專利名稱：一種基于sdog的三維地球系統(tǒng)格網(wǎng)的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)的組織、建模及模擬領(lǐng)域，尤其涉及一種顧及地球 系統(tǒng)特征的三維地球系統(tǒng)格網(wǎng)的構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
上世紀后期以來，氣候變暖、區(qū)域干旱化、海平面上升、厄爾尼諾現(xiàn)象等全球問題 日益突出，已成為了阻礙人類可持續(xù)性發(fā)展的核心問題。地球系統(tǒng)科學將地球的巖石圈、水 圈、冰圈、大氣圈、生物圈乃至近地行星作為地球系統(tǒng)來看待，從整體的高度來研究系統(tǒng)內(nèi) 各種作用及各層圈間的相互作用，進而更全面、深入地揭示全球變化的基本規(guī)律，提高人類 認識和預測全球變化的能力，為全球變化等問題的研究提供了一個新的方向。對地觀測技術(shù)及對地觀測集成技術(shù)的快速發(fā)展為全球變化與地球系統(tǒng)科學研究 提供了強有力的信息資源保障，但同時也為地球科學家認識、重構(gòu)、管理、利用和分析這些 海量的多維、多尺度觀測數(shù)據(jù)帶來了困難和挑戰(zhàn)。如何對這些海量的多維、多尺度觀測數(shù)據(jù) 進行統(tǒng)一組織管理、三維重構(gòu)，并對地球系統(tǒng)內(nèi)不同尺度的對象及現(xiàn)象進行三維表達、系統(tǒng) 模擬與可視化分析，已成為地球系統(tǒng)科學及空間信息學研究的瓶頸與關(guān)鍵。目前普遍采用的方法是利用傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)模型進行組織和建模，但傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù) 模型以地圖投影為基礎(chǔ)，所有空間數(shù)據(jù)須經(jīng)過地圖投影才能有效地組織和建模。投影是一 種將球面展開為平面的數(shù)學手段，將不可避免地產(chǎn)生幾何變形，數(shù)據(jù)裂縫及空間度量的不 準確性等系列問題。若研究區(qū)域僅局限于小區(qū)域范圍，如研究區(qū)域半徑小于10km，以至于該 區(qū)域范圍內(nèi)球面可視為平面，則利用傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)模型進行數(shù)據(jù)的組織、建模及分析就可 忽略投影的產(chǎn)生的問題。但當研究區(qū)域擴大至跨越投影帶范圍，如一個國家或者全球范圍， 則投影產(chǎn)生的問題將非常突出。也就是說，傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)模型已不能適應全球大區(qū)域化的 空間數(shù)據(jù)的組織與建模，需另尋一種可滿足大區(qū)域大尺度空間數(shù)據(jù)組織與建模的方法。球空間格網(wǎng)模型是一種利用空間離散化手段對球面或球體空間進行格網(wǎng)剖分，并 用離散的網(wǎng)格組織管理空間數(shù)據(jù)的新的數(shù)據(jù)模型。與傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)模型相比，它直接基于 球面或球體空間，省去了投影這一環(huán)節(jié)，有效地避免了投影產(chǎn)生的系列問題，彌補了傳統(tǒng) GIS數(shù)據(jù)模型在大區(qū)域大尺度空間數(shù)據(jù)組織與建模方面的不足。球空間格網(wǎng)模型的核心問題是球空間的網(wǎng)格離散化。按被離散空間劃分，球空間 離散格網(wǎng)可分為球面離散格網(wǎng)和球體離散格網(wǎng)。球面離散格網(wǎng)是一種基于球面空間的離 散格網(wǎng)，這方面代表性的成果主要有1968年WilliamSOn[1]提出的基于正二十面體的六 邊形格網(wǎng)模型；1987年Lukatela[2]提出了球面Voronoi多邊形自適應格網(wǎng)模型；1990年 Fekete[3]提出的基于二十面體的球面三角格網(wǎng)模型；1996年DUttonM提出的基于正八面 體的四元三角網(wǎng)模型；2007年崔馬軍[5]提出的球面退化四叉樹格網(wǎng)模型等等。球面離散 格網(wǎng)僅局限于球面空間，即地球表面，對于地表以上及以下空間的三維對象的表達卻無能 為力，而三維對象的表達正是研究多圈層相互作用的地球系統(tǒng)科學所亟需的，故球面離散 格網(wǎng)模型不能擔當?shù)厍蛳到y(tǒng)科學數(shù)據(jù)組織、建模與模擬的大任。
球體離散格網(wǎng)是一種基于球體三維空間的離散格網(wǎng)，屬于三維格網(wǎng)。受大氣、氣 候、海洋及地球動力學等學科需求的牽引，球體離散格網(wǎng)在地球科學領(lǐng)域有著廣泛的應用。 最常用的球體三維格網(wǎng)是基于球體極坐標的經(jīng)緯三維格網(wǎng)，該格網(wǎng)采用經(jīng)緯線和球面自然 劃分，具有剖分簡單及與容易與經(jīng)緯度坐標系集成的優(yōu)點，但該格網(wǎng)在南北極處收斂為一 點，格網(wǎng)的大小嚴重不均勻，給空間數(shù)據(jù)組織與建模帶來許多問題，如尺度的不一致、數(shù)據(jù) 冗余等。2004年Kageyama[6]提出了一種Yin-Yang格網(wǎng)，將地球分成兩個等同的球面部分， 對每個球面采用一致的經(jīng)緯格網(wǎng)劃分，若干個連續(xù)半徑的球面格網(wǎng)構(gòu)成了三維的Yin-Yang 格網(wǎng)。該格網(wǎng)在球面上具有良好的均勻性，但在徑向上卻具有與經(jīng)緯三維格網(wǎng)同樣的缺陷， 隨著半徑的增大，網(wǎng)格不斷地向外擴散，網(wǎng)格不具有均勻性。而且Yin-Yang網(wǎng)格的邊界線 不完全是經(jīng)緯徑線，不符合經(jīng)緯特征，難以有效地與基于經(jīng)緯度的球體坐標系集成。此外它 是一種重疊格網(wǎng)，兩個格網(wǎng)組成部分在邊界處具有重疊，這種重疊技術(shù)在有限元分析領(lǐng)域 有利于解決部件間的相對運動模擬，但對于跨格網(wǎng)邊界的對象整體表達是不利的，甚至無 法有效地建模。2006年德國學者K. Stemmerm提出了一種基于立方體投影的光滑六面體格 網(wǎng)，將立方體的六個面向球面投影，球面上采用連接各邊中點遞歸細分各格網(wǎng)，半徑方向上 采用自然球面的方式劃分。與Yin-Yang格網(wǎng)類似，網(wǎng)格在徑向上不斷發(fā)散，網(wǎng)格不具有均 勻性，并且其網(wǎng)格的邊界線也不完全是經(jīng)緯徑線，難以有效地與球體坐標系集成。2009年吳 立新[8]提出了一種球體退化八叉樹格網(wǎng)(Spheoid Degenerated Octant Grid，SD0G)，該 格網(wǎng)采用了分割與合并的策略，避免了網(wǎng)格在球面及徑向上的不均勻性，并且由于采用了 經(jīng)緯徑線自然劃分，格網(wǎng)數(shù)據(jù)很容易與球體坐標系集成，因而它是一種較為優(yōu)秀的三維球 體離散格網(wǎng)。但無論是基于球體坐標的經(jīng)緯三維格網(wǎng)、Yin-Yang格網(wǎng)、光滑六面體格網(wǎng)，還 是SDOG格網(wǎng)，都屬于抽象意義上的格網(wǎng)，是一個未賦予具體意義的格網(wǎng)。而地球系統(tǒng)科學 所研究的地球系統(tǒng)空間是一個復雜的、具有實質(zhì)意義和多圈層特征的三維空間，需要一種 具有地球系統(tǒng)特征的數(shù)據(jù)組織、建模與模擬平臺，也就是需要一種顧及地球系統(tǒng)特征的三 維格網(wǎng)框架。本發(fā)明將基于SDOG提出一種顧及地球系統(tǒng)特征的三維地球系統(tǒng)格網(wǎng)，為地球系 統(tǒng)科學提供一個更為實用的數(shù)據(jù)組織、建模與模擬的格網(wǎng)框架。參考文獻[l]ffilliamson,D. L. . Integration of the barotropic vorticity equation on a spherical geodesic grid. Tellus,1968,20(4) :642-653.[2]Hrvoje Lukatela, Auto Carto. Hipparchus Geopositioning Model :An overview[C]. Proceedingsof Eighth International Symposium on Computer-Assisted Cartography, Baltimore, Maryland,1987 :87-96.[3]FEKETE G. Rendering and Managing Spherical Data with Sphere Quadtrees[A]. Proceedings ofthe First 1990IEEE Conference on Visualization[C]. [s. 1. ] : [s. n. ]. 1990. 176-186.[4]DUTTON G. . Encoding and Handling Geospatial Data with Hierarchical Triangular Meshes[C]. Proceeding of 7th International Symposium on Spatial Data Handling, Netherlands :Talor&Francis, 1996 :34-43.[5]崔馬軍，趙學勝等.球面退化四叉樹格網(wǎng)的剖分及變形分析[J].地理與地理信息科學,2007,23(6) :23-25.[6]Akira Kageyama. Dissection of a sphere and Yin-Yang grids. Journal of the Earth Simulator, 2005, 3 :20-28.[7]K. Stemmer, H. Harder, U. Hansen. A new method to simulate convection with stronglytemperature-and pressure-dependent viscosity in a spherical shell !Applications to the Earth' smantle. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2006,157 :223-249.[8]吳立新，余接情.基于球體退化八叉樹的全球三維格網(wǎng)與變形特征.地理與地 理信息科學，2009，25(1) :1 4.

發(fā)明內(nèi)容
(一)解決的技術(shù)問題傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)模型受投影的制約，已不適用于大區(qū)域大尺度的空間數(shù)據(jù)組織與建 模，無法滿足地球系統(tǒng)科學等領(lǐng)域的需求。球空間格網(wǎng)模型的興起為大區(qū)域大尺度空間數(shù) 據(jù)組織與建模提供了一種可行的方法。然而，球面離散格網(wǎng)模型只能解決球面空間的數(shù)據(jù) 組織與建模，不能對三維空間數(shù)據(jù)進行組織與建模，仍無法滿足地球系統(tǒng)科學的實際需求。 球體離散格網(wǎng)模型雖能解決上述問題，但該模型的核心——球體離散格網(wǎng)卻一直停留在一 種理想化狀態(tài)，并未考慮到真實的地球系統(tǒng)特性，缺乏對于地球這種具有三維多圈層結(jié)構(gòu) 的復雜系統(tǒng)的支持。本發(fā)明將基于SDOG將提出一種顧及地球系統(tǒng)特征的三維地球系統(tǒng)格網(wǎng)，為地球 系統(tǒng)科學提供一個更為實用的數(shù)據(jù)組織、建模與模擬格網(wǎng)框架。(二)技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明將基于SDOG提供一種三維地球系統(tǒng)格網(wǎng)的構(gòu)建方法，其 內(nèi)容包括多層次網(wǎng)格剖分、多層次網(wǎng)格編碼及顧及地球系統(tǒng)特征的多層次格網(wǎng)局部整形。1多層次格網(wǎng)剖分的技術(shù)方案采用固定的球體代替SDOG所使用的虛擬球體，固定的球體半徑取地球半徑的兩 倍。具體剖分方案沿用SDOG的剖分方法。2多層次網(wǎng)格編碼的技術(shù)方案球體經(jīng)八等分后被分為8個八分體，每個八分體用1個象限碼標識，象限碼由0 7八個碼元表示。八分體內(nèi)部的網(wǎng)格采用增減碼元和退化Z曲線填充方式進行編碼。增減 碼元編碼從縱向上確定了碼的位數(shù)，而退化Z曲線填充編碼則從橫向上確定了每個碼位的 碼元，縱橫兩向的編碼結(jié)合就構(gòu)成了八分體內(nèi)部網(wǎng)格的編碼，該編碼被稱之為網(wǎng)格子碼。圖 2顯示了增減碼元的編碼方式，右圖灰色的4個網(wǎng)格是左圖灰色網(wǎng)格的子網(wǎng)格，子網(wǎng)格的編 碼為父格網(wǎng)碼編碼的基礎(chǔ)上增加一個碼元。退化Z曲線由正常Z曲線變異而得，如圖3所示。當正常Z曲線填充的若干個節(jié) 點退化成一個節(jié)點時，則相應的節(jié)點編碼也發(fā)生退化，即取退化前若干個節(jié)點編碼的最小 碼作為退化后節(jié)點的編碼。圖4為三種基本網(wǎng)格的退化Z曲線填充編碼方案。最終的網(wǎng)格編碼為象限碼與網(wǎng)格子碼的組合，即“象限碼+網(wǎng)格子碼”的形式。3顧及地球系統(tǒng)特征的多層次格網(wǎng)局部整形的技術(shù)方案
上述剖分后的格網(wǎng)只是抽象意義上的格網(wǎng)，而地球系統(tǒng)格網(wǎng)是賦予高低起伏的地 形、地球圈層結(jié)構(gòu)等地球特征信息的格網(wǎng)系統(tǒng)。利用網(wǎng)格粒度與數(shù)據(jù)精度的內(nèi)在聯(lián)系及格 網(wǎng)的多層次性，將地球特征信息嵌入至多分辨率的混合格網(wǎng)，在地形或圈層的內(nèi)部采用粗 粒度網(wǎng)格，而在邊界處采用滿足一定精度的更細粒度的格網(wǎng)，進而構(gòu)建具有地球特征信息 的三維地球系統(tǒng)格網(wǎng)。嵌入地球特征信息的方法采用屬性記錄的方式，即將待嵌入的信息 視為網(wǎng)格的固有屬性綁定至相應的網(wǎng)格中。地球系統(tǒng)格網(wǎng)在計算機存儲中表現(xiàn)為一系列的 格網(wǎng)編碼及相應的地球特征屬性。(三)有益效果利用本發(fā)明，可建立一個地球系統(tǒng)三維格網(wǎng)框架，用于地球系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)組織、管 理、表達、建模、模擬及可視化。


圖1為本發(fā)明提供的基于SDOG三維地球系統(tǒng)格網(wǎng)構(gòu)建方法的流程圖。圖2為網(wǎng)格編碼中增加碼元方式編碼的示意圖。圖3為網(wǎng)格編碼中退化Z曲線填充編碼的示意圖。圖4網(wǎng)格編碼中SDOG三種基本網(wǎng)格的退化Z曲線填充編碼的示意圖。圖5為網(wǎng)格剖分中對球體八等分的示意圖。圖6為網(wǎng)格剖分中對八分體細分的示意7為網(wǎng)格剖分中SDOG三種基本組成網(wǎng)格的示意圖。圖8為網(wǎng)格剖分中對緯線退化網(wǎng)格剖分的示意圖。圖9為網(wǎng)格剖分中對正常網(wǎng)格剖分的示意圖。圖10為網(wǎng)格剖分中對8個八分體進行網(wǎng)格編碼的示意圖。圖11為網(wǎng)格編碼中本實施例采用的第3象限八分體的編碼示意圖。圖12為網(wǎng)格編碼中八分體經(jīng)1次剖分后的網(wǎng)格編碼示意圖。圖13為網(wǎng)格編碼中八分體經(jīng)2次剖分后的網(wǎng)格編碼示意圖。圖14為地球系統(tǒng)特征修復中，多層次網(wǎng)格地形表達的示意圖，其中A為水準面，B 為地形表面。
具體實施例方式1、多層次網(wǎng)格剖分網(wǎng)格剖分基本沿用SDOG的剖分方法，只在待剖分球體的選取上有所變化，具體剖 分方法如下1)選取半徑為2禮的球體作為待剖分的球體，其中Rtl為地球的最小半徑2)將球體按經(jīng)緯圈八等分，得8個八分體，如圖5所示。3)對于八分體按如下步驟進行剖分。記該次剖分為第1次剖分，并稱剖分后的網(wǎng) 格為1剖次網(wǎng)格。①等分徑線，以半徑為原半徑一半的球面切割八分體，如圖6a所示。②等分經(jīng)線，取圖6a外部格網(wǎng)左右兩經(jīng)線的中點，用緯線連接兩中點，再以新產(chǎn) 生的緯線與球心所構(gòu)成的圓錐面切割該網(wǎng)格，其余網(wǎng)格保持不變，如圖6b所
③等分緯線，取圖6b外部下面的網(wǎng)格的上下緯線中點，以兩中點及球心確定的平 面切割該網(wǎng)格，其余網(wǎng)格保持不變，如圖6c所示。4)經(jīng)上述剖分后，每個八分體產(chǎn)生了 4個子網(wǎng)格，可歸類為三種網(wǎng)格，分別稱之為 球面退化網(wǎng)格、緯線退化網(wǎng)格和正常網(wǎng)格，如圖7所示。該三種網(wǎng)格為SDOG的三種基本組 成網(wǎng)格，所有更高剖次的網(wǎng)格都將由三種基本網(wǎng)格組成。5)三種基本網(wǎng)格進一步細分的方法如下①球面退化網(wǎng)格剖分球面退化網(wǎng)格是一個尺寸更小的八分體，具體剖分方法請 參見八分體的剖分。②緯線退化網(wǎng)格剖分與球面退化網(wǎng)格剖分類似，如圖8所示。③正常格網(wǎng)剖分采用正常八叉樹進行網(wǎng)格剖分，如圖9所示。6)重復幻步驟，遞歸剖分所有網(wǎng)格，直至粒度滿足要求為止。經(jīng)過η次剖分后的 網(wǎng)格，稱為η剖次網(wǎng)格。2、多層次網(wǎng)格編碼網(wǎng)格編碼采用增減碼元和退化Z曲線填充結(jié)合的方式進行編碼，具體編碼步驟如 下1)球體八等分后產(chǎn)生了 8個八分體，分別用(Γ7個數(shù)表示，八分體的編碼被稱為象 限碼，如圖10所示?，F(xiàn)以第3象限為例(圖11)，闡述格網(wǎng)編碼的過程。2)八分體1次剖分產(chǎn)生了若干個子網(wǎng)格。子網(wǎng)格之間采用新增的碼元進行標識。 新增的碼元為退化Z曲線填充結(jié)果，具體填充方法請參見圖2和圖3。圖12b為1剖次網(wǎng) 格的編碼結(jié)果，其中缺失的“33”碼為保留碼，不參與整個編碼系統(tǒng)，是一個不被使用的碼。3) 2剖次網(wǎng)格的編碼在1剖次網(wǎng)格的基礎(chǔ)上增加1個碼元，新碼元的編碼同樣由退 化Z曲線填充結(jié)果決定。圖13顯示了 2剖次網(wǎng)格的編碼結(jié)果，其中每個編碼的最后一位數(shù) 字為新增的碼元。4)依此類推，n+1剖次的網(wǎng)格編碼在η剖次網(wǎng)格編碼的基礎(chǔ)上增加一個新碼元，新 碼元由退化Z曲線填充結(jié)果決定。任意剖次的網(wǎng)格具有一個唯一的編碼，編碼的長度即為 剖次。3、顧及地球系統(tǒng)特征的多層次格網(wǎng)局部整形多層次格網(wǎng)局部整形即把地球特征信息綁定至多層次、多分辨率格網(wǎng)中。SDOG的 多層次和多分辨率特征表現(xiàn)在不同的網(wǎng)格粒度上，網(wǎng)格粒度分為球面粒度和徑向粒度兩 種，都采用網(wǎng)格的剖次進行描述。球面粒度與水平數(shù)據(jù)精度的關(guān)系為
權(quán)利要求
1.一種三維地球系統(tǒng)格網(wǎng)的構(gòu)建方法，其特征在于，三維地球系統(tǒng)格網(wǎng)包括以下三個 方面內(nèi)容多層次網(wǎng)格的剖分；多層次網(wǎng)格的編碼；顧及地球系統(tǒng)特征的多層次格網(wǎng)局部整形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維地球系統(tǒng)格網(wǎng)的構(gòu)建方法，其特征在于，所采用的多層 次網(wǎng)格以球體退化八叉樹網(wǎng)格(SDOG)為基礎(chǔ)；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維地球系統(tǒng)格網(wǎng)的構(gòu)建方法，其特征在于，球體退化八叉 樹網(wǎng)格的剖分球體為兩倍地球半徑的虛擬球體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維地球系統(tǒng)格網(wǎng)的構(gòu)建方法，其特征在于，多層次網(wǎng)格的 編碼采用退化Z曲線填充和增減碼元的方式進行編碼。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維地球系統(tǒng)格網(wǎng)的構(gòu)建方法，其特征在于，退化Z曲線填充 為正常Z曲線填充的一種變種，正常Z曲線(三維Z曲線)填充要求父結(jié)點正好擁有8個 子結(jié)點，若父結(jié)點的若干子節(jié)點退化為一個子結(jié)點時，則該子結(jié)點的退化Z曲線填充編碼 為退化前若干子結(jié)點正常Z曲線填充編碼的最小編碼，其余未發(fā)生退化的子結(jié)點的退化Z 曲線填充編碼依舊為正常Z曲線的填充編碼。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維地球系統(tǒng)格網(wǎng)的構(gòu)建方法，其特征在于，增減碼元的編 碼方式為子網(wǎng)格的編碼在父網(wǎng)格編碼的基礎(chǔ)上增加一個碼元，具體碼元由退化Z曲線填充 結(jié)果決定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維地球系統(tǒng)格網(wǎng)的構(gòu)建方法，其特征在于，將地球系統(tǒng)特 征信息，如地形高低起伏、多圈層結(jié)構(gòu)信息等，嵌入至多層次網(wǎng)格系統(tǒng)中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的三維地球系統(tǒng)格網(wǎng)的構(gòu)建方法，其特征在于，將地球特征信 息視為地球系統(tǒng)格網(wǎng)的固有屬性，通過數(shù)據(jù)庫記錄網(wǎng)格編碼及相應固有屬性的方式構(gòu)建三 維地球系統(tǒng)格網(wǎng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的三維地球系統(tǒng)格網(wǎng)的構(gòu)建方法，其特征在于，采用混合的多 層次、多分辨率SDOG格網(wǎng)共同表達地球系統(tǒng)特征信息，其實體內(nèi)部信息采用相對粗略的網(wǎng) 格，而在邊界處采用更為精細的網(wǎng)格。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于球體退化八叉樹網(wǎng)格的三維地球系統(tǒng)格網(wǎng)構(gòu)建方法，包含三個方面的內(nèi)容網(wǎng)格剖分、網(wǎng)格編碼及地球系統(tǒng)特征修復。技術(shù)方案包括利用退化八叉樹剖分方法遞歸細分兩倍地球半徑的球體；以退化Z曲線填充及增減碼元的方式編碼多層次網(wǎng)格；視地球系統(tǒng)特征如多圈層結(jié)構(gòu)特征信息為網(wǎng)格的固有屬性，內(nèi)部采用粗糙網(wǎng)格而邊界處采用更為精細網(wǎng)格的方式，將地球系統(tǒng)特征信息嵌入至抽象的網(wǎng)格系統(tǒng)中。本發(fā)明解決了現(xiàn)有網(wǎng)格系統(tǒng)過于抽象化及難以支持真實的具有三維多圈層結(jié)構(gòu)的地球系統(tǒng)數(shù)據(jù)的組織、建模及模擬的等問題，構(gòu)建了一種顧及地球系統(tǒng)特征的三維網(wǎng)格系統(tǒng)，為地球系統(tǒng)科學提供一個更為實用的數(shù)據(jù)組織、建模與模擬格網(wǎng)框架。
文檔編號G06T15/00GK102044087SQ20091018074
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月21日
發(fā)明者余接情, 吳立新 申請人:余接情, 吳立新