2016年12月13日，程承旗教授在“中关村大数据日” 时空大数据论坛做主题演讲

地球空间参考网格国际国内发展概述

随着科学技术的快速发展，地球空间信息涉及范围已经从地球表面扩展到了地下、水下、空中，乃至太空。如何在海、陆、空、天尺度上准确地描述实体位置与区域，实现统一标识，从而统一组织管理海陆空天的海量数据，已成为亟待解决的问题。地球空间参考网格将地球空间划分为形状相近、大小规则的多层次体元（或面片），可以为解决该项问题提供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（United States National Grid）、英国国家格网BNGR（British National Grid Reference）和中国国家地理网格等。除了各项国家标准外，在军事应用中空间参考网格体系也有重要的发展，其中美军发展的军用网格参考系统MGRS (The Military Grid Reference System，在美国范围USGN与MGRS完全一致)、GARS（Global Area Reference System）等，已作为美军空地坐标表达的全球地理位置编码标准，满足作战系统与指挥机构协同运作的需要。然而，这些网格系统局限在地球表面空间，尚不能称为包括整个地球立体空间的地球空间参考网格。

目前，国内外对具有立体空间概念的地球空间参考网格研究已取得了一定的进展，包括Yin-Yang格网、Ballard 格网、Cube-sphere 格网、球体退化八叉树格网等。发展一套能对三维地球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，且能完整表达空、天、地、地下数据的地球空间参考网格是目前学术界关注的热点。

地球空间参考网格的定义

人类主要活动的空间称为地球空间，主要包括地表及地下（水下）空间、地表至20公里的航空空间、20至100公里的临近空间、100至50000公里的卫星空间。本文提出的地球空间参考网格定义为将地心至地球外围5万km的地球空间进行某种方式的剖分，构成的空天地一体化的网格框架。

根据地球空间参考网格的定义及其实际应用需求，对于地球空间参考网格体系具有以下三点设计要求：

（1）立体性：地球空间参考网格覆盖整个地球立体空间，包括自地心至50000公里高空的地球空间。地球空间参考网格应该对整个地球立体空间进行网格划分及编码。

（2）二三维一致性：地球空间参考网格与地球球面参考网格具有一致的映射关系。地球空间参考网格可以转化为二维地球球面上的参考网格框架，从而能够表达已有的二维地球球面上的空间信息。

（3）包容性：地球空间参考网格应与经纬度等主要标准网格建立较好的转换关系，从而能够更好的适用于辅助已有的标识体系。

以上三点应作为地球空间参考网格设计的基本要求。

GeoSOT地球空间参考网格及其编码

在国家973项目支持下，本文提出了一套空天地一体化地球空间参考网格技术体系：2n一维整型数组的全球等经纬度剖分网格系统（Geographical coordinate global Subdivision grid with One-dimension-integer on Two to n-th power，简称GeoSOT）。GeoSOT网格设计的核心思想是：对自地心至地球外围5万km的地球立体空间，进行八叉树剖分，并且将地球经纬度空间进行三次扩展 （将地球及其邻近经纬度空间扩展为512°×512°×512°，将1°扩展为64′，将1′扩展为64″），从而实现整分整度整秒的剖分网格，形成一个大到整个地球空间（0级）、小到厘米级体元（32级）的多尺度八叉树网格树，同时涵盖4˚、2˚、1˚、2′、1′、2″、1″、0.5″八个基本体元或面片。其网格划分方式的核心思路如图1所示。

图1 GeoSOT地球空间参考网格划分方式

其中，基于经纬度坐标的地球立体空间如图2所示，其经纬度坐标以本初子午线与赤道的交点为原点。纬圈为等间隔、等长的直线，经线为与纬线垂直的、等间隔、等长的直线，经线长度与纬线长度之比为1:2，北极点、南极点成为与纬线平行且等长的直线；纬度范围是-90˚到90˚，经度范围是-180˚到180˚。在空间高度上，以参考椭球中心为0，空间高度最大到为512˚，地球表面大约在高度为180˚/π附近，最大高度离地面大约为5万公里。设定高度单位是度分秒，参考椭球参数，建立空间高度单位与千米、米的换算关系：D˚×πR/180˚=H km。其中，R为地球平均半径，H为地心与该经纬度平面的高程。

图2 地球立体空间示意图

在GeoSOT八叉树经纬度剖分网格的基础上，我们对网格构建一一对应的层次性编码。第0层为整个地球立体空间，标记为G，自G开始每一级网格都在上一级网格基础上采用Z序编码，Z序编码方向与该网格所在1级网格相关。（如图3所示）GeoSOT网格编码共具有四种形式：八进制1维编码、二进制1维编码、二进制3维编码、十进制3维编码。这四种形式是完全对应、一致的，并且相互之间可以方便转换。

图3 GeoSOT八叉树剖分编码方式

GeoSOT地球空间参考网格编码最长采用32位8进制数值（0、1、2、3、4、5、6、7）,第1-9位是度级网格编码,第10-15位是分级网格编码,第16-21是秒级网格编码,第22-32位是秒以下网格编码；编码长度表示网格层级，编码长度越长，网格越细；书写编码时,前面以G开头，度分秒级编码以“-”隔开，秒以下编码以“.”隔开,形式如下：

Gddddddddd-mmmmmm-ssssss.uuuuuuuuuuu

当GeoSOT地球空间参考网格高度为大地高时（或地球平均半径），此时高度维退化，真三维地球空间参考网格框架就变为二维球面上的参考网格框架，我们称之为GeoSOT球面参考网格。二维球面的网格划分方式为：对地球表面空间进行四叉树剖分，并且将地球经纬度空间进行三次扩展(将地球表面经纬度空间扩展为512°×512°，将1°扩展为64′，将1′扩展为64″)。其中，地球表面空间以赤道与本初子午线的交点为原点，纬度范围是-90°到90°，经度范围从-180°到180°。

GeoSOT球面参考网格编码与GeoSOT地球空间参考网格编码形式与结构一致，GeoSOT球面参考网格也采用Z序编码，并具有四种形式：四进制1维编码、二进制1维编码、二进制2维编码、十进制2维编码。

 GeoSOT地球空间参考网格特性分析

GeoSOT地球空间参考网格体系具备以下几个特点：

（1）立体性：GeoSOT地球空间参考网格完整覆盖自地心至50000公里高空的地球空间，将整个地球及邻近空间分成约56万亿个1至32级尺度的体元，每个体元都有一个唯一的整型编码。

（2）立体网格与球面网格的一致性：当GeoSOT地球空间参考网格高度为大地高时（或地球平均半径），此时高度维退化，真三维地球空间参考网格框架就变为二维地球球面上的参考网格框架。因此，GeoSOT立体空间参考网格与球面空间参考网格形成无缝连接，立体空间参考网格也能无缝关联球面数据。

（3）包容性：GeoSOT的网格与经纬度标准网格具有良好的包容关系，GeoSOT网格包容了国内外主要的测绘、气象、海洋、国家地理网格。通过公式运算和推演，已证明GeoSOT的基本面元能够聚合成国外的GeoWeb、Georef、GARS、MaidenheadGrid Squares、NAC、DTED、MGRS、USNG等，以及国内的航空图分幅、气象分幅、海图分幅、国家地理格网、国家标准比例尺地形图分幅等，GeoSOT与国内外重要网格都具有良好的包容性。

（4）空天地数据的高效表达：GeoSOT地球空间参考网格的体元是多尺度的，并且每一尺度的体元均无缝、无叠充满着整个地球立体空间，因此理论上任何空天地数据都可以用相应的体元或面片聚合而成。包括：传统的测绘、气象、海洋、遥感数据等地球表面信息，以及海洋水下数据、气象云体数据、重力场电磁场数据等各类空天信息。（如图4）

图4 GeoSOT表达点对象示意图

（5）支持空天地动目标的统一组织与表达：GeoSOT的地球空间参考网格框架，为空、天、地、地下动目标的表达提供了一种新的组织、管理与表达方式。由于GeoSOT空间网格充满着整个地球空间，任何一个动目标只要赋予空间网格编码及时间属性，就能实现地球空间范围内，动目标的描述、管理与表达。对每一个目标表达时，我们都采用（C,T,A）三元组进行描述，其中C为若干个体元（面片）的集合（C0C1…Cn），T记录时间属性，A为对象的基本属性信息的集合（A0A1…An）。

（6）空天地数据的统一关联：基于GeoSOT地球空间参考网格及其编码，即可以为各类空天数据赋予唯一空间区位标识，这些数据在逻辑上就形成了在地球空间上的统一关联。

应用前景展望

有利于发展空间大数据区位标识体系

随着科技的进步，数据呈现爆炸式的增长，大数据这一概念逐渐受到各界的广泛关注。目前较公认的4V定义认为，大数据需要满足4个特点：规模性（volume）、多样性（variety）、高速性（velocity）、价值性（value）[8]。空间大数据是指蕴含了空间含义的大数据。这些空间大数据具有数量巨大、种类繁多、数据结构复杂、计算密集型的特点，如何有效地存储、管理、共享，并从中挖掘有效信息，成为迫切需要解决的问题。

由于所有空间大数据都蕴含了空间含义，它们都可根据其空间含义在数据属性中附加区位属性。这一区位属性可能直接包含在已有数据属性中，如遥感卫星影像中包含拍摄区域的区位属性，又如社交网络中发布的文字带有发布时所在的位置属性；另外，这一区位属性可能隐含在数据对象中，如文本、视频的内容隐含了区位含义。因此，区位属性可作为空间大数据的基础属性。

因此，发展空间大数据统一的空间区位标识体系，对于空间大数据的管理与应用具有重要意义：首先，有利于构建一套统一的空间区位标识方法，用以表达大数据本身所包含的空间区位属性；其次，借助这一空间区位标识，能够将不同对象之间的K维关联降为1维关联[9]；最后，基于统一的空间区位标识，提供了一套对地理位置量化的记录方式，有利于展开对不同对象之间地理空间关联程度的度量与计算。从而，通过标识编码、降维、计算与度量，能够为空间大数据分析奠定基础。

有利于发展空间信息基础设施数据区位标识与交换标准

国家空间信息基础设施(Spatial Information Infrastructure, 简称SII)是支持空间信息网络传输、交换、共享和集成应用的公共通信网络平台、数据网络系统及其相关的技术体系和组织体系[10]。我国国家空间信息基础设施的建设快速发展，在服务平台搭建、关键技术研究、标准研制等方面取得了显著的成绩。尽管如此，空间信息基础设施本身的发展还面临着迫切需要解决的问题。目前，各类专业应用标准之间缺乏必要的协调，相关产业也迫切需要发展产品标准规范，如导航电子地图等地理空间信息标准急需出台，这有利于空间信息的统一管理与交换，有利于全国甚至全球范围内的空间信息基础设施建设。

加强地理空间信息区位标识标准化工作，特别是地理空间信息区位标识分类与编码标准、地理空间信息数据区位标识交换格式标准等需求迫切。基于地球空间参考网格建立统一的地理空间数据区位编码，有利于发展一套能将遥感数据、基础地理数据等统一关联的区位标识体系，并有利于进一步发展各部门数据交换的统一标准，对于遥感数据与基础地理数据统一管理、各部门数据联合应用等具有重要意义。

有利于发展统一的遥感对地观测数据组织技术

遥感对地观测系统涉及多种类型卫星，包括遥感卫星、测绘卫星、定位导航卫星、气象卫星、海洋卫星等。当前，各部门不同类型的卫星数据组织规格不一（景、条带等），如测绘、气象、海洋等不同部门的数据规格大多不一致，对各部门之间信息共享和联合应用造成一定困难 [11]；同时，同一传感器产生的观测数据在不同数据处理流程中（从数据接收、初级处理、高级处理，到应用展示、产品分发）分块规格也不一致，这增加了很多额外的处理工作量，也在一定程度上制约了空间信息产品的应用时效性。

基于GeoSOT地球空间参考网格与现有各部门主要网格具有包容性的重要特性，可以发展遥感对地观测数据统一的分块规格，能将现有的多源异构遥感数据统一组织起来，提高跨部门空间信息交换共享与拼接的便捷性，为空间信息联合应用奠定更好基础。

有利于发展新型导航定位网格编码技术

与传统的经纬度定位方式相比，导航定位网格编码不仅能够标识导航定位过程中的空间位置，还能表达空间对象的区域范围。目前，国外已经进行了导航定位网格编码的应用尝试，例如美国的国家地理网格USNG已经在导航终端中显示用于辅助经纬度标识，在日本车载导航中广泛使用的MapCode等。

空天地一体化的地球空间参考网格可以作为发展新型导航定位网格编码的基础，利用这套新型导航定位网格编码，对导航数据进行统一组织与表达。由于新型导航定位网格与空天地一体化地球空间参考网格的统一，通过地球空间参考网格能将其他空间信息快速关联到导航定位网格中，进而为位置服务技术体系提供一种新型的信息关联服务。

有利于空天地及地下目标的真三维表达与管理

目前对地理信息的表达与管理方式主要为2维或2.5维，仅表达了对象的位置及包络面信息，尚不能完整表达出地理对象的空间内部特征和变化规律[12]。而球面空间参考网格也如2维或2.5维一样，仅表达了对象在地球表面的投影位置，无法对立体对象进行真实的描述。真三维空间表达考虑到了将z值作为连续的多个值出现，将（x,y,z）化为实体区域，不仅能够描述对象的表面信息，还能够描述对象实体的内部信息。

由于GeoSOT地球空间参考网格的体元弥漫在自地心至地球外围5万km高空，每一尺度的体元均无缝无叠地充满着整个地球立体空间，因此理论上任何空、天、地、地下目标都可以用相应的体元或面片编码实现真三维表达，从而实现在地球空间参考网格上的统一管理。目前，基于该地球空间参考网格体系已经建立了对地球立体对象的真三维立体表达模型，每一体元都可记录立体对象的属性信息，例如湿度、温度、浓度等。

有利于发展更高效的数字地球平台技术

数据球已经成为信息承载与表达的主要形式，现在的问题是，现有的数据球数据组织骨架自成体系，如Google、Worldwind等，与我国的测绘、气象、海洋数据网格规格标准大多不一致。另外，由于这些数据球骨架没有地球立体空间的剖分设计，对各高度层级的空天地数据难以进行真实有效的表达、组织与管理。

因此，基于新型的地球空间参考网格技术，利用其与现有各部门数据规格包容的优势，发展一种更高效的数据球平台，在其上进行各部门数据的综合展示、表达与管理，具有重要意义。

建议：我国应形成自有技术体系及相应的国家标准

地球空间参考网格设计是一个关乎全局的问题，需要夯实科学基础，加强顶层设计。特别是在我国中长期发展规划中，需要特别关注这类全局性基础问题的研究，应逐渐形成我国自有的技术体系及相应的国家标准。目前，国家973、863等研究成果为发展我国自主的地球空间参考网格技术奠定了一定的理论基础，可以为顶层设计提供一定的技术参考，但尚需进一步开展基础研究，特别是加强在各部门的应用效能验证研究。

本文以地理信息科学的发展及地球参考网格的研究进展为背景，提出了新型地球空间参考网格的概念，阐述了GeoSOT地球空间参考网格及编码的技术框架，基于地球空间参考网格提出了对地球信息科学发展的应用设想，同时以GeoSOT为例正在进行着不断的尝试和探索。本文希望能起到抛砖引玉的作用，引发更多学者同仁对地球空间参考网格的思考，并希望为创建我国地理空间信息统一组织区位标识标准提供理论支持。