“EoM脯 “Br赫￥百i 3-i柚 t，一#删m 二棚 川 aqpe#图8剖分统计实现Fig8 Implementation of subdivision statistics4 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

27、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。图9 手机端高分数据剖分应用实现Fig9 Application implementation of high resolution earthobservation data subdivision in mobile phone(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GeoS()T编码，具有全球唯

28、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。参考文献：1 邵振峰。李德仁基于网格计算环境下的空间信息多级格网研究J地理信息世界2005，3(2)：3135SHAG ZhenfengII DerenStudy on Spatial InformationMultigrid under Grid Computing EnvironmentJGeomatics WGrid，2005，3

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41、tion Science，2013，29(3)：21 25(责任编辑：陈品馨)收稿日期：2016-0820修回日期：20161020第一作者简介：李世忠(1968一)，男，博士，高级工程师，主要从事遥感数据的获取、处理、管理以及应用研究。Fi rst author：LI Shlzhong(1968一)，male，PhD，senio renginee r，mojo rs in remote sensing data acquisition，p rocessing，management and application resea rchEmail：xaIsz163cam通信作者：陈波Corresponding author：CHEN BoErnail：pkuchenbopkueducn万方数据