一种在数字地球软件平台上模拟和显示全球地壳结构的方法技术

本发明专利技术公开了一种在数字地球软件平台上模拟和显示全球地壳结构的方法，包括以下步骤：从CRUST 1.0全球地壳模型中导出地壳网格单元的空间位置与属性信息；生成地壳网格单元顶面模型；生成地壳内部地球物理层的三维实体模型；构建基于细节层次模型LOD的全球地壳模型多尺度表达机制；在数字地球平台上进行模型显示与三维分析。本发明专利技术的实现过程简单、自动性高，生成的全球地壳模型信息丰富、交互性强、可视化效果好，易于在国际互联网上进行分发、集成与共享。本发明专利技术有助于地球科学家向其它科研人员、专业技术人员乃至社会公众高效的表达、交流地球内部的形态结构与物质组成，为更深层次的地学教育与科研工作奠定基础。

【技术实现步骤摘要】
一种在数字地球软件平台上模拟和显示全球地壳结构的方法
本专利技术涉及地球空间信息
中的数字地球技术，具体地说是一种在数字地球软件平台上模拟和显示全球地壳结构信息的方法，该方法针对全球地壳内部结构信息进行处理，能够解决在数字地球软件平台上模拟、显示和分析全球地壳内部结构过程中所遇到的各种难题。
技术介绍
作为地球固体圈层的最外层，地壳是联系、参与和控制大气圈与地球深部交互过程的关键一环。在全球尺度上，地壳具有相对复杂的形态结构与物质组成。地壳内部各个亚层的物质组成与形态结构变化，显著地影响着地球磁场与重力场的空间变化。全球尺度的地壳结构信息有着非常广泛的应用。近年来，学术界提出了一系列不同细节层次的全球地壳结构模型，如3SMAC、CRUST5.1、CRUST2.0、CRUST1.0以及LITHO1.0。其中，应用最为广泛的是CRUST5.1及其派生的CRUST2.0和CRUST1.0。这些全球地壳结构模型对理解和界定全球地幔结构地震层析成像、壳幔物质循环以及区域地震监测都具有重要意义。目前，常见的全球地壳模型多是以计算机程序和数据文件的形式进行表达和分发，如：CRUST5.1、CRUST2.0和CRUST1.0均提供Fortran源程序和明码格式的模型文件(XYZ文件)供用户使用。基于这些程序和模型文件，用户需开发专用的计算机程序或系统进行后续的显示与分析。这种模型提供方式非常适合于地球科学家(特别是地质学家和地球物理学家)将全球地壳模型应用于专业的地质与地球物理研究。然而，随着人类对全球变化的深入研究，越来越多的人群(包括大气科学家、教育学家、政府管理人员甚至社会公众)对地壳的结构与组成产生了兴趣。他们不仅需要详细精确的全球地壳模型，而且对地壳模型的可视化表达与分发提出了更高的要求。他们希望能用直观、形象的三维图形图像来表达地壳单元的空间分布特征及其内部属性特征的空间分布规律，实现地壳结构从二维表达形式向三维甚至四维表达形式的升华，将以往仅仅蕴涵于地球科学家脑海中的地壳结构，直观、形象的展现在地质工作者、研究学习者乃至非地质专业的社会公众面前。这不仅能使地球科学家在研究过程中非常容易的表达、评估、验证、修改和迭代自己建立的地壳模型，而且能够在地壳模型上进行定量的可视化空间分析和专业应用，最大限度的增强地质分析的直观性和准确性，做出符合全球地壳分布规律的地质与地球物理应用，为深入研究与表达大气圈与地球深部交互活动提供依据。显然，传统的使用计算机源程序或数据文件来表达全球地壳模型的方法，很难满足这些应用的需要。因此，亟需开发一个更为友好、通用的方式来表达和分析全球尺度的地壳模型。近20年来，“数字地球”科学概念的提出以及地理信息系统、计算机网络、三维可视化等应用技术的发展，为全球地壳模型的可视化表达提供了新的机遇。特别是近10年来，数字地球技术飞速发展，涌现出了以GoogleEarth为代表的一系列技术成熟、功能强大的数字地球软件平台。这些数字地球平台，不仅可用于浏览、分析全球范围内的地理位置、地形地貌和遥感影像，还可作为集成、展示和分析地球空间模型的基础平台。近年来，学术界开展了在数字地球平台中进行三维地球空间信息模拟与可视化方面的探索。一些研究和应用表明：以GoogleEarth为代表的数字地球平台，具有“界面友好、通用、直观，模型交互性强、可视化效果好”的优点，它们为地球空间信息的模拟与可视化表达提供了新的技术手段和支撑平台。但是，现有的研究工作仅涉及特定专业地学数据和局部区域地下模型的可视化，尚未涉及全球尺度的地壳模型的模拟与可视化，这在一定程度上限制了数字地球技术在地球科学应用中的作用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种在数字地球软件平台上模拟和显示全球地壳结构的方法，用于在一个统一的地球空间框架内管理、模拟、可视化以及集成、共享全球地壳及其内部各个亚层的空间位置和属性信息。该方法能够快速、自动的将全球地壳及其内部各个亚层的空间位置和形态结构在三维空间中重构出来，并加载到数字地球软件平台上进行可视化及查询、分析。本专利技术在CRUST1.0全球地壳模型(简称CRUST1.0)的基础上重构全球地壳结构。CRUST1.0是美国加利福尼亚大学地球物理学与行星物理学研究所的LaskeGabi等人于2013年7月发布的全球地壳模型。CRUST1.0融合了最新的全球数字地形、海水深度、冰层厚度、沉积物厚度和地壳厚度数据，有望成为今后一段时间内容最为详尽、应用最为广泛的全球地壳模型。CRUST1.0在水平方向上将全球划分为64800个1°×1°的经纬网格单元。在纵向上，每个网格单元包括8个地球物理层(即亚层)，分别为：水层(water)；冰层(ice)；上沉积层(uppersediments)；中沉积层(middlesediments)；下沉积层(lowersediments)；上地壳(uppercrust)；中地壳(middlecrust)和下地壳(lowercrust)。CRUST1.0提供了各个亚层的几何边界和物理属性信息(密度ρ、压缩波速Vp和剪切波速Vs)，用来尽量精确的刻画地壳内部各个地球物理层的几何结构特征以及属性参数的空间变化规律。本专利技术要解决的技术问题可分解为三个方面：要解决全球地壳网格单元空间位置与属性信息获取问题；要解决地壳网格单元顶面模型和地壳内部地球物理层三维实体模型的重构问题；要解决全球地壳模型的多尺度表达问题。本专利技术所采用的具体技术方案是：一种在数字地球软件平台上模拟和显示全球地壳结构的方法，该方法首先从CRUST1.0全球地壳模型中导出全球地壳网格单元的空间位置与属性信息，接着将地壳网格组织成KML(KeyholeMarkupLanguage)格式的地壳网格单元顶面模型及其内部地球物理层三维实体模型，然后构建基于LOD(Levelofdetail，细节层次模型)的全球地壳模型多尺度表达机制，最后将这些模型加载到数字地球软件平台中进行三维可视化及查询、分析操作。本专利技术的具体工作步骤如下：第一步从CRUST1.0中导出地壳网格单元的空间位置与属性信息首先从CRUST1.0中导出各个地壳网格单元及其内部各个地球物理层的空间位置与属性信息，为后续的模型生成与可视化提供初始数据。对于每个1°×1°的地壳网格单元，需要从CRUST1.0中导出其中心点坐标(经度和纬度)、网格单元内部各层的平均厚度和平均属性(密度ρ、压缩波速Vp和剪切波速Vs)，统一存储到一个文件中，记作“地壳网格单元信息表”。对于地壳网格内部的各个地球物理层，本专利技术使用六面体模型进行表达。因此，需要从CRUST1.0中导出构建六面体的8个结点的三维坐标(经度、纬度和高程)，以及各个结点位置的物理属性信息(ρ、Vp和Vs)，统一存储到一个文件中，记作“地壳网格结点信息表”。第二步生成地壳网格单元顶面模型本专利技术使用KML多边形地标元素(<Placemark>)来模拟地壳网格单元顶面。建模过程的第二步，需要先从地壳网格单元信息表中提取各个地壳网格单元的中心点坐标和属性信息，然后使用<ExtendedData>标签记录其属性特征和描述信息，最后使用<Polygon>标签定义各个地壳网本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在数字地球软件平台上模拟和显示全球地壳结构的方法，其特征在于：从CRUST 1.0全球地壳模型中导出全球地壳网格单元的空间位置与属性信息，依次将地壳网格单元组织成KML格式的地壳网格单元顶面模型及其内部地球物理层三维实体模型，构建基于细节层次模型LOD的全球地壳模型多尺度表达机制，最后将这些模型加载到数字地球软件平台中进行三维可视化及查询、分析操作；其具体步骤是：步骤1、从CRUST 1.0中导出地壳网格单元的空间位置与属性信息从CRUST 1.0中导出各个地壳网格单元及其内部各个地球物理层的空间位置与属性信息，为后续的模型生成与可视化提供初始数据；对于每个1o×1o的地壳网格单元，需要从CRUST 1.0中导出其中心点经度和纬度、网格单元内部各层的平均厚度和平均属性，统一存储到一个文件中，记作“地壳网格单元信息表”；对于地壳网格内部的各个地球物理层，使用六面体模型进行表达；从CRUST 1.0中导出构建六面体的8个结点的经度、纬度和高程，以及各个结点位置的物理属性信息，统一存储到一个文件中，记作“地壳网格结点信息表”；步骤2、生成地壳网格单元顶面模型从地壳网格单元信息表中提取各个地壳网格单元的中心点坐标和属性信息，使用<ExtendedData>标签记录其属性特征和描述信息，使用<Polygon>标签定义各个地壳网格单元顶面的地理位置，从而以多边形地标的形式来表达地壳网格单元顶面在地表的空间分布情况；步骤3、生成地壳内部地球物理层的三维实体模型对于单个的地球物理层，使用六面体模型来表达；从地壳网格单元信息表中提取各个地球物理层的属性信息，放入<ExtendedData>标签中，以记录单个地球物理层的属性特征和描述信息；然后从地壳网格结点信息表中提取构建单个地球物理层的结点坐标，使用<Polygon>和<MultiGeometry>标签定义围成地球物理层的六个面的空间位置；接着将以上信息放入<Placemark>标签内，以多边形地标的形式重构单个地球物理层的空间位置和几何形态；最后将属于同一地壳网格单元的多个地球物理层合并到一个<Document>标签之中，以重现地壳网格单元内部多个地球物理层的三维立体形态；设置一个整体抬升高度U，将位于地形面以下的地壳模型抬升到地形面以上，从而使地壳内部各个地球物理层的三维模型悬浮于实际位置的上方；抬升后的模型高程Z’ 可由下式计算：Z’ = Z + U；式中，Z为地壳网格结点信息表中存储的地球物理层结点实际标高，Z’为抬升后的结点标高，U为模型抬升高度；步骤4、构建基于LOD的全球地壳模型多尺度表达机制基于前述步骤创建的地壳网格单元顶面模型和地壳内部地球物理层三维实体模型，生成多尺度的全球地壳模型，并使用KML中的<Region>、<Lod>、<NetworkLink>标签，定义控制多尺度地壳模型加载和显示的参数，以实现全球地壳模型在数字地球平台上的快速存取、及时更新和实时渲染；对于结构复杂、数量庞大的全球地壳模型，生成三种尺度的模型：第一种是适合于全球区域大范围显示的低细节层次的模型，它能够以图像的形式叠加在地形面上，表示地壳网格单元顶面的空间分布情况，不含顶面的属性信息，也不具备地壳内部地球物理层信息；第二种是适合于局部区域大范围场景显示的中细节层次的模型，它以矢量图形的形式叠加在地球表面上，不仅能够表示局部区域地壳网格单元顶面的空间分布，还具有顶面的属性信息，但不具备地壳内部地球物理层信息；第三种是适合于局部区域小范围场景显示的高细节层次的模型，它以三维实体模型的形式展现局部区域小范围内的地壳内部地球物理层的空间位置和几何形态，同时具备各层的属性信息；对于第一种尺度的模型，可从步骤2生成的地壳网格单元顶面模型导出；将全球范围的地壳网格单元顶面模型组合到一起，然后存储为一个二维图像文件，即可得到适合于全球区域大范围显示的低细节层次的模型；作为低细节层次的模型，二维图像文件的数据结构简单，数据量也较小，适合于在全球大范围低分辨率场景下展示地壳顶面的空间分布；对于第二种尺度的模型，可直接使用步骤2创建的1o×1o地壳网格单元顶面模型；这种模型的数据结构相对简单，数据量适中，适合于在局部区域大范围场景中展示地壳网格单元顶面的空间分布和属性特征；对于第三种尺度的模型，使用步骤3生成的1o×1o地壳内部地球物理层三维实体模型；这种模型的数据结构最为复杂，数据量也比较大，只适合于在局部区域小范围高分辨率场景下展现地壳内部地球物理层详细的空间位置和属性特征的场合；步骤5、在数字地球平台上进行模型显示与三维分析将生成的多尺度全球地壳模型加载到数字地球平台中，进行可视化展示与三维分...

【技术特征摘要】
1.一种在数字地球软件平台上模拟和显示全球地壳结构的方法，其特征在于：从CRUST1.0全球地壳模型中导出全球地壳网格单元的空间位置与属性信息，依次将地壳网格单元组织成KML格式的地壳网格单元顶面模型及其内部地球物理层三维实体模型，构建基于细节层次模型LOD的全球地壳模型多尺度表达机制，最后将KML格式的地壳网格单元顶面模型和地壳内部地球物理层三维实体模型加载到数字地球软件平台中进行三维可视化及查询、分析操作；其具体步骤是：步骤1、从CRUST1.0中导出地壳网格单元的空间位置与属性信息从CRUST1.0中导出各个地壳网格单元及其内部各个地球物理层的空间位置与属性信息，为后续的模型生成与可视化提供初始数据；对于每个1°×1°的地壳网格单元，需要从CRUST1.0中导出其中心点经度和纬度、网格单元内部各层的平均厚度和平均属性，统一存储到一个文件中，记作“地壳网格单元信息表”；对于地壳网格内部的各个地球物理层，使用六面体模型进行表达；从CRUST1.0中导出构建六面体的8个结点的经度、纬度和高程，以及各个结点位置的物理属性信息，统一存储到一个文件中，记作“地壳网格结点信息表”；步骤2、生成地壳网格单元顶面模型从地壳网格单元信息表中提取各个地壳网格单元的中心点坐标和属性信息，使用<ExtendedData>标签记录其属性特征和描述信息，使用<Polygon>标签定义各个地壳网格单元顶面的地理位置，从而以多边形地标的形式来表达地壳网格单元顶面在地表的空间分布情况；步骤3、生成地壳内部地球物理层的三维实体模型对于单个的地球物理层，使用六面体模型来表达；从地壳网格单元信息表中提取各个地球物理层的属性信息，放入<ExtendedData>标签中，以记录单个地球物理层的属性特征和描述信息；然后从地壳网格结点信息表中提取构建单个地球物理层的结点坐标，使用<Polygon>和<MultiGeometry>标签定义围成地球物理层的六个面的空间位置；接着将以上信息放入<Placemark>标签内，以多边形地标的形式重构单个地球物理层的空间位置和几何形态；最后将属于同一地壳网格单元的多个地球物理层合并到一个<Document>标签之中，以重现地壳网格单元内部多个地球物理层的三维立体形态；设置一个模型整体抬升高度U，将位于地形面以下的地壳模型抬升到地形面以上，从而使地壳内部各个地球物理层的三维模型悬浮于实际位置的上方；抬升后的模型高程Z’由下式...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱良峰，张彧，阚文生，王喜凤，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31