本发明专利技术公开了一种基于球体退化八叉树网格的三维地球系统格网构建方法，包含三个方面的内容：网格剖分、网格编码及地球系统特征修复。技术方案包括：利用退化八叉树剖分方法递归细分两倍地球半径的球体；以退化Ｚ曲线填充及增减码元的方式编码多层次网格；视地球系统特征如多圈层结构特征信息为网格的固有属性，内部采用粗糙网格而边界处采用更为精细网格的方式，将地球系统特征信息嵌入至抽象的网格系统中。本发明专利技术解决了现有网格系统过于抽象化及难以支持真实的具有三维多圈层结构的地球系统数据的组织、建模及模拟的等问题，构建了一种顾及地球系统特征的三维网格系统，为地球系统科学提供一个更为实用的数据组织、建模与模拟格网框架。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及地球系统科学数据的组织、建模及模拟领域，尤其涉及一种顾及地球 系统特征的三维地球系统格网的构建方法。
技术介绍
上世纪后期以来，气候变暖、区域干旱化、海平面上升、厄尔尼诺现象等全球问题 日益突出，已成为了阻碍人类可持续性发展的核心问题。地球系统科学将地球的岩石圈、水 圈、冰圈、大气圈、生物圈乃至近地行星作为地球系统来看待，从整体的高度来研究系统内 各种作用及各层圈间的相互作用，进而更全面、深入地揭示全球变化的基本规律，提高人类 认识和预测全球变化的能力，为全球变化等问题的研究提供了一个新的方向。对地观测技术及对地观测集成技术的快速发展为全球变化与地球系统科学研究 提供了强有力的信息资源保障，但同时也为地球科学家认识、重构、管理、利用和分析这些 海量的多维、多尺度观测数据带来了困难和挑战。如何对这些海量的多维、多尺度观测数据 进行统一组织管理、三维重构，并对地球系统内不同尺度的对象及现象进行三维表达、系统 模拟与可视化分析，已成为地球系统科学及空间信息学研究的瓶颈与关键。目前普遍采用的方法是利用传统GIS数据模型进行组织和建模，但传统GIS数据 模型以地图投影为基础，所有空间数据须经过地图投影才能有效地组织和建模。投影是一 种将球面展开为平面的数学手段，将不可避免地产生几何变形，数据裂缝及空间度量的不 准确性等系列问题。若研究区域仅局限于小区域范围，如研究区域半径小于10km，以至于该 区域范围内球面可视为平面，则利用传统GIS数据模型进行数据的组织、建模及分析就可 忽略投影的产生的问题。但当研究区域扩大至跨越投影带范围，如一个国家或者全球范围， 则投影产生的问题将非常突出。也就是说，传统GIS数据模型已不能适应全球大区域化的 空间数据的组织与建模，需另寻一种可满足大区域大尺度空间数据组织与建模的方法。球空间格网模型是一种利用空间离散化手段对球面或球体空间进行格网剖分，并 用离散的网格组织管理空间数据的新的数据模型。与传统GIS数据模型相比，它直接基于 球面或球体空间，省去了投影这一环节，有效地避免了投影产生的系列问题，弥补了传统 GIS数据模型在大区域大尺度空间数据组织与建模方面的不足。球空间格网模型的核心问题是球空间的网格离散化。按被离散空间划分，球空间 离散格网可分为球面离散格网和球体离散格网。球面离散格网是一种基于球面空间的离 散格网，这方面代表性的成果主要有1968年WilliamSOn[1]提出的基于正二十面体的六 边形格网模型；1987年Lukatela[2]提出了球面Voronoi多边形自适应格网模型；1990年 Fekete[3]提出的基于二十面体的球面三角格网模型；1996年DUttonM提出的基于正八面 体的四元三角网模型；2007年崔马军[5]提出的球面退化四叉树格网模型等等。球面离散 格网仅局限于球面空间，即地球表面，对于地表以上及以下空间的三维对象的表达却无能 为力，而三维对象的表达正是研究多圈层相互作用的地球系统科学所亟需的，故球面离散 格网模型不能担当地球系统科学数据组织、建模与模拟的大任。球体离散格网是一种基于球体三维空间的离散格网，属于三维格网。受大气、气 候、海洋及地球动力学等学科需求的牵引，球体离散格网在地球科学领域有着广泛的应用。 最常用的球体三维格网是基于球体极坐标的经纬三维格网，该格网采用经纬线和球面自然 划分，具有剖分简单及与容易与经纬度坐标系集成的优点，但该格网在南北极处收敛为一 点，格网的大小严重不均勻，给空间数据组织与建模带来许多问题，如尺度的不一致、数据 冗余等。2004年Kageyama[6]提出了一种Yin-Yang格网，将地球分成两个等同的球面部分， 对每个球面采用一致的经纬格网划分，若干个连续半径的球面格网构成了三维的Yin-Yang 格网。该格网在球面上具有良好的均勻性，但在径向上却具有与经纬三维格网同样的缺陷， 随着半径的增大，网格不断地向外扩散，网格不具有均勻性。而且Yin-Yang网格的边界线 不完全是经纬径线，不符合经纬特征，难以有效地与基于经纬度的球体坐标系集成。此外它 是一种重叠格网，两个格网组成部分在边界处具有重叠，这种重叠技术在有限元分析领域 有利于解决部件间的相对运动模拟，但对于跨格网边界的对象整体表达是不利的，甚至无 法有效地建模。2006年德国学者K. Stemmerm提出了一种基于立方体投影的光滑六面体格 网，将立方体的六个面向球面投影，球面上采用连接各边中点递归细分各格网，半径方向上 采用自然球面的方式划分。与Yin-Yang格网类似，网格在径向上不断发散，网格不具有均 勻性，并且其网格的边界线也不完全是经纬径线，难以有效地与球体坐标系集成。2009年吴 立新[8]提出了一种球体退化八叉树格网(Spheoid Degenerated Octant Grid，SD0G)，该 格网采用了分割与合并的策略，避免了网格在球面及径向上的不均勻性，并且由于采用了 经纬径线自然划分，格网数据很容易与球体坐标系集成，因而它是一种较为优秀的三维球 体离散格网。但无论是基于球体坐标的经纬三维格网、Yin-Yang格网、光滑六面体格网，还 是SDOG格网，都属于抽象意义上的格网，是一个未赋予具体意义的格网。而地球系统科学 所研究的地球系统空间是一个复杂的、具有实质意义和多圈层特征的三维空间，需要一种 具有地球系统特征的数据组织、建模与模拟平台，也就是需要一种顾及地球系统特征的三 维格网框架。本专利技术将基于SDOG提出一种顾及地球系统特征的三维地球系统格网，为地球系 统科学提供一个更为实用的数据组织、建模与模拟的格网框架。参考文献[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 Han本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种三维地球系统格网的构建方法，其特征在于，三维地球系统格网包括以下三个方面内容：多层次网格的剖分；多层次网格的编码；顾及地球系统特征的多层次格网局部整形。
【技术特征摘要】
1.一种三维地球系统格网的构建方法，其特征在于，三维地球系统格网包括以下三个 方面内容多层次网格的剖分；多层次网格的编码；顾及地球系统特征的多层次格网局部整形。2.根据权利要求1所述的三维地球系统格网的构建方法，其特征在于，所采用的多层 次网格以球体退化八叉树网格(SDOG)为基础；3.根据权利要求2所述的三维地球系统格网的构建方法，其特征在于，球体退化八叉 树网格的剖分球体为两倍地球半径的虚拟球体。4.根据权利要求1所述的三维地球系统格网的构建方法，其特征在于，多层次网格的 编码采用退化Z曲线填充和增减码元的方式进行编码。5.根据权利要求4所述的三维地球系统格网的构建方法，其特征在于，退化Z曲线填充 为正常Z曲线填充的一种变种，正常Z曲线(三维Z曲线)填充要求父结点正好拥有8个 子结点，若父结点的若干子节点退化为一个子结点时，则该子结点的退化Z曲线填充编码 为退化前若干子结...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴立新，余接情，
申请(专利权)人：吴立新，余接情，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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