全球导航网格码（GNGC）的研究背景

全球导航网格码（GNGC）的研究背景

Research Background of GlobalNavigation Grid Code (GNGC)

李 滨

(北京大学遥感与地理信息系统研究所，北京100871，[email protected])

 

关键词:全球导航网格码；GNGC；剖分；GeoSOT

 

1.引言

人类一直以来就对自己生活的地球世界进行着不断的认知。人类来自何方，地球是什么样的，何为宇宙，什么是时间，什么是空间，什么是空间的维度等。

 

古代从上古时代的神话传说，包括古希腊神话的普罗米修斯造人和中国古代神话女娲造人，到后来中国古代的五行、八卦学说，从“天圆地方”、地理大发现和工业革命，乃至后来计算机的出现和互联网的出现，人类对自身生活的地球空间的认知不断的深入，这一切，都与人类科学技术水平的进步紧密相关。

 

一直以来在人类历史的变迁和进步中技术变革一直具有无可替代的决定性作用。从这个角度来看，经历了石器时代、青铜器时代、铁器时代、工业与科技时代。从技术社会形态上来划分，经历了渔猎社会时代（原始时代）、农耕社会时代、工业社会时代、信息社会时代。尤其是近现代几百年以来，随着科学技术的进步，有三次生产力的飞速发展使人类的社会经历了三个质的飞跃，分别开辟了蒸汽时代（Age of Steam）、电气时代（Age of Electricity）和信息时代（Age of Information ）。不管从哪个角度上来说，现代人类社会已经迈入了信息时代甚至是数据时代。而信息时代或者数据时代也成为人类历史演进历程中具有里程碑意义的非常重要的新的时期。

 

人类进入信息或者数据时代的的一个重要的标志就是Internet与电子通信的出现、大规模应用和飞快发展作为标志。在七八十年前开始的最新一次的科技革新中让人类的文明跃进信息时代的一个里程碑性的现象就是电子计算机的广泛应用。现在，世界各个国家都在大力建设国家基础信息和信息高速公路，电子计算机设备大范围应用，已经形成全球性的各种类别的信息资源库和信息资源交流节点和中心。而全球范围内的互联网尤其是现在的移动互联网已经将这些信息资源库和信息资源交流中心连接成一个整体。再加上随着技术的进步，人类获取数据的手段和方法更加多样。可以说技术的革新已经到了爆炸的阶段，而技术的爆炸也带来了数据获取手段的提升，进而带来的是各种数据的数据量的爆炸，从而带人类进入了大数据（Big Data）时代。

 

2.大数据时代的信息处理的需求

在大数据时代，人类的遥感等对地观测技术的不断提升，使得传感器种类越来越多，精度越来越高，信息越来越丰富。比如三维激光扫描系统，每秒钟可获取上百万点的数据，其获取的信息除了目标对象的空间坐标信息之外，还有反射率信息和纹理信息（李滨等，2012）。除现有的测绘地理信息数据，人类现在的数据来源方式还包括了各种基于卫星平台的观测数据、基于飞行器的平台的遥测数据、基于静态和动态Lidar设备的三维数据。伴随着互联网技术和移动通讯技术的发展，人类也进入了移动互联的时代。

 

在移动互联时代，提供地理信息数据的传感器不单单是传统的测绘硬件设备，还经由移动终端或可穿戴设备拓展到单独的个体，每个独立的社会个体相当于都是一个社会传感器（Social Sensor），并且这个个人传感器是多源的，提供了各种各种年龄段各种背景各种行为的信息。一开始，当人类社会进入互联网时代时，internet网的出现(其中以网上论坛、及时通讯工具、虚拟社区、个人博客等为代表)为在线行为和社会网络的研究分析提供了种类繁多、数量庞大的大数据，那一时期社会计算（SocialComputing）得到兴盛发展，其研究成果包括网民活动模式挖掘、网络的舆情监控分析乃至拓展到网络反恐（李滨等，2015）。

 

进入移动互联时代后，一个新的概念--社会感知（Social Sensing）被提出来。借助于各种可穿戴式设备和移动终端，这些个人传感器能够得到日常生活中每个人的个体行为数据和集体沟通的信息，从而人类社会运动的模式就能愈发准确的被理解。经过统计研究与分析的结果可以从单体、群体与社会这几个不同侧面向社会运动与互动、人类经济的发展增加决策支持和数据支撑。这些社会感知数据在人们不知不觉中就被搜集或自动提供。例如，简单的坐飞机旅行时，当个人将手机在起飞时关闭、落地时打开这么简单的两个动作，也留下了社会个体在空间上的移动痕迹（李滨，2015）。这些单个的数据不仅仅是海量数据，当这些数据汇集在一起，就充分符合大数据的四个V特征，也就是：Volume（量大）、Velocity（变化频度大）、Variety（多样性大）、Value（价值大）。

 

社会感知数据是数据时代一种新型的大数据并与以往方式获得的数据有鲜明的不同特点。这类大数据的一个特点就是速度快、表达更直观。它可以以更高的效率为人类的生产和生活服务并且可以更加精准的进行人类服务信息的分析。以个人消费习惯为例，通过个人一定时期的购物数量和品种的分析，能得到这个人的消费喜好、消费能力和消费的特定购物时间，这样就可以定向的给这个人推送相关的其喜欢的产品的信息，有助于商家精准的定向做广告。在人类生活中现代的大数据分析非常重要，是以往的老式的方法所无法企及的。

 

从上述人类发展的历史和人类对于自身所处的世界的认知过程来看，人类社会现在处于在技术手段上、数据量上超越以往任何一个人类发展的历史阶段。因此，面对日益增多的数据，如何进行数据的组织、管理、处理、分析和表达，以形成有价值的成果以服务于人类生活和对现实世界的认知，是目前一个重要的课题。

 

3.导航的需求

在上述信息的服务中，与人类日常活动紧密相关的一个应用就是导航。导航是引导人员或设备，从指定路线的起点运动到终点的方法（Cutler,2003）。导航的应用按照领域主要可分为非民用（军事）领域和民用大众领域的应用。在非民用领域（军事），主要是引导军队和相关设备、军械、导弹、火箭等进行行动部署，此外还需要配合完成相关的侦察、监视、巡视、武器发射、反潜、应急、援救等任务。在非军事领域，主要包括个人应用和企业应用。个人应用主要是路线的导航，比如从某地点到另外一个地点的步行、公交和自驾车路线等，或是寻找居住区或工作区附近的银行、餐厅、酒店等生活服务设施。企业的应用主要体现在物流领域，包括物流配送的路线选择和优化、物流商品的在途信息等。

 

从导航的方式来说，目前基于电子地图的卫星导航应用最为普及，导航卫星包括GPS、GLONASS、Galileo、Beidou等。从上个世纪八十年代开始中国人自己开发的北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，也叫Compass/北斗）开始陆续进行发射卫星进行卫星星座的构建，在2003年完成了北斗卫星导航验证系统。随后开始不断的发射星座卫星并分别于二零零七年四月十三日成功发射了Beidou系统的首颗MEO(Compass-M1)卫星和在二零零九年四月十五日成功发射了Beidou系统的首颗GEO卫星(Compass-G2)，逐步形成覆盖区域逐步扩大的服务网络体系（杨元喜，2010）。这是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。目前中国北斗卫星系统正不断完善，中国的BDS和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO都已经得到ICG（International Committee on GNSS，全球卫星导航系统国际委员会）的认定，成为其合格的供应商。因此，伴随着北斗卫星系统的发展，北斗产业化正方兴未艾。

 

本研究基于目前导航中面临的问题与挑战，构建了新型全球导航网格及其编码模型，提出创新的导航计算模型与实现方法，为将全球导航网格码推广为全球通用标准的导航编码和北斗卫星的输出标准做一些基础性的研究工作。

 

4.现有导航系统面临的挑战

现有的导航系统经过若干年的发展，已经比较成熟，主要方法是基于矢量路网和经纬度的导航。但目前的导航系统也不够完善，实际导航应用中受到限制，主要的受限制点体现在：

 

1.传统导航对于“位置”的表达存在局限性。“位置”是空间信息的一项基本属性，在信息化社会高度发展的今天，近80%的信息具有空间信息，都离不开“位置”这一基本属性。传统导航方式下，人们对基于位置的空间信息的处理与计算都是以经纬度坐标为基础的，由于经纬度是描述地理坐标点的参数，用它来对占据一定空间面积的实体（即区域目标）进行标识，存在标识不唯一性与计算复杂（数组矢量运算）的局限性。随着空间信息量的急剧增长，这种局限性所带来的矛盾越来越突出。

 

2.基于矢量路网和POI的传统方法，在室内、空旷地面或野外无POI或路网信息的情况下无法导航，对于一些灾害应急、灾害救援、军事行动的应用方面传统导航无法满足需求；传统导航对新兴的无人机飞行导航缺乏研究与应用支撑。无人机是在无路网环境的空域飞行，它的导航方式与传统基于路网的地面导航方式不同；在精细导航方面，比如室内导航、停车场导航和小区导航等，传统导航方法缺乏有效的解决方案。

 

3.基于路网矢量线与POI在计算效率上面临挑战。随和人类基础建设速度的加快和社会信息的更新速度的飞跃，路网信息和POI信息数量上越来越多、更新频率上越来越高。这要求导航系统要面对较之以往更多的数据，在全球导航网格码延伸的一些应用中甚至还要面对海量的大数据。这就造成了传统方法无法完成大数据量的实时在线计算、路径规划动态计算等，其效果和效率受到影响，让用户体体验和实际应用效果打折扣。

 

4.目前行业还缺乏统一的导航编码标准。国外基于卫星导航系统的综合管理系统已经应用在很多的领域和行业及大众日常生活中并形成了类似于USNG等这样的应用标准。中国目前还缺乏统一的导航平台、数据标准和行业标准包括统一的导航编码标准。一个直观的现象是开发和经营卫星导航应用产品的产品和系统很多但大都相互直接没有解决由于标准缺失造成的数据共享问题和通用性和兼容性问题。这也给中国国内的行业应用以及中国企业走向世界造成了一定的阻碍。

 

上述问题可归纳为导航应用中存在的导航的区域定位问题、导航的快速计算问题、导航数据的高效组织问题和导航数据的交换应用与标准推广问题。

 

5.全球导航网格码的研究背景

为了解决上述问题，本文提出了面向导航应用的基于GeoSOT的全球导航网格。该研究是全球空天信息剖分研究方面的一个重要的分支工作。该研究的背景是：

 

2009年-2013年，北京大学联合武汉大学、信息工程大学、中国科技大学、国防科技大学等国内优势单位，完成了国家973项目“全球空天信息剖分组织机理与应用方法研究”的研究工作。项目提出了全球剖分网格框架：2ⁿ一维整型数组的全球经纬度剖分网格。初步解决了空天数据组织过程中面临的三大科学问题：基础框架、区位编码、表达模型。GeoSOT地球网格是一个上至地球外围5万公里空间，下至地心，并将整个地球空间剖分成数以兆亿个大到全球空间，小到厘米级粒度，由32级剖分体元组成的地球空间GIS平台，已有28项技术专利。项目提出了“1+4基础编码、N套应用扩展编码”的完整区位编码体系。其中，地球剖分网格编码是基础编码，已经完成。目前正在开展研究和论证的是遥感、GIS、导航和网络编码的工作，并提出建立行业、部门编码的思路与方法。

 

图1  全球空天信息剖分研究“1+4+N”体系

 

 

本文提出的全球导航网格码就是紧扣整个课题组的研究框架进行的导航定位区位编码研究。通过本研究可初步解决现有导航面临的一些问题，并为全球导航网格码的应用推广做一些初步的研究和探索工作。

 

备注：用全球网格实现全球导航的编码，称为全球导航网格码（Global Navigation Grid Code, GNGC）。全球导航网格码是空间信息剖分组织体系中的一种多尺度、离散、适用于导航定位服务的地理网格编码模型，该网格编码模型不但能够有效解决导航定位相关信息的标识问题，同时也使异构空间信息的组织、整合、共享及高效服务的问题得到解决。“全球导航网格码“的概念首先由北京大学遥感与地理信息系统研究所李滨博士根据其所在的实验室的GeoSOT研究理论基础上，在其2015年的博士论文《全球导航网格码导航计算模型研究》中首次提出。

 

 

参考文献：

Cutler, Thomas J.(December 2003). Dutton's Nautical Navigation (15th ed.). Annapolis, MD: NavalInstitute Press. ISBN 978-1-55750-248-3.

李滨,李跃明,宋济宇. 地面三维激光扫描系统中的“五度”研究[J]. 测绘通报, 2012, 03: 43-45.

李滨. 春运与大数据个人传感器[J].3S新闻周刊，2015年第64期.

李滨. 地图七十二变[N].中国测绘报,2015-01-16003.

杨元喜. 北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J]. 测绘学报,2010,01:1-6.