地球空间参考网格系统收受地球剖分技巧， 对地球名义进行剖分， 造成阵势近似、空间无缝不相通、法式聚会的多端倪网格伊伊系列， 通过对剖分网格进行有序的地舆递归编码， 使得大到地球法式、小到厘米法式的网格都有一个唯独的地舆编码。地球空间参考网格系统是一个科学的、简明的、寰宇融合的刚性定位网格参照系统， 是对现存测绘参照系统和其他专用定位系统的补充。
在现存测绘参照系统中， 不时仅收受经纬度作为地舆位置的记号。经纬度坐标以度‒分‒秒的阵势分别暗意经度和纬度， 描写地球上某一丝的位置， 具有以下不及: 1) 度‒分‒秒的阵势描写复杂， 未便于位置评释和地点距离的粗心估计; 2) 经纬度描写的是一个点， 不附带区域特征; 3) 经纬度数值由两个带极少的实数组成， 估计分析的复杂度高。为了补充经纬度坐标体系， 好意思国队列(简称“好意思军”)在20世纪中期发展了军用网格参考系统， 并陪同多种应用需求的出现， 在随后的几十年中发展了多套网格系统。
1 海外网格系统应用近况在好意思军咨询长联席会议于2012年10月发布的《联协作战中的地舆空间谍报(Geospatial Intellig-ence in Joint Operations)》评释中， 建议在位置定位中收受经纬度坐标和军用网格参考系统(Military Grid Reference System， MGRS)坐标， 在区域参选取收受寰宇区域参考系统(Global Area Reference System， GARS)坐标[1]。上述两种网格编码的发展历史配景不同， 编码结构具有不同阵势， 在军事应用中发扬的作用也不同样。以好意思国堪萨斯州的劳伦斯为例， 经纬度坐标为38°57′33.804″N， 95°15′ 55.739″W， MGRS坐标为15SUD0370414710， GARS坐标为170LT13。此外， 还有Google Earth虚构数字地球， 其本体是收受一套完整的地球剖分网格体系， 构建寰宇多分辨率遥感影像的承载平台， 值得模仿。
1.1 MGRS网格MGRS于20世纪40年代由好意思军凭证欧洲网格化舆图修改得到， 已凡俗用于大地作战举止和国土安全戒备的地舆位置定位， 主要由陆军和舟师陆战队使用。MGRS提供一个融合的系统参考， 并在经纬度坐标与网格坐标之间建立对应关联， 简化士兵之间的位置评释和妥洽。好意思军关联要领司法， 所有的2D和3D位置软件应同期清楚经纬度坐标和MGRS坐标。
MGRS领先将寰宇司法地远隔为多个8°×6°网格， 然后在通用横轴墨卡托投影(Universal Trans-verse Mercator Projection， UTM)基础上远隔为多个百公里网格， 将百公里网格束缚十均分， 得回十公里网格、公里网格， 直至米级网格[2-3]， 编码结构如图 1所示。通过MGRS编码， 可在百公里网格里面通过粗心加减法进行地点和距离的估计。
MGRS收受隐秘寰宇的融合位置记号， 为好意思军提供了致密的寰宇一体化位置工作， 并已在纸质料形图、电子舆图、GPS中践诺普及。与传统的经纬度舆图比较， 新舆图有MGRS方形网格， 可通过MGRS编码， 平直对应在大地上的距离， 使得地点和距离估算更方便。好意思国横祸事故打听与赈济委员会的地舆位置记号司法， 在陆地横祸事故查找赈济、陆地/航空协同查找赈济等业务中优先收受MGRS编码记号位置， 建议在空中横祸事故查找赈济等业务中将MGRS编码作为经纬度坐标的补充妙技。
1.2 GARS网格GARS网格由好意思国地舆空间谍报局(National Geospatial-Intelligence Agency， NGA)于2006年建议， 是好意思国国防部进行要领化战场区域的参考系统， 主要用于得志联协作战中作战系统与教导机构协同运作的需要。出于联协作战磋议， 尤其是空军、旷地协同各作战单元之间的位置评释特质要求， 收受等经纬度网格剖分要领， GARS网格被远隔为30′， 15′和5′的3个层级[4]。如图 2所示， 用3位数字(经度地点， 001~720)和2位字母(纬度地点， AA~QZ， I和O之外)暗意30′网格; 一分为四， 用1~4暗意15′网格; 再一分为九， 用1~9暗意5′网格。GARS网格与舆图投影无关， 是一个可用于联协作战的、以区域为单元而不是定位点(MGRS)的寰宇界限参考系统， 为联协作战态势感知、旷地妥洽提供一个通用框架。
GARS主若是一个作战端倪的治理要领， 用于在战场空间妥洽、作战举止同步和大面积搜索赈济中快速地定位地舆区域， 并在职务蓄意和作战分析中使用， 被誉为数字战场空间和通用作战图的要道鼓动者。GARS专为战场空间治理瞎想， 不是位置参考系统的替代品， 无须于精准的地舆定位、制导火器的精准位置描写以及小于5′区域的描写。GARS可用于界说一个区域的性情， 如水域治理中的闭幕火力区域、无火力区域等， 而这个区域可能莫得地形特征成分(如房屋等)。每个GARS细胞被赋予要道信息、海拔高度、时辰、所有者、作战景况/办法等， 用于治理战场信息。GARS是一个二维框架， 还不错彭胀至三维、四维(时辰)。GARS显赫地成心于多任务协同， 已印制在好意思国军用舆图上， 并在阿富汗、伊拉克和韩国等地使用， 在好意思国联邦伏击事务治理署、海岸警卫队和地方政府的搜索和赈济使命中也得到凡俗应用。
1.3 Google Earth网格Google Earth是谷歌公司开导的虚构数字地球， 于2005年推出， 展现了新一代遥感影像数据治理平台的巨大技巧上风。它通过构建一套经纬度网格剖分体系， 基于四叉树的瓦片数据层叠加技巧来存储组织遥感影像数据。
Google Earth网格的远隔决议是:将通盘球面180°×360°区域作为四叉树的父节点， 束缚地轮番四分[5]。每个瓦片参照金字塔模式， 按照层级轮番存储， 如图 3所示。每个层级的瓦片都按照行和列row (X， Y)进行索引， 以(−180°W， 90°N)为row (0， 0)。影像的瓦片大小为256×256 pixel， PNG/JPEG神色。
1.4 学术接头层面的网格为贬责经纬度网格系统中存在的南北极畸变贫穷， 接头东谈主员一直奋勉于发展多面体网格要领。Dutton[6]欺诈正八面存眷近地球并进行三角剖分， 建直立球面三角形数据模子O-QTM或QTM。White[7]收受多种投影要领， 将正八面体和正二十面体投影到地球名义。贲进等[8]建议球面等积六边形闹翻网格的生成过甚算法。因将经纬度记载的空间数据调换成多边形球面数据的传统要领比较复杂， 故上述使命一直停留在学术接头层面。跟着对地球的融会束缚彭胀， 接头东谈主员将二维地球剖分延展至三维空间， Stemmer等[9]、Ballard等[10]以及Stadler等[11]面向多种应用对三维格网进行了探索。
2 地球空间参考网格系统瞎想地球空间参考网格系统过甚编码， 是通过编码化降维， 将二维地球空间处理成一维空间， 并造成简明可读的网格编码， 具有可记号、可定位、可索引、可估计、多法式等优异性情[12-13]。现阶段， 在地舆空间位置妥洽、旷地合资同走路动中， 对地舆位置的记号还是收受经纬度坐标形式， 在位置评释中亦如斯。由于坐标系不同和应用法式不同等原因， 我国不宜平直收受好意思军的网格参考系统， 亟待发展我方的地球空间参考网格系统， 作为经纬度坐标的补充。
2.1 GeoSOT网格本文建议使用的地球空间参考网格系统伊伊系列， 源自北京大学建议的基于2n一维整型数组地舆坐标的地球剖分网格(geographical coordinate global sub-division based on one-dimension-integer and two to n-th power， GeoSOT)[14]， 具有自强门庭的常识产权。GeoSOT网格以经纬度坐标体系为基础， 收受2000国度大地坐标系， 通过3次地球彭胀(将地球彭胀为512°×512°， 将1°彭胀为64′， 将1′彭胀为64″)， 束缚进行四分， 扫尾整度、整分、整秒的四叉树剖分， 造成一个上至地球(0级)、下至厘米级面元(32级)的多法式四叉树网格。GeoSOT网格坐标是对经纬度坐标体系的补充和彭胀， 是对国度基本比例尺地形图分幅网格、国度地舆格网等网格的选择和发展。
GeoSOT网格由32级组成。
0~9级为度级网格。0级网格界说为将地球施行界限彭胀的512°方格。在0级网格的基础上平均分为4份， 得到1级网格， 每个1级网格大小为256°。以此类推， 赓续四叉树远隔， 得到2~9级网格， 每个9级网格大小为1°。
10~15级网格为分级网格。将9级的1° (60′)网格虚构彭胀至64′， 平均分为4份， 每个10级网格大小为32′。赓续四分， 得到11~15级网格， 每个15级网格大小为1′。
16~21级为秒级网格。与上述彭胀要领雷同， 将15级的1′ (60″)网格网格虚构彭胀为64″方格， 四叉树远隔， 得到16级网格， 每个16级网格大小为32″。赓续四分， 得到17~21级网格， 每个21级网格大小为1″。
赓续四叉树剖分， 得到秒以下的22~32级网格， 32级网格的大小为1/2048″。
虚构彭胀及四分要领如图 4所示。按照上述界说， GeoSOT网格一共分为32个层级， 大到寰宇级， 小到厘米级， 均匀地将地球名义空间远隔为多端倪的网格， 造成寰宇四叉树网格体系。
GeoSOT网格编码模子收受Z序编码， 如图 5所示， 编码起始为(0， 0)， 4个半球的Z序地点因此不同。自寰宇轮番向下四分编码， 下一级网格在上一级网格的基础上Z序编码[15]; 每一级网格按Z序被分别赋值0， 1， 2， 3， 调换为二进制码为00， 01， 10， 11;每一级网格编码占用2 bit， 32级网格编码占用64 bit。网格编码通过经纬度平直调换估计得回， 可用于以经纬度坐标形式记载地舆位置的数据处理和分析。举例北京世纪坛中心(39°54′37.0″N， 116°18′54.8″E)， 将其按度(9位)、分(6位)、秒(6位)、秒以下(11位)分别调换为二进制数:纬度调换为二进制， 如39=000100111， 即000100111°1101 10′100101″00000000000;经度调换为二进制， 即001110100°010010′110110″11001100000。凭证网格层级， 进行网格编码的位数抽取， 亦体现网格的多法式性， 如第27级网格编码估计时， 将纬向和经向编码第27位之后都取值0。将经纬向编码进行降维处理， 纬向和经向编码轮番交叉， 如00和11交叉得到0101， 由此造成二进制阵势的GeoSOT网格编码。第27级网格编码为0000011101011110101011001011001101001101100101000001010000000000， 十进制为531051692176970752。
2.2 地球空间参考网格系统瞎想决议勾搭应用施行磋议， 抽取GeoSOT网格中的部分网格， 造成具有特定含义的基础网格集--地球空间参考网格， 并生成通俗可识别的网格编码， 便于东谈主们抒发和牵记。地球空间网格编码可平直调换为GeoSOT网格编码， 欺诈GeoSOT网格的完整四叉树体系， 使得二进制阵势网格编码的每一位二进制码都具有空间风趣， 在波及地舆空间的估计中恶果极高。
如表 1所示， 瞎想决议中， 以4°网格、16′网格、1′网格、4″网格、1/4″网格、1/64″网格作为基础网格， 分别代表500 km级(大法式)、50 km级(过渡)、1 km级(中法式)、100 m级(小法式)、10 m级(定位级)、1 m级(精准级)基础网格， 组成地球空间网格系统。4°网格将地球(180°×360°)远隔为46×90份， 纬度地点用字母A~Y和a~y (I， O和I， o之外)共46个字母代替， 北纬为大写， 南纬为小写， 起算点为0°， 从低纬度到高纬度字母轮番按A~Y的司法变化; 经度地点用数字0~89代替， 起算点为−180°。如图 6所示， 将4°网格(1°按64′计， 即256′)远隔为16′网格， 造成16×16个网格， 东北半球以左下为角点， 以0123456789ABCDEF十六进制司法进行编码。同理， 可赓续进行16×16的远隔至1′网格、4″网格、1/4″网格、1/64″网格。举例北京世纪坛中心(39°54′37.00″N， 116°18′54.8″E)， 其4°网格位于39°54′/4=9余3°54′， 116°18′/4=29余18′， 即北纬向第10个格子、经向第30个格子， 编码为K29， 将纬度尾数除以16′ (1°以64′计， (3×64+54)/16=15余6)， 取15即F， 同理可推至1′， 4″， 1/4″， 1/64″， 得到6， 9， 4， 0， 即4°后纬向编码为F6940。同理， 经度尾数得到1， 2， 13， 11， 3， 即4°后经向编码为12DB3。将纬向和经向编码轮番交叉， 并加上4°编码， 不错得到地球空间网格编码K29F1629D4B03。从逆进取来看， 可将编码K29F1629D4B03拆分为纬向编码(9) F6940和经向编码(29)12DB3， 分位换算为二进制， 并将4°网格二进制补至7位， 其他补至4位， 得到0001001 1111 0110 1001 0100 0000和0011101 0001 00101101 1011 0011， 将纬向和经向编码轮番交叉， 补皆至64位， 得到0000011101011110101011001011 001101001101100101000001010000000000， 十进制数为531051692176970752， 与GeoSOT网格编码一致。
3 网格参考系统特质分析地球空间网格参考系统构建了等度、均分、等秒的四叉树网格体系， 发展出一套以网格为单元的估计分析框架， 具有以下特质。
1) 构建起雷同GARS的等度、均分、等秒网格体系。地球空间网格是一套寰宇区域参考网格系统， 是整度、整分、整秒的经纬度网格， 可用于旷地合资举止中的位置妥洽。它是在经纬度坐标体系下发展而来， 与经纬度要领网格(如国表里主要的舆图图幅、容貌图幅、海图图幅、国度地舆格网等)具有致密的包容关联。以经纬度坐标进行网罗的地舆空间数据或其他特定应用数据， 不需再次进行复杂的数据网罗， 只需要进行粗心的编码调换即可。
2) 发展了雷同MGRS的网格定位编码要领。东谈主们不错收受一个粗心数字评释我方的位置， 如“我在2283网格， 正在向2293网格前进”。通过网格编码的粗心加减乘除运算， 可得回两个网格之间的地点和距离。如图 7所示， 4位网格位置评释法粗心可行。假定赈济区域在编码为A293D的1°网格， 那么赈济东谈主员评释我方的位置时只需评释我方处在该1°网格内的2283网格即可(4′， 简陋120 m)。通过网格估计表， 可知该纬度定位级网格大小为8 m， 大要推算图中E1网格与2E网格距离为北向(2-E)×8 m=−96 m， 东向(E-1)×8 m=104 m， 即南向96 m， 东向104 m。
三级片在线3) 构建起雷同Google Earth的寰宇四叉树数据组织体系。地球空间网格的虚构彭胀要领在扫尾等度、均分、等秒远隔的同期， 也构建起一套完整的寰宇四叉树数据组织体系。网格作为存储数据的“抽屉”， 多源异构数据可依照其地舆位置赋予网格编码， 即被司法地摈弃到“抽屉”中， 不同数据之间通过网格编码有机地关联在一齐， 由此可扫尾多源异构数据在空间特征上的关联整合。传统查询检索中基于二维经纬度的复杂空间关联估计， 滚动为一维二进制编码的粗心匹配， 恶果进步幅度巨大。
本网格参考系统已在某业务部门进行信得过闇练考据， 扫尾多源异构地舆空间数据的融合检索， 并极大地进步查询检索恶果。闇练数据3000万条， 是5年内4颗对地不雅测卫星得回的2级遥感影像居品， 以景为单元存储， 其元数据按卫星型号分4个库进行存储。该业务部门收受ArcSDE对其元数据进行治理， 将数据的空间位置拟合到局部自合适网格中进行组织。两种要领都收受四叉树索引， 与ArcSDE检索要领比较， 本要领主要不同之处在于， ArcSDE建立的是局部自合适格网， 收受我方的编码体系， 检索中仍会收受经纬度; 本要领的编码建立在寰宇剖分网格体系下， 数据的空间位置由经纬度调换为网格编码后存入编码索引表， 在排序的编码索引表中透彻依托具有地舆空间含义的一维二进制编码估计进行检索。在GeoSOT一维二进制网格编码估计与ArcSDE二维网格编码和经纬度混共估计对比条目下， 针对同样的数据， 进行了检索性能对比闇练。硬件树立为Intel Xeon E5-2609 2.4GHz/ 16GB， 数据库收受Oracle 11 G。查询南海地区1年内数据， 传统要领耗时204 s， 本要领耗时10.2 s， 全体恶果平均进步10倍左右。本要领为多部门、多源地舆空间数据快速保险提供了新的念念路。
4) 发展了一套以二进制编码为基础的高效编码代数运算要领。地球空间网格收受完整的四叉树剖分要领， 以二进制整形进行编码， 卓绝适共估计机运算。基于空间的运算与操作， 收受网格编码平直进行代数运算的估计复杂度远低于传统的经纬度坐标算法， 更高效、更快捷， 部分波及地舆空间的估计恶果不错提高一个数目级。
以赈济中进行区域内东谈主员统计(即判断点(东谈主员)是否位于多边形(赈济区域)内)为例， 传统要领收受射线法， 从点向某个地点引出射线， 估计射线与多边形的交点数， 判断点是否位于多边形内; 网格估计要领将点和多边形处理成点网格编码和多边形网格编码集， 而多边形网格编码集是按大小排序的， 通过粗心的整形数值比较估计即可判断点网格编码是否属于多边形网格编码集。估计射线与多边形交点数的复杂度弘大于一个整数估计。进行1万个点和多边形关联判断， 传统要领(经纬度)耗时46 ms， 网格估计要领耗时4 ms， 恶果进步10倍左右。
5) 建立起一套以网格为单元的全新地舆空间治理与估计框架。通过网格化处理， 复杂的地舆空间被司法地远隔为网格单元， 网格被赋予应用性情。以网格作为估计单元， 通过复杂的应用模子可估计得回分析闭幕， 在玄虚态势抒发、举止模拟推演等方面将发扬枢纽作用。
在军事应用中， 传统要领不时将战场空间算作聚会空间， 可分析性不及。将战场空间处理成可估计的闹翻网格单元后， 以网格为单元进行地形量化， 每个单元被赋予地形因子， 并附带通行能力、高程等办法， 将敌方的挫折物、火力密集点等信息也负载在网格单元上， 通过关联估计处理， 可得回通行的最好旅途。
6) 可彭胀至高程维度造成三维地球空间剖分网格框架。在二维网格的基础上引入高度维， 可将上至5万公里高空、下至地心的地球空间进行三维剖分， 构建八叉树网格， 造成从地心到地球外围最大高度的三维地球空间剖分网格。当高程维度(大地高)为0时， 三维地球空间剖分网格框架就变为二维地球球面剖分网格框架， 两者自然映射。
估计难度极大的三维空间被抽象为网格体皆集， 复杂的三维估计将滚动为粗心的一维估计。如复杂云体的体积估计， 传统要领估计极其复杂， 网格要领将其滚动为云体组成网格数目的粗心统计， 以雷同“曹冲称象”的形式贬责传统要领无法贬责的诸多问题。如图 8所示， 收受三维剖分网格对地磁场进行抒发。
4 应用及瞻望地球空间网格系统在减灾、公安、建筑、国土资源、军事等多个规模具有极为浩荡的应用出路， 当今已与多个部门造成协作关联， 并在此基础上产生减灾网格、警用地址编码、建筑物编码等多种应用居品。以减灾规模为例， 已发展出一套减灾应用网格和编码， 纳入到减灾数据库建立中， 用于多部门、多源异构减灾数据的快速查询检索， 并将在以下几个方面进行应用探索。
1) 在减灾用手持末端加入彀格编码， 定位信息通过网格编码阵势展示， 在与其他赈济队员和赈济直升机进行疏通时， 理论报送网格编码， 估算与他东谈主的地点和距离。
2) 在减灾用网罗末端加入彀格编码， 数据从网罗时即具有网格编码， 将传统的以行政区为单元的报送形式蜕变为以网格为单元进行报送， 由此扫尾以网格为单元的数据统计分析能力， 并有可能造成以网格为单元的灾害空间估计分析体系。
3) 在虚构地球上以三维网格场阵势抒发容貌、地磁场等信息， 补助减灾东谈主员掌抓灾地信息。
地球空间网格参考系统提供了一个全新的、以网格为基础的寰宇通用区域参考框架， 有助于旷地合资举止中各举止单元的互相妥洽， 以及多部门、多源地舆空间数据的集成分享， 将建立起一套新的基于网格的地舆空间估计体系伊伊系列， 在翌日的空间大数据应用中发扬紧要作用。