地理空间数据等积全球格网多模式三维扩展方法

全球离散格网系统是新型地理空间数据组织框架,等面积格网由于在采样和空间分析方面的独特优势而备受关注,但相关研究囿于地球表面,缺乏扩展至三维广域空间的一般方法。本文首先提出将等积球面格网系统扩展为球体格网系统的多种剖分模式,并实现其统一数学描述和详细数学证明;然后引入体积和紧致度指标定量评价不同剖分模式的体元性质,并与球体退化八叉树格网(SDOG)、大圆弧八叉树格网(SGOG)作对比;最后初步探索了本文方法的应用案例,讨论了不同应用需求下选择剖分模式的原则。对比试验结果表明,退化剖分的体元各项指标均优于规则剖分,等体积和退化剖分的体积性质优于SDOG,紧致度性质优于SGOG。本文多剖分模式三维扩展方法不仅符合国际标准等体积的要求,而且兼顾常规剖分设计选项,为不同应用需求提供了参考依据。

菱形三十面体六边形全球离散格网系统构建算法

全球离散格网系统是递归剖分整个地球空间形成的多分辨率离散地球参考模型,有助于建立以空间位置为主键的多源数据关联融合新模式。正二十面体的三角面不利于建立格网单元行列索引,且生成的球面格网单元存在较大形状差异,对此,该文采用面数更多、结构更优的菱形三十面体构建六边形全球离散格网系统。首先,在单个菱形面上建立离散斜坐标系描述多种孔径六边形剖分产生的多分辨率格网;其次,根据菱形三十面体的几何属性确定跨面单元归属,据此拼接各面上的多分辨率单元,构成封闭三十面体上的格网系统;最后,通过Snyder等积多面体投影将封闭菱形三十面体上的格网系统映射至球面。实验结果表明,相比二十面体的同类成果,菱形三十面体六边形全球离散格网系统的几何属性和应用潜力更好,有助于建立地球空间信息数据的高精度承载模型。

全球格网系统的元数据管理模型

空间元数据管理技术是海量空间数据组织和管理的关键技术之一,是全球格网系统中实现地理数据有效组织和快速搜索的主要解决途径之一,与空间数据的共享与分发关系十分密切。从全球格网系统角度出发,对空间元数据的定义、内容、理论体系等方面进行了较为详细的阐述,并根据球面剖分的特点,对元数据管理模型及其解决方案进行了深入研究,为海量数据的组织和分发提供行之有效的管理方法。

孔径为4的全球六边形格网系统索引方法

从集合论的角度描述基于正八面体的、孔径为4的六边形格网系统,通过对偶、中心剖分两项基本操作建立不同层次六边形格网集合与三角形格网集合之间的递推、包含和层次关系。定义三轴整数格网坐标系描述三角面上六边形格网单元的位置,通过若干定理解决格网索引的核心问题,如单元笛卡儿坐标的计算,邻近、子、父单元的判定。据此设计单元索引算法并通过对比试验进行验证。试验结果表明,该算法的平均执行效率约是同类算法的600倍,因而更适合计算机处理。

利用数值投影变换构建全球六边形离散格网

针对全球离散格网构建过程中从平面格网到球面格网的关键步骤进行讨论,提出一种新型的评价球面离散格网几何属性最优化的目标函数,使用遗传算法优化,得到了球面上有限层次内最优化条件下的直接剖分格网。利用有限层次内最优化格网提供的控制点数据,结合数值投影变换理论,成功地构建了几何属性更加均匀的全球六边形离散格网系统。试验表明,相对于现有Snyder等积投影建立的全球格网,在格网单元的均匀度上更优;在运算效率方面,速度大约是Snyder投影的2.5～3倍。

全球六边形离散格网数据的三维可视化方法

针对全球六边形离散格网的三维显示化方法开展研究,设计了一种六边形格网的空间层次结构(hexagonalquaternary balanced structure,HQBS),采用四位码元对格网单元进行编码,定义并实现了格网向量的基本运算,利用这些运算可以方便地实现格网单元的空间索引。在此基础上还研究了全球离散格网的动态生成与显示算法、可视化区域裁剪等相关内容。试验表明:全球格网动态生成的效率110～370单元/ms之间,加载空间数据后,格网数据和空间数据逐层加载的时间在300 ms左右,能够保证加载空间数据后的显示刷新率在20帧/s左右。

全球离散格网划分方法在空间数据组织中的应用

本文分析了全球离散格网系统的任意分辨率、层次性和全球连续性特征，指出基于其解决面向全球范围的多尺度、多时相、立体式的地理信息共享与服务的数据组织模型的可能性。结合应用方向比较了几种典型格网划分的优缺点，最终选定基于行列编码的四叉树和GeoSOT格网划分模型作为下一步实验的对象。

平面四孔六边形格网系统编码运算

全球离散格网系统是支持多源地球空间信息融合处理的新型数据模型。六边形格网系统具有优良的几何属性,相关研究已引起学术界的关注,单元层次关系描述与编码方案设计是其研究难点。本文根据平面四孔六边形格网系统结构特点,设计"格点四叉树"层次编码结构,定义编码运算并归纳运算规律,据此实现二维直角坐标与单元编码的相互转换。与同类成果相比,格点四叉树从原理上克服了奇(偶)分层编码、单元中心与顶点混合编码导致的诸多缺陷,且编码运算规律简明,易于算法实现。试验结果表明,格点四叉树编码加法运算的效率约是PYXIS的6倍、HQBS的5倍;直角坐标转换到编码的效率约为HQBS的5倍,编码转换到直角坐标的效率约为HQBS的3倍。

平面六边形格网上格点多边形的面积计算方法

全球离散格网系统是一种新型的全球多尺度空间数据模型,相关问题的研究已引起学术界的广泛关注并已取得可喜进展。其中,格网量测体系的建立是当前学术界的研究难点,同时也是格网实用化必须解决的核心问题。文中将平面六边形格网上任意覆盖区域抽象为"格点多边形",推导并证明了其面积计算公式,通过对比算例验证了结论的正确性和优越性。

多结构要素六边形全球离散格网系统构建方法及应用

格网是地理环境数字化离散的数据组织模型。局部投影的平面格网存在适用范围受限、全球扩展困难和单元变形严重等缺陷,而新型多面体全球离散格网大多只关注单元中心,忽视了单元顶点和边的作用,功能囿于数据建模与表达,难以适用于位置相关事件计算。本文首先建立四孔六边形全球离散格网“格心-格点-格边”多结构要素数学模型,推导证明多结构要素的唯一数学描述。然后,依据该数学模型提出格点、格边关联格心的编码运算法则。最后,设计地理环境格网建模和路线计算应用案例证明本文方法的可行性和优越性。结果表明,相较于投影平面格网,六边形全球离散格网的格元变形更小、变形离散程度更小:六边形格元面积、周长和角度形变误差率均小于7.5%,中低纬度区域兰伯特等角圆锥投影格网部分单元面积和周长形变误差率超过10%,高纬度区域墨卡托投影格网面积和周长形变误差率超过60%;相较于单一格元模型,多结构要素能够按事件计算需求准确表达环境信息,更有利于准确计算事件结果。

六边形格网的快速傅里叶变换

全球离散格网系统是支持多源地球空间数据融合处理的新型数据模型,傅里叶变换是联系其空域与频域的纽带,对以格网系统为框架的遥感图像的增强具有重要意义。根据三孔六边形格网剖分方案,设计了一种规则六边形格网单元组合结构,并将该结构空间域的二维离散傅里叶变换转化为可以用蝶形算法加速的标准一维变换。采用遥感影像进行实验验证,结果表明本文提出的快速傅里叶变换算法正确、高效,其复杂度为N log2N。随着数据量增大,效率以指数函数形式提高。

三孔六边形全球离散格网系统代数编码方法

建立三孔六边形全球离散格网系统代数表达模型,根据其数学性质设计编码方案.首先,引入"格元-格点-格边-格心"的概念,描述格网各种要素.其次,以格心作为格元等效研究对象,通过相邻层次几何递推关系,证明可采用复数平面上的混合定位计数系统严格描述不同层次的格心,揭示格元本质上是一种特殊形式的"复进制数".第三,通过间隔层次几何递推关系,证明在特定约束条件下,仍可采用混合定位计数系统唯一描述不同层次的格心,据此设计格元编码方案.第四,将编码方案扩展到正二十面体的20个三角面上,完整描述二十面体封闭表面的多分辨率离散格网.对比实验结果表明,本文提出的代数编码方案具有理论严密、利于高效编程实现的优点,单元编码跨面邻近搜索效率是同类方案的242.9倍.本文采用的复进制数是理想的格网形式化描述工具,提出的研究思路可用于创建具有普适性的全球离散格网系统理论框架.

广域六角格兵棋地图构建方法与机动推演应用

兵棋推演是预演战争、模拟作战的科学方法,全球化趋势对兵棋推演的推演范围和灵活程度提出了更高要求。采用六边形全球离散格网系统建立广域多尺度兵棋地图,并在推演案例中检验了其作用。首先,提出栅格及矢量数据六角格量化方法;其次,建立环境要素与作战要素联合作用的部队机动时间效能模型,设计了最优路径规划算法;最后,构建兵棋地图,并以部队海陆两栖机动推演为例加以验证。实验结果表明,六边形全球离散格网系统兼具数据建模和分析计算功能,既可被用于构建海陆广域多尺度兵棋地图,又可作为作战推演的统一计算框架,弥补了传统兵棋地图空间范围受限、尺度变换不灵活的缺陷,具有较好的应用前景。

正二十面体六边形全球离散格网编码运算

全球离散格网系统是指把地球表面按照一定规则离散分割成多分辨率层次结构的格网单元,广泛应用于海量多源空间数据的组织、管理和分析中。六边形全球离散格网具有优良的几何特性,非常适合于空间数据的处理,如何进一步提高六边形全球离散格网编码运算的效率仍是当前研究的重点。本文采用正二十面体施耐德投影四孔径六边形全球离散格网模型,基于六边形三轴坐标与编码的二进制数的对应关系构建四孔六边形的基础编码结构,将二十面体划分为32个基础六边形,并将之分为3种基础六边形剖分瓦片,在每个六边形剖分瓦片采用基础编码结构进行编码,建立了四孔六边形全球离散格网编码,同时设计了并实现了四孔六边形编码与六边形三轴坐标之间的快速转换,基于此构建了一种高效的四孔六边形全球离散格网编码运算方案,包括编码的算数运算、空间拓扑运算和邻域检索运算及跨面运算。与现有的六边形全球离散格网编码运算方案相比,本文的方案进一步提高了编码算数运算、空间拓扑运算和邻域检索运算的效率,编码加法运算是HLQT的2~3倍,邻域检索运算分别是HLQT的3~5倍和H3的2~3倍,且受格网编码层次的影响较小,编码的跨面邻域检索运算时间略高于面内的运算,可以为全球离散格网系统的研究应用提供支撑。

遥感图像菱形三十面体六边形全球离散格网建模及存储

全球离散格网系统(Discrete Global Grid System,DGGS)是数字化的地球参考框架,在多源、多尺度地球空间数据集成分析方面优势明显。本文选择菱形三十面体六边形全球离散格网系统,提高格网与地球的整体拟合精度和空间采样率;建立遥感图像六边形像素数学模型,提出兼容开放标准格式的数据存储方案。①根据地理位置将遥感图像格网化,完成遥感图像六边形DGGS建模;其次,建立六边形单元与矩形像素严密对应关系,等效保留六边形单元的邻域信息;②采用GeoTIFF开放标准格式精确存储六边形属性值以及投影、变换参数;③设计依托六边形DGGS格网标准数据集为基础的多尺度六边形DGGS生成算法。实验结果表明:本文方案不仅能保证六边形像素遥感图像数据与标准文件格式兼容,而且能保证矩形像素与六边形单元逐一对应,较好地保留了六边形单元数据的图像信息和空间分布特征,相较于欧空局SMOS数据组织方案更具优势。本文方案打破了六边形单元与矩形像素遥感图像的数据组织壁垒,使用常见GIS/RS软件即可读取六边形像素的遥感图像,并可通过对矩形像素的操作等效实现对六边形单元的处理,有望推动六边形DGGS在遥感数据组织、处理、共享等方面的应用。

基于QTM的WGS-84椭球面层次剖分及其特点分析

在分析现有球面剖分的基础上,发展出一种基于四元三角格网(QTM)的WGS-84椭球面层次剖分方法;并计算不同层次剖分格网的面积、边长变化情况,分析格网的特点。研究表明该格网近似规则,且具有层次嵌套性等特征,为其实用化和误差控制提供了依据。

正二十面体四孔六边形格网系统编码运算

全球离散格网系统是数字化的多分辨率地球参考模型,在结构上支持多源位置相关信息的融合处理。基于正二十面体剖分的六边形全球离散格网系统具有较好的几何属性,相关研究已引起学术界的广泛关注,如何建立封闭球面上的六边形格网系统编码运算方案是当前的研究难点。研究表明,基于正多面体剖分的全球离散格网系统与正多面体格网系统拓扑等价,两者的编码运算结果也完全相同。根据这一原理,结合四孔六边形格网系统在正二十面体表面的分布特点,基于六边形格点四叉树定义顶点瓦片与面瓦片结构,提出了正二十面体四孔六边形格网系统编码运算方案。该方案通过高效编码运算实现了格网单元跨面操作,克服了现有成果需借助低效浮点数运算实现相同操作的缺陷。对比实验表明,该方案的跨面邻近单元搜索效率约是六边形四元平衡结构方案的19.6倍。

局部区域多孔径六边形格网系统快速生成算法

六边形全球离散格网系统是支持多源地球空间信息融合处理的优选解决方案,相关研究已引起学术界广泛关注。相较于完整的全球格网,局部不规则区域格网的应用需求更加广泛,相关生成算法是当前六边形全球离散格网系统研究的重要问题之一。将二十面体相邻三角面组合为菱形逻辑结构,在此基础上,提出一种局部区域多孔径六边形格网系统生成算法。首先,分析格网剖分类型,建立离散整数坐标系,描述多孔径六边形格网单元空间位置;其次,将局部区域分解到球面二十面体的菱形逻辑结构上创建子区域;然后,根据子区域边界设计外接最小菱形遍历算法,剔除与目标区域无关单元;最后,遍历最小菱形,生成多孔径局部格网。对比实验结果表明,提出的算法具有灵活性好、效率高等优点,生成的多孔径六边形格网用于栅格数据组织,可显著减少数据量,具有较好的应用潜力。