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李博士谈网格之地理网格的应用

与大家日常生活紧密相关的地理网格有哪些应用?

  作者简介:李滨,地理空间信息学者,北京大学GIS博士,曾任职于NTT DATA、Leica 和Trimble 公司。主要研究兴趣包括空间信息三维建模、环境遥感、全球空天信息剖分网格理论与应用等。

  前面说了地理网格的基本概念和发展历史,下面说一下与大家日常生活紧密相关的地理网格的应用。

  位置和区位标识

  位置是我们日常生活中几乎天天会遇到的一个问题。比如上班的公司在什么位置,今天朋友聚会在哪里,某个景区在什么地点,海上救援的时候事故船只在什么方位、你的家乡在哪里……等等诸如此类,都是与位置相关的问题。而位置的标识,也有很多的方式和方法。比如人民英雄纪念碑的位置,其名称“人民英雄纪念碑”本身就是一个位置标识,在地图上就是一个POI点,同时也可以用东经和北纬这样的经纬度组合标识,也可以用文字描述为天安门南约463米,正阳门北约440米。以上说的是点状位置,如果要标识一个区域的位置和范围,那就涉及到区位的标识,通常可以用一组多边形坐标串,或中心点坐标加半径范围来表达。

  相对来说,用经纬度作为位置标识在日常大众生活中比较少见,用经纬度作为位置标识会比较的复杂也不利于记忆和信息交流,而用文字描述则存在语义的歧义性。因此,用地理网格进行位置和区位的标识从二战时期开始有了深入和持续的研究,比如美国的USNG、Google的Open Location Code、我国的GeoSOT、全球导航网格码(GNGC)等。

  地理网格用于位置和区位的标识,已经有了很多的应用,比如我们的长途电话区号、我们的邮政编码、我们的行政区划代码等,都是不规则地理网格用于区位标识的实例;而像1:100万地图分幅,则是规则地理网格用于区位标识。2004年北京市东城区在全国范围内率先实施了网格化城市管理,将市政道路等公共区域划分成1652个“万米网格”,每个网格都标识了一定的城市区域范围并确定了城市管理空间区域、管理对象、管理方式和管理主体等内容。

  数据组织

  地理网格的另一个应用是空间数据的组织。所谓空间信息组织,就是针对应用的需要,以影像、地图等各类空间信息资源为对象,根据其空间、时间及属性特征,将杂乱无序的空间信息组织为有序集合,并进行高效存储和快速检索的技术体系。

  人类对空间信息的组织,其发展历程大致经过了四个阶段:纸质地图组织、数字地图组织、数据库组织和全球信息一体化组织。在纸质地图阶段,空间信息组织的核心内容是地图绘制问题。后来科技进步,计算机应用于辅助地图的生产与制作而出现了计算机辅助制图系统,数字地图应运而生。在该阶段空间信息组织首次实现了数字化组织,但其信息组织主要体现在数字地图内容的索引管理上,组织的内容还比较有限。二十世纪六十年代的GIS的出现和发展促进了空间信息组织的研究与应用。数据库是GIS数据管理的支撑技术之一,因而GIS技术与数据库技术紧密结合,形成了颇具特色的空间数据库技术体系,建立了空间信息中实体、要素、属性等数据之间的关联和交互关系, 提高了空间信息的集成与统一表达能力;同时分布式空间数据库的发展一定程度上解决了大规模海量空间信息的分散组织、存储与索引等问题。

  随着GIS应用的发展,GIS需要处理的空间范围和数据种类日益增加,涉及到的应用尺度从局部到全球,数据量也达到TB乃至PB级,这对空间信息组织的数据量和尺度范围都提出了全新的要求,涉及到了对传统空间数据组织体系的组织基准、组织框架、信息编码、信息表达、信息计算等内容。而地理网格理论与应用的一个重要方面就是空间信息组织。将空间信息以地理网格的方式进行组织具有全球性、连续性、层次性等特点,并已初步展露出了利用网格进行空间信息组织的优势。

  信息共享

  由于空间数据的来源方式众多,数据的结构和标准在历史上并不统一,这就造成了信息共享一直是研究和应用领域的一个难点。除了对地观测技术带来的传统空间数据,目前空间数据来源还包含各种新兴的网络社交媒体和各种可穿戴设备、移动终端、应用APP提供的个人行为数据,这些数据和提取的信息如何实现跨部门、跨领域、跨平台的信息共享,也成为我们这个时代的一个挑战。

  而空间信息有一个特点,它是反映地理实体空间分布特征。空间分布特征包括了对象的位置、形状及实体间的空间关系、区域空间结构关系等。因此,空间信息描述的对象一定是包含空间位置的,而这个记录的位置在地理空间上具有唯一性。这个唯一性也就是地理网格作为信息共享的优势基础。以地理网格作为唯一性的标识,将其他的属性信息和空间关系、区域结构关系等信息以空间位置作为纽带,就可以实现多源异构空间信息的共享。

  相对于利用空间坐标比如经纬度坐标对位置进行的标识,地理网格优于网格自身具有一定的空间范围从而提升了对空间信息表达的适应程度。测量误差的存在和数据记录的方式会造成同一个人测量同一个点的经纬度值是有差别的。可能这个误差在一个毫米,但用经纬度记录就是两个数值,而如果用一个误差允许范围内的网格表达,那就是同一个值。地理网格的粒度特性是其在数据共享方面与传统的坐标表达相比的优势之一。

  大数据分析

  大数据这个词已经成为这个时代的一个热点,尤其是受到互联网巨头公司如Google、Facebook、Twitter、BAT等的推动,他们本身就拥有丰富的大数据资源,同时也为大数据分析提供了相应的技术研发,从大数据分析中提取用户行为信息以提升用户体验并提升赢利,他们本身也是大数据技术的受益者。在这一波大数据的潮流中,各个国家和政府也把大数据作为一个重要建设内容上升到战略层面。中国政府也在2014年3月首次在《政府工作报告》中提出了“大数据”一词并于2015年11月在“十三五”规划建议中把大数据上升为国家战略。未来五到十年,我国大数据发展和应用的目标将惠及全民并助力经济转型。

  对于大数据,重要的有两个方面,一个是数据,第二个是分析。数据多不是大数据,把数据集中在一起不是大数据,数据全才是大数据。在需要的时候能快速从全的数据中获取有用的信息,这种数据集,才能称为大数据。

  对于大数据的分析处理,面对大数据的数据体量庞大和数据变化快和不断积累的特点,要求分析处理的速度也必须匹配。这就涉及到数据采集整合、数据存储运算、数据分析挖掘、数据应用等各个环节,每个环节都要体现一个“快”字。这样一个合适的快速分析处理工具就显得尤为重要。据统计,地球上人类的社会、经济、人文等信息中大概80%均和地理空间位置有关。而且大数据发展和应用的发展目标也是为了惠及全民。所以,大数据分析主要是为“人”服务,而“人”是与空间位置高度相关的。因此,地理网格可以成为大数据分析的一个重要的手段。

  利用地理网格进行数据分析已经应用于网格制图的编制、人口调查统计分析、环境调查、资源调查、气象、海洋、地质等领域,包括中国的1km格网人口空间分布数据、美国国家地理信息分析中心的世界人口格网数据库、美国能源部橡树岭国家实验室的全球人口分部模型等。随着大数据行业发展与应用的深入,地理网格的优势将逐步凸显,并将成为大数据分析和应用的一个重要的利器。

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