專利名稱::一種實現(xiàn)地球空間三維網(wǎng)格剖分的方法
技術(shù)領域:
:本發(fā)明涉及地球空間信息組織
技術(shù)領域:
,尤其涉及一種實現(xiàn)地球空間三維網(wǎng)格剖分的方法。
背景技術(shù):
:度量空間是空間數(shù)據(jù)組織與分析的基礎,也是空間最重要的數(shù)量特征。傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)組織與分析的空向參考是歐氏空間,對于球面等非歐空間下的實體,必須采用數(shù)學投影的方式轉(zhuǎn)換為歐氏空間下的平面數(shù)據(jù)才能有效組織與表達。球面是一種不能展開的曲面,要把這樣一個曲面展開在平面上,將不可避免地產(chǎn)生裂隙和褶皺,這就需要通過數(shù)學手段對經(jīng)緯線進行拉伸和壓縮,拉伸和壓縮過程實質(zhì)就是一個投影轉(zhuǎn)換的過程。將曲面投影為平面,必然導致原有數(shù)據(jù)特性的改變,特別是當區(qū)域范圍大到一定程度乃至覆蓋全球范圍時,平面投影所帶來的位置和方向等變形就具有不可忽略的影響。盡管通過某種手段能抑制變形的程度,如分帶投影,但它卻破壞了數(shù)據(jù)的整體性,帶與帶之間存在著數(shù)據(jù)的斷裂或重疊,導致全球空間數(shù)據(jù)的不連續(xù)性。度量空間的變換為地球空間分析埋下了隱患,平面空間的幾何特性并不適用于球面空間,如球面空間上兩點距離為大圓圓弧距離,球面區(qū)域的面積為曲面面積,球面上定義的直線不是無限延長的,任意兩平行直線總是相交等等。顯然,基于變換后的歐氏平面度量空間進行大區(qū)域及全球空間分析時,必將導致不正確的結(jié)果。此外,不同國家和地區(qū)采用的投影方式不盡相同,各式各樣的投影數(shù)據(jù)給全球空間數(shù)據(jù)共享帶來了無法克服的障礙,同時也給區(qū)域、國家及全球數(shù)據(jù)集成管理增添了許多麻煩,影響數(shù)字地球和國家空間信息基礎設施的建設。針對以上度量空間變換產(chǎn)生的矛盾,國外學者提出了一個新的概念—GlobalGIS[3'6](全球性地理信息系統(tǒng),GGIS)。GGIS旨在建立一個統(tǒng)一的地心參考系及精確的地球橢球體三維模型,通過建立統(tǒng)一的地心參考系和球面離散網(wǎng)格框架來解決度量空間變換的矛盾。目前,國內(nèi)外針對統(tǒng)一的地心參考系及球面離散網(wǎng)格展開了許多研究,較典型的有基于八面體的四分三角形網(wǎng)絡[1](Octahedral-QuatemaryTriangularMesh,O-QTM)、球面四叉樹[2](SphereQuadtree,SQT)、經(jīng)諱網(wǎng)格及其它一些以球體的內(nèi)接正多面體作為空間剖分基礎的球面網(wǎng)格(如正四面體、正六面體、正十二面體)。O-QTM是以正八面體作為內(nèi)接正多面體進行球面投影并產(chǎn)生八個球面三角形,然后根據(jù)頂點的經(jīng)緯度坐標對每個球面三角形進行平均,將所產(chǎn)生的三條邊的中點兩兩相連形成四個小球面三角形,以此一分四進行遞歸剖分。SQT采用正二十面體投影把球面剖分為20個等面,然后采用類似O-QTM細分的方法對每一個面進行遞歸剖分。經(jīng)緯網(wǎng)則采用對經(jīng)諱線不斷縱橫細化剖分的原理,對球面空間進行遞歸剖分。基于地心坐標的球面剖分將傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)模型所基于的歐氏度量空間引向更為貼近地球?qū)嶋H的非歐度量空間,解決了傳統(tǒng)平面投影數(shù)據(jù)不一致和不連續(xù)問題,為全球空間數(shù)據(jù)共享及集成管理掃清了障礙,也為G-GIS奠定了統(tǒng)一的球面離散網(wǎng)格框架。然而,基于地心坐標的球面剖分只停留在地球表面,未涉及地表以下。事實上,人類的認知與活動空間并不僅局限于地球表面,而是整個地球空間,包括地表、地下、大氣層和電離層等。隨著航天航空、氣象氣候、地球物理、地質(zhì)采礦、油氣開發(fā)、海底隧道、大型巖土與水利工程等快速發(fā)展,迫切需要對涉及三大圈層(巖石圈、水圈與大氣圈)、地表與地下,地質(zhì)體與工程體的整個地球空間信息進行統(tǒng)一編碼、存儲、管理、建模、表達、分析與可視化,這就需要發(fā)明一種支持地上下空間統(tǒng)一剖分的全球三維網(wǎng)格剖分方法,填補地球空間三維網(wǎng)格剖分方法的空白,進而建立新的全球三維空間網(wǎng)格框架。相關參考文獻DUTTONG..EncodingandHandlingGeospatialDatawithHierarchicalTriangularMeshes[A〗.Proceedingof7thInternationalSymposiumonSpatialDataHanding[C].[s丄]:[s.n].1996,34-43.FEKETEG.RenderingandManagingSphericalDatawithSphereQuadtrees[A].ProceedingsoftheFirst1990IEEEConferenceonViualization[C].[s.1.]:[s,n.].1990.176-186.GoldC.TheGlobalGIS[C].TheInternationalWorkshoponDynamicandMulti-dimensionGIS.HongKong,1997趙學勝.球面GIS的動態(tài)數(shù)據(jù)模型淺析,礦山測量,2003,9胡鵬,劉沛蘭等.地理信息的度量空間和GlobalGIS,武漢大學學報信息科學版2005,30(4)[6〗孫敏,趙學勝等.GlobalGIS及其關鍵技術(shù),武漢大學學報信息科學版,2008,33(1)
發(fā)明內(nèi)容(一)要解決的技術(shù)問題傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)的組織與分析是在歐氏空間下進行的,而全球空間數(shù)據(jù)卻存在于非歐空間下,即球體(含橢球體)空間,使得地理信息組織與分析不得不借助投影方法進行度量空間轉(zhuǎn)換,而度量空間轉(zhuǎn)換卻帶來了許多附加問題,如數(shù)據(jù)裂縫和褶皺,數(shù)據(jù)斷裂或重疊,數(shù)據(jù)的不連續(xù)性,空間分析結(jié)果的不正確性,數(shù)據(jù)共享與集成的復雜性等。這些問題正是數(shù)字地球及全球性地理信息系統(tǒng)所亟待解決的。近年,國內(nèi)外許多專家學者提出了多種基于地心坐標的球面剖分方法來解決該類問題,但這些方法均立足于地球表面,并沒有顧及地表以下空間和地表以上空間。隨著航天航空、氣象氣候、地球物理、地質(zhì)采礦、油氣開發(fā)、海底隧道、大型巖土與水利工程等快速發(fā)展,人類的認知與活動空間早已經(jīng)伸向了整個地球空間。顯然,僅將立足點放在地球表面顯然己經(jīng)無法滿足現(xiàn)代社會生活的需求,迫切需要對涉及三大圈層(巖石圈、水圈與大氣圈)、地表與地下,地質(zhì)體與工程體的整個地球空間信息進行統(tǒng)一編碼、存儲、管理、建模、表達、分析與可視化,這就需要發(fā)明一種支持地上下空間統(tǒng)一剖分的全球三維網(wǎng)格剖分方法。有鑒于此,本發(fā)明的主要目的在于提供一種實現(xiàn)地球空間三維網(wǎng)格剖分的方法,以填補地球空間三維網(wǎng)格剖分的空白,實現(xiàn)對地球空間進行整體剖分。(二)技術(shù)方案為達到上述目的,本發(fā)明提供了一種實現(xiàn)地球空間三維網(wǎng)格剖分的方法,該方法包括選擇一個虛擬球體;沿經(jīng)緯線方向?qū)x擇的虛擬球體進行八等分空間剖分,得到八個體積相同的八分體;以得到的八分體作為空間剖分基礎進行細分剖分,直到得到的單元體大小滿足要求為止。上述方案中,所述虛擬球體是地球空間的近似球體。上述方案中,所述虛擬球體的半徑大小視研究范圍而定,當研究范圍為大氣層以內(nèi)區(qū)域時,該虛擬球體的半徑等于參考橢球體的半徑與大氣層厚度之和;當研究范圍為地表及以下區(qū)域時,該虛擬球體即為參考橢球體,半徑等于參考橢球體的半徑。上述方案中,所述以得到的八分體作為空間剖分基礎進行細分剖分,采用退化八叉樹方法實現(xiàn)。上述方案中,所述采用退化八叉樹方法進行遞歸細化剖分,具體包括按退化八叉樹原理對剖分后的單元體進行合并,若單元體的前后諱線退化為一點,則將同一球面層的該類兩個單元體合并為一個單元體;若下表面退化為一點,則將該類四個單元體合并為一個單元體;按經(jīng)緯線和半徑同步等分和退化八叉樹合并的方法對上述合并后的單元體進行下一層次細分和合并;依此遞歸,若剖分后的單元體大小滿足要求,則停止剖分。上述方案中,所述單元體因其位置不同,經(jīng)過一次八叉樹剖分后,將產(chǎn)生八個、六個或四個小單元體。(三)有益效果1、利用本發(fā)明,通過選擇一個虛擬球體,沿經(jīng)緯線方向?qū)x擇的虛擬球體進行八等分空間剖分,得到八個體積相同的八分體,然后以得到的八分體作為空間剖分基礎,進行退化八叉樹遞歸細分,直到得到的單元體大小滿足要求為止,實現(xiàn)了對地球空間進行多層次整體剖分,填補了地球空間三維網(wǎng)格剖分的空白。2、利用本發(fā)明,可建立全球三維網(wǎng)格框架,用于全球空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織與編碼、全球空間數(shù)據(jù)集成管理與共享利用、全球三維空間多層次建模與整體可視化等地球空間信息科學與技術(shù)的關鍵領域。圖1為本發(fā)明提供的實現(xiàn)地球空間三維網(wǎng)格剖分的方法流程圖;圖2為本發(fā)明實施例中以0、90度經(jīng)面和赤道面將虛擬球體剖分成八分體的示意圖3為本發(fā)明實施例中對八分體沿半徑方向剖分的示意圖;圖4為本發(fā)明實施例中對八分體上半部分沿緯度方向剖分的示意圖;圖5為本發(fā)明實施例中對八分體上半部分的后半部分沿經(jīng)度方向剖分的示意圖6為本發(fā)明實施例中對八分體剖分后得到的完全單元體的示意圖;圖7為本發(fā)明實施例中對八分體剖分后得到的緯線退化單元體的示意圖8為本發(fā)明實施例中對八分體剖分后得到的球面退化單元體的示意圖9為本發(fā)明實施例中對完全單元體進行剖分的示意圖10為本發(fā)明實施例中對緯線退化單元體進行剖分的示意圖11為本發(fā)明實施例中面積變形比的統(tǒng)計示意圖12為本發(fā)明實施例中體積變形比的統(tǒng)計示意圖13為本發(fā)明實施例中對八分體進行一層剖分的示意圖;圖14為本發(fā)明實施例中對八分體進行二層剖分的示意圖;圖15為本發(fā)明實施例中對八分體進行三層剖分的示意圖。具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白,以下結(jié)合具體實施例,并參照附圖,對本發(fā)明進一步詳細說明。如圖1所示,圖1為本發(fā)明提供的實現(xiàn)地球空間三維網(wǎng)格剖分的方法流程圖,該方法具體包括以下步驟首先,選擇一個虛擬球體。該虛擬球體與大地測量所講的參考橢球體并非同一概念,它是一個虛擬的球體,既可以是國際大地測量協(xié)會規(guī)定的參考橢球體的近似球體,也可以是半徑大于或小于該近似球體的虛擬球體。虛擬球體的半徑大小視研究范圍而定,比如研究范圍為大氣層及以下的區(qū)域,則所選擇的球體為包含大氣層的虛擬球體;若研究范圍為地表及以下區(qū)域,則可選取參考橢球體的近似球體。其次,沿經(jīng)緯線方向?qū)x擇的虛擬球體進行八等分空間剖分,得到八個體積相同的等分體,簡稱為八分體。然后,以得到的八分體作為空間剖分基礎進行細分剖分,直到得到的單元體大小滿足要求為止。上述進行細分剖分采用采用退化八叉樹方法進行遞歸細化剖分,該退化八叉樹方法是按經(jīng)緯度和半徑同步等分的方法,對單元體進行八叉樹剖分,具體包括按經(jīng)緯度和半徑同步等分的方法,對所述八分體進行八叉樹細分,得到八個單元體;按退化八叉樹原理對剖分后的單元體進行合并,若單元體的前后緯線退化為一點,則將同一球面層的該類兩個單元體合并為一個單元體;若下表面退化為一點,則將該類四個單元體合并為一個單元體;按經(jīng)緯線和半徑同步等分和退化八叉樹合并的方法對上述合并后的單元體進行下一層次細分和合并;依此遞歸,若剖分后的單元體大小滿足要求,則停止剖分。一個單元體因其位置不同,經(jīng)過一次八叉樹剖分后,可能會產(chǎn)生八個、六個或四個小單元體。下面結(jié)合具體的實施例,并參照附圖,詳細說明本發(fā)明提供的這種實現(xiàn)地球空間三維網(wǎng)格剖分的方法D步驟l:根據(jù)研究范圍選取虛擬球體的大小,如取半徑為6400km的球體。步驟2:以0、90度經(jīng)面和赤道面將虛擬球體剖分成八分體,如圖2所示。步驟3:對得到的八分體進行第一層剖分。首先以曲率半徑為八分體一半的球面切割八分體,如圖3;然后,對切割后的上半部分(注方位以面朝北站立為基準)進行緯度等分的圓錐面切割,下半部分保持不變,如圖4;最后,對上半部分的后半部進行經(jīng)度等分的平面切割,其余保持不變,如圖5。上述三次剖分的結(jié)果為產(chǎn)生了三種單元體,分別稱之為完全單元體、諱線退化單元體、球面退化單元體,如圖6至圖8所示。步驟4:針對不同種類的單元體,可采用以下方法進行下一層次的剖分。對于完全單元體,采用經(jīng)緯度和半徑均完全等分的方法進行下一層次的剖分,如圖9。對于諱線退化單元體,采用先等分半徑和緯度,然后對上半部分的后半部和下半部分的后半部等分經(jīng)度,其余部分保持不變,如圖10。球面退化單元體實質(zhì)上是一個更小的八分體,因此球面退化單元體的剖分方法可按八分體剖分方法進行。步驟5:重復步驟4,依次進行遞歸剖分,直至滿足單元大小要求為止。球體空間經(jīng)過上述多次退化八叉樹剖分后,仍將保持體積變形和面積變形的穩(wěn)定性,即體積變形比和面積變形比收斂在一個可接收的范圍之內(nèi)。表1是經(jīng)過25層剖分后同一個層面上的單元體上表面的最大面積、最小面積及其比值情況,表2是經(jīng)過19層剖分后所有單元體的最大體積、最小體積及其比值情況(注虛擬球體的半徑取6400km。)圖11和圖12分別是將表1和表2的變形比數(shù)據(jù)繪制成折線的圖表。圖13圖15分別為地球八分體剖分為1、2、3層次的效果圖。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表2不同剖分層次的體積變形比以上所述的具體實施例,對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明,所應理解的是,以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已,并不用于限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1、一種實現(xiàn)地球空間三維網(wǎng)格剖分的方法,其特征在于,該方法包括選擇一個虛擬球體;沿經(jīng)緯線方向?qū)x擇的虛擬球體進行八等分空間剖分,得到八個體積相同的八分體;以得到的八分體作為空間剖分基礎進行細分剖分,直到得到的單元體大小滿足要求為止。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)地球空間整體剖分的方法,其特征在于,所述虛擬球體是地球空間的近似球體。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的實現(xiàn)地球空間三維網(wǎng)格剖分的方法,其特征在于,所述虛擬球體的半徑大小視研究范圍而定,當研究范圍為大氣層以內(nèi)區(qū)域時,該虛擬球體的半徑等于參考橢球體的半徑與大氣層厚度之和;當研究范圍為地表及以下區(qū)域時,該虛擬球體的半徑等于參考橢球體的半徑。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)地球空間三維網(wǎng)格剖分的方法,其特征在于,所述以得到的八分體作為空間剖分基礎進行細分剖分,采用退化八叉樹方法實現(xiàn)。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的實現(xiàn)地球空間三維網(wǎng)格剖分的方法,其特征在于,所述采用退化八叉樹方法進行遞歸細化剖分,具體包括按經(jīng)緯度和半徑同步等分的方法,對所述八分體進行八叉樹細分,得到八個單元體;按退化八叉樹原理對剖分后的單元體進行合并,若單元體的前后緯線退化為一點,則將同一球面層的該類兩個單元體合并為一個單元體;若下表面退化為一點,則將該類四個單元體合并為一個單元體;按經(jīng)諱線和半徑同步等分和退化八叉樹合并的方法對上述合并后的單元體進行下一層次細分和合并;依此遞歸,若剖分后的單元體大小滿足要求,則停止剖分。6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的實現(xiàn)地球空間三維網(wǎng)格剖分的方法,其特征在于,所述單元體因其位置不同,經(jīng)過一次八叉樹剖分后,將產(chǎn)生八個、六個或四個小單元體。全文摘要本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)地球空間三維網(wǎng)格剖分的方法,該方法包括選擇一個虛擬球體;沿經(jīng)緯線方向?qū)x擇的虛擬球體進行八等分空間剖分,得到八個體積相同的八分體;以得到的八分體作為空間剖分基礎,進行退化八叉樹遞歸細分,直到得到的單元體大小滿足要求為止。利用本發(fā)明,實現(xiàn)了對地球空間進行整體剖分,填補了地球空間三維網(wǎng)格剖分的空白,可建立全球三維網(wǎng)格框架,用于全球空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織與編碼、全球空間數(shù)據(jù)集成管理與共享利用、全球三維空間多層次建模與整體可視化等地球空間信息科學與技術(shù)的關鍵領域。文檔編號G06T17/50GK101599183SQ200810114539公開日2009年12月9日申請日期2008年6月6日優(yōu)先權(quán)日2008年6月6日發(fā)明者余接情,吳立新申請人:吳立新