1、课题背景

• GIS面向目标表示空间数据，不能适应所用应用
• 以行政区划（边界复杂、不规则）表示基于空间位置的自然、社会、经济等信息，在地图上的渲染效果往往不能达到最佳
• 网格具有均匀特性，表达简单

• 坐标系多样，数据不能统一，难以应用集成
• 需要提供快速的转换方法

2、空间信息多级网格核心思想

将地理空间划分成不同粗细层次的规则网格。 每个网格以其中心点的坐标（网格中心点）来确定其地理位置，同时记录与此网格密切相关的基本数据项（如经纬度，全球地心坐标，各类投影参数下的坐标）。 落在每个网格内的地物对象（细部地物）记录与网格中心点的相对位置。 根据实际地物的密集程度确定所需要的网格尺度（分层密度），如地物稀疏的地方只需要高层网格，而地物密集的地方（如城市）同时具有从高层次到低层次的不同粗细网格。

3、技术路线

深入研究网格、计算网格与空间信息多级网格（SIMG）内涵，明确SIMG属于地学网格的概念，在此基础上，将课题划分为三条主线展开研究:SIMG作为数字地图的补充产品(SIMG基本研究) ,SIMG作为适应时空坐标系变化的一种空间数据的表示和组织方法（SIMG时空变化表示研究） ,SIMG在网格环境下应用与关键技术（SIMG共享研究）。

4、关键技术

• 空间信息多级网格的体系结构

提出空间信息多级网格的思想，并将它概括为三大职能：作为数字地图的一种补充产品形式；作为适应时空坐标系变化的一种空间数据的表示方式；作为对现有各种空间数据库操作的工具。

根据水域在各区域的密度不同而划分了若干疏密相间的网格
将每个网格所覆盖地区的水域面积信息统计到网格的属性项中，计算出网格内的水域密度，根据密度的高低形成以颜色为分级的水域密度分布图

• SIMG网格划分和编码技术

本课题采用“基于行列编码的四叉树网格”的划分方法，在预先定义的基本层级网格基础上进行四叉树划分获得逐步细化的子网格，使网格既具有了行列网格的无限延展性，又具有了四叉树网格的多级嵌套性。根据网格研究的一般性和普适性准则，该网格划分方法应作为一种基本方法，根据网格应用研究的研究区域不同，可以衍生出直角坐标系扩展方式和地理坐标系扩展方式，从而获得从局部地区到全球范围内都适用的网格划分方法。同时，也通过行列退化和四叉树退化两种方式分别对行列网格和四叉树网格进行弱化，使之适合于只需要四叉树网格或行列网格的某些特殊场合，进一步扩大了此网格划分方法在应用时的灵活性。

在本课题的网格研究中，使用经差6度、纬差4度的地理坐标系划分方法为研究基础，该划分方法能覆盖地球表面的绝大多数地域，并且基本保持了与当前国家基本比例尺地图的相似性，此时基本网格经过32次划分能够表达亚毫米级的精度。

在SIMG编码方法方面，根据网格划分方法的特点提出了以三个部分组成的网格编码方式，第一部分为网格所在的基本级网格的行号；第二部分为网格所在的基本级网格的列号；第三部分为子网格在基本网格内的四叉树编码，此部分编码是该网格相对于基本级网格的Morton码，使用基于自然数的十进制Morton码表示，以0代表第一级的基本网格编码，划分层次越多编码越长，Morton码的长度即为子网格的划分层数。编码的存储根据网格应用环境的不同可以有不同的选择，如基于关系数据库的分离式存储方式、基于内存的一体化存储方法等。此编码方法构成简单，网格中心点与网格编码之间的计算上只需要位运算和简单运算符即可完成，不需要复杂耗时的三角函数等无理数运算，因此编码计算的效率较高。

以网格大小为阈值的拟合
以行政区大小为阈值的拟合

• SIMG网格划分精度分析

SIMG作为适应时空坐标系变化的一种空间数据的表示和组织方法，主要思想是通过设计不同大小、不同层次的网格来实现多尺度、不同参考基准空间数据的统一表达。各级网格的中心点坐标可在不同投影、不同坐标系间自由变换，网格内部对象的细部坐标相对于网格中心点表示，其相对变化量在各级网格中保持不变。要实现这一目标，关键在于寻找一种既可满足精度要求又能实现不同参考框架间空间数据快速转换的方法。

(1)以经差6°纬差4°的地表区域作为首级基本网格对全球进行划分，以首级基本网格为基础递归等分为下一级基本网格，每一级网格对应着不同分辨率的空间数据，不同规格网格的集合便构成多级空间信息网格。

(2)分两种情况进行讨论，一是同一级网格对应的两个不同参考系坐标之间的变换，二是不同级网格对应的两个不同参考系坐标之间的变换。采用仿射变换代替严格变换的方法实施同级和不同级网格间的坐标变换，分析仿射变换的坐标精度确定每级基准网格的细分方式。

(3)选定三个试验区域，先按设计的细分方法生成细分网格角点和网格内的检查点，再以全球1km分辨率DEM为基础，采用双线性方法内插得到数字表面模型，模拟数据顾及地形的影响。然后用严格坐标变换模型将每一个格网点变换至三个坐标系中的严格坐标，同时分别在基准网格、2分网格（2×2）、4分网格（4×4）等细分方式下进行同级网格变换，对比仿射变换计算坐标与严格坐标的差值分析各细分方式下的近似变换精度。

• 基于相对量的地理对象表示精度分析

(1)基于网格的相对量表示方法

(2)相对量表示方法的精度分析

(3)传统严格变换法与快速变换法的效率比较

• SIMG-R树空间索引

R树结构
R树的平面表示

(1)基于现有空间索引技术和SIMG相对量表达特点，将R树改进为SIMG-R树，实现对细部地物的索引

(2)SIMG-R树的构建过程与R树的构建过程相似，不同的是空间对象的MBR不再是空间表中空间对象原始坐标的最小外接矩形，而是空间表中空间对象坐标与所属网格中心点坐标之和。也就是说，构建SIMG-R树不仅需要空间对象的MBR，还需要该子对象所在网格的中心点坐标

(3)进行空间信息多级网格的空间查询时，根据查询窗口绝对量，利用SIMG-R树空间索引，可以快速查询基于相对量存储的空间对象

• 网格计算环境下的SIMG信息共享技术

网格计算技术在本课题中作为SIMG支撑层的技术载体，通过该技术，提供SIMG在宏观决策应用的支持，研究网格技术在异构、动态、地理分布环境下的共享信息服务支持。

SIMG共享技术研究主要包括：

(1)SIMG Grid Service接口实现

(2)SIMG 服务中间件实现

(3)SIMG 核心管理中间件实现

(4)SIMG 表现组件实现

5、课题成果

• 全面探讨了SIMG划分层次、网格形状、网格大小的确定原则；
• 多级网格与行政区划的关系表达；
• 网格属性项的确定以及基于网格计算的SIMG结构；
• 多级网格间细部地物的快速表示方法

• SIMG核心层主要研究SIMG的基本理论和方法，包括SIMG作为数字地图的补充产品的研究和SIMG作为适应时空坐标系变化的空间数据的表示和组织方法的研究两个部分；
• SIMG支撑层主要包括对SIMG支持工具和SIMG的共享研究的支持环境；
• SIMG应用层是各个具体领域的应用程序，在SIMG支撑层的支持下，通过Grid Service支撑下的二次开发环境实现应用功能

• SIMG的网格划分方法

一般方法：基于行列编码的四叉树网格

扩展方法：直角坐标扩展方法、地理坐标扩展方法

• SIMG的网格编码方法

行号、列号、Morton

• 通过对SIMG网格划分精度分析以及基于相对量的空间地理对象表示的精度分析表明，可以找到满足精度要求的网格划分，实现基于SIMG的相对量空间地理对象表示。无论同级网格不同坐标系间空间数据的转换，还是下级网格向上级网格不同坐标系间空间数据进行转换，转换的精度均高于地图表达精度；
• 基于SIMG相对量表达技术可以实现多尺度、不同时空基准空间数据的快速变换和集成共享，可以实现多尺度、不同时空基准空间数据的统一表达，为提出一种易于与网格技术集成应用的空间信息表示新思想和相关分析技术作出了可行性研究探讨

• SIMG网格间检索技术：

通过网格编码查询网格；通过不同坐标系下的经纬度、高斯坐标查询网格；通过属性字段查询网格

• SIMG-R树空间索引
• SIMG网格内对象的方向索引

• SIMG作为数字地图补充产品的数据组织与存储管理
• SIMG网格内细部地物的数据组织与存储管理

• 网格层次的转换方法

从现有空间数据库或GIS系统中抽取，也就是将这些系统中的各种专题信息通过一定方法转换成SIMG网格中的属性信息。

传统GIS数据显示效果
网格预划分后的结果
信息抽取后可视化的效果

• 网格内部的转换方法

转换流程图
转换示意图

• 地理网格内的空间分析模型与方法

网格内部的处理与分析，可以充分利用传统GIS的空间分析基本算法，即将细部地物相对量的坐标转换为绝对坐标后作为空间分析坐标参数传入，这样已有的空间分析算法成果可以利用。

• 计算网格间的空间分析模型与方法

将SIMG网格与计算网格相结合，以国家级、省级（各部委）、地市县各级的空间数据资源中心为节点，提出了一种基于SIMG的处理与服务的层次模型，形成网络共享应用服务模式

传统的宏观社会、经济信息在可视化时大多采用以行政区为单位的可视化方法，体现出不同行政区的差别，但这种可视化方法过于着重在行政区的差别体现上，反而弱化了本应着重体现的自然分布特性。

传统的地图可视化方法中，点数法、分级统计法和分区统计法是表达宏观信息的主要方法，点数法是以离散的点来表示宏观信息，分级统计法和分区统计法都是以行政区为数据承载体表达宏观信息。

SIMG作为数字地图补充产品的可视化方法采用“基于密度的分级表达方式”，将信息在网格中的分布量以不同颜色的级别表示出来，形象地表达宏观信息在地理上的分布情况。

湖北省人口数网格可视化结果

本示例以人口调查为例，验证SIMG作为数字地图补充产品，将人口调查数据用网格管理起来，提供基于网格的数字产品。同时验证以此网格作为空间数据和非空间数据的载体，在宏观统计方面所体现出来的作用。

• 基于SIMG的人口普查数据采集

网格生成界面	空间索引查询结果
编码索引查询结果	专题查询结果

• 基于SIMG的人口调查系统示例

• 网格计算环境下示例

试验系统的SIMG示例数据为选用1:400万和1:25万的湖北省区域，统计项以人口为例。五个节点分别管理相应数据，子节点是对父节点更为精确的表达。

服务器端实现数据请求服务、人口统计分析服务和元数据服务三个SIMG服务。数据请求服务根据用户的请求，返回满足要求的SIMG数据，而人口统计分析服务根据SIMG的网格编码返回多个网格节点的人口总数。由于SIMG节点是地理分布、自治管理，通过元数据中心，获取SIMG数据信息，因此通过这两个服务可以实现SIMG信息的共享。在试验系统中，利用OGSA的参考实现Globus Toolkit进行网格服务的编写。

人口密度图

本应用示例通过实现一个不规则的城市管理多级网格，实现对城市部件和事件的精细化管理，这是SIMG在城市微观管理方面的应用研究。

• 创建两个轴心的城市管理体制
• 建立两个网络
• 建设一个数据库群
• 组建和整合两支队伍
• 构建一套评价体系

6、课题评价

本课题的研究成果目前正在与城市网格化管理应用相结合，示范成功并推广应用后，将带动相关产业并实现许多传统管理模式改造与提升，并给移动信息服务、政府的日常化管理与服务，乃至人们的日常工作、学习和生活带来变化，达到提高工作效率，促进经济发展，增强安全保障，改善生活质量的目的。