空间信息剖分组织的全球离散格网理论与方法

童晓冲

信息工程大学测绘学院，河南郑州450052

空间信息剖分组织的全球离散格网理论与方法

童晓冲

信息工程大学测绘学院，河南郑州450052

随着对地观测手段的不断进步，在广大区域甚至全球范围应用遥感和其他类型空间数据的机率大大增加。构建具有连续性、层次性和动态性的全球数据模型已成为广受关注的重要研究方向。目前，全球空间数据组织处理模型的研究已经取得了可喜进展，其中构建“全球离散格网系统”（discrete global grid systems，DGGS），正是针对该问题提出的一种解决方案。

全球离散格网采用特定方法将地球均匀离散化，形成无缝无叠的多分辨率格网层次结构，采用格网单元的地址编码代替传统地理坐标参与数据操作，其优势体现在：① 以整个地球为研究对象，更适合处理全球尺度的问题；② 对地球空间的同构离散化，有助于数据统一建模、按需重组；③ 格网具有层次性，在结构上支持多尺度数据表达；④ 数据操作采用编码运算完成，更适合计算机处理。本文围绕如何利用全球六边形离散格网系统组织、管理和处理地球空间信息这一主题开展研究，在理论和实现方法上取得了一些进展。主要工作总结如下：

（1）从当今格网技术和空间信息技术发展这一大背景出发，阐述了建立全球意义上的离散格网系统的重要性，并在此基础上详细总结、分析国内外该领域的研究现状。研究与分析表明，在三种能够进行规则化空间剖分的几何格网图形（三角形、四边形、六边形）中，六边形格网是排列最紧凑、采样最高效、邻域最一致的一种，因为它非常适合用作空间数据的建模和处理，并受到越来越多的重视，而且平面六边形格网的各种优点可以延续到全球格网系统上。

（2）创新了一种六边形离散格网的空间层次结构（hexagonal quad balanced structure，HQBS），采用四位码元对格网单元进行编码。定义并实现了格网向量的基本运算，利用这些运算可以方便地实现格网单元的空间索引、坐标转换以及与十进制数的互换等功能。通过试验验证了相关算法的正确性与效率，为全球六边形离散格网的建立奠定了理论基础。

（3）从理论上证明HQBS扩展到球面的完备性，解决格网矢量的跨面运算难题，设计球面离散格网上的单元索引算法。提出一种评价离散格网几何属性最优化的目标函数，使用遗传算法优化，得到了球面上有限层次内最优化条件下的直接剖分格网。利用最优化格网提供的控制点数据，结合地图数值投影变换理论，成功地构建了几何属性更加均匀的全球六边形离散格网系统。试验表明，相对于现有Snyder等积投影建立的全球格网，在格网单元的均匀度上更优；在运算效率方面，速度大约是Snyder投影的2.5～3倍。

（4）将空间数据模型的记录与表达问题分开，设计矢量数据的记录方式和格网快速填充算法，解决球面上矢量表达的跨面难题。提出矢量数据内插的高精度表达方法，将线状矢量数据在全球格网上的表达误差严格控制在一个格网单元内。试验表明，在全球格网上进行矢量表达的过程中，单位时间内计算单元的数目是相对稳定的，平均效率能达到1 700～5 300单元／ms。利用多点内插的方式，实现栅格数据的格网表达。通过误差传递理论和频率域采样定理从理论上证明，并经过实践验证了遥感图像在格网表达过程中最大灰度内插损失约为1.6个灰度级，内插效率可以达到约3 000单元／ms。

（5）设计并实现全球离散格网的动态生成算法、格网的空间可视化方法以及空间数据在全球格网上的调度、显示与综合的原则。试验表明：全球格网动态生成的效率110～370单元／ms之间，可视化过程中格网数据和空间数据逐层加载的时间在300ms左右，能够保证加载空间数据后的显示刷新率在20帧／秒左右。

（6）针对离散格网的距离定义、邻域和卷积等空间域操作，以及形态学处理、Voronoi图的生成、空间拓扑关系、量测系统等若干应用问题展开讨论，通过具体的分析与例子充分展示了全球离散格网系统在空间数据分析、处理及应用方面所具有的潜力。

ThePrinciplesandMethodsofDiscreteGlobalGridSystemsforGeospatialInformation SubdivisionOrganization

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

1001－1595（2011）04－0536－01

P237

D

国家863计划（2009AA12Z218）；国家自然科学基金（40671163）；信息工程大学博士基金

2011－03－22

童晓冲（1982—），男，讲师，2010年毕业于信息工程大学测绘学院，获测绘科学与技术专业工学博士学位（指导教师：张永生教授）。主要研究方向：全球离散网格系统、摄影测量遥感、数字图像处理。

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.