全球离散格网的建模方法及基本问题

全球离散格网(Discrete Global Grid,DGG)模型是数字地球及空间信息格网的基础,不同的建模方法不但影响空间数据的存储和管理效率,而且影响全球GIS的操作功能。该文介绍了DGG的评价标准,将DGG的建模方法归纳为3种类型:经纬度格网模型、自适应格网模型和正多面体格网模型,重点分析了不同类型球面离散格网模型的几何结构、单元特征和应用模式。最后,提出了DGG在Global GIS中亟待解决的基本问题,包括编码、精度、应用、误差、整合和定位问题。

基于线性四叉树的全球离散格网索引

将四元三角剖分的三角形格网组织成四叉树剖分的菱形块格网,以菱形块单元来进行数据的组织索引,通过线性四叉树成熟的Morton编码作为关键字来标识查找菱形块,并在此基础上经过改进来索引三角形格网、进行邻域搜索。

基于QTM的全球离散格网变形分布及收敛分析

介绍了球面四元三角网(QTM)的剖分原理;用纬线代替大圆弧线以改进QTM的传统细化方法,既减小了格网的变形量,又提高了格网数据与地理坐标的转换效率;根据实验数据,分析了在不同层次QTM格网中其面积和边长的变异性分布特征.结果表明:随着剖分层次的增加,1)格网面积的变形特征逐渐接近于正态分布;2)三角形最大/最小面积的比值和最大/最小边长的比值越来越大,但其增长速度越来越小,最终收敛到1.73和1.86.

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。

基于菱形块的全球离散格网层次建模

在球面四元三角格网(QTM)基础上,以“菱形”块(Diamonds)作为基本单元,构建了全球离散格网的分块层次模型.用线性四叉树成熟的Morton编码作为关键字来标识菱形块,发展了具有固定方向(fixed orientation)的“块”层次编码技术及邻近搜索算法.利用地址码的邻近特征,建立了块层次之间、块与格网之间和格网层次之间的关联关系,并设计了全球多层次“菱形块”的层次操作和动态调用方法.研究结果表明:该模型在保持原有精度基础上,几何结构更简单;既避免了传统算法各层次间数据存储冗余问题,又使邻近搜索、数据更新和显示操作变得方便易行.

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。

离散全球格网模型几何均匀性研究

在深入分析离散格网模型系统几何形变的研究现状与不足的基础上,提出了通过研究格网中单个结点与拓扑邻近结点间空间格局,对格网结点空间的均匀性进行评价的新的研究思路.提出了几种新的评价指标,包括邻近点间距离的最大值与最小值比值、邻近点间张角的最大值与最小值比值以及所有结点相互之间边长的标准差.采用上述指标,对6种代表不同类型的全球离散格网模型进行了研究,分析了各种格网模型结点均匀性的变化规律.

空间信息剖分组织的全球离散格网理论与方法

随着对地观测手段的不断进步,在广大区域甚至全球范围应用遥感和其他类型空间数据的机率大大增加。构建具有连续性、层次性和动态性的全球数据模型已成为广受关注的重要研究方向。目前,全球空间数据组织处理模型的研究已经取得了可喜进展,其中构建＂全球离散格网系统＂（discrete global grid systems,DGGS）,正是针对该问题提出的一种解决方案。

一种全球离散格网系统框架下的室内空间网格数据模型

针对室内外数据模型兼容性低,室内模型缺乏统一空间参考框架的问题,提出1种全球离散格网框架下的室内空间网格模型:室内模型通过引入全球离散格网系统(DGGS)作为坐标参考系统提供位置编码信息,并将DGGS作为模型的几何结构基础对室内空间离散化;然后以离散空间网格作为基本组织单元,对模型的类型系统进行设计;最后利用格网系统的层次结构与网格索引特性完成基于A*算法的室内路径规划。实验结果表明,该模型具有在统一框架下空间规划计算的可行性和有效性。

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。

基于全球离散格网的空域冲突检测算法设计

为了快速检测空域冲突、及时进行冲突消解,针对现有空域冲突检测算法计算量大、速度慢问题,设计了一种空域冲突检测算法。该算法采用正二十面体剖分方式,将空域格网化;结合矩阵运算,大大降低了空域冲突检测运算量。该算法在大规模空域冲突检测时能够快速、准确地检测出空域冲突位置和冲突空域编号。

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。

全球离散格网:回顾与展望(英文)

全球离散格网是数字球体表达的基本数据模型,它提供了一种栅格化表达地球弯曲表面的方法,催生了数字地球。该文回顾全球离散格网与数字地球的发展史,评析了以谷歌地球为代表的第一代数字地球的技术实现。在为科学界及社会公众提供地表与近地表信息交流方面,数字地球的有效性面临挑战,第一代数字地球在很多方面存在不足,其中最显著的缺陷是不能基于社会与环境过程模型模拟地球的将来状态。展望未来,简要分析了下一代数字地球应具有的基本特征。

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。

正二十面体球面菱形离散格网的编码模型及其映射方法

全球离散格网为全球尺度的空间数据组织与管理提供了基础环境,而全球离散格网的编码体系,则可屏蔽不同坐标参考框架下的坐标转换,减少空间分析的复杂度,有利于数据的多尺度表达和统一建模。相对于其他类型的全球离散格网,基于正二十面体所构建的球面菱形离散格网具有更均匀的几何性质,有利于球面空间数据的集成与表达。但基于正二十面体的球面菱形离散格网的初始菱形边线并不贴合经纬线,这导致相对于基于正八面体的球面菱形离散格网,其格网结构更为复杂。这对构建正二十面体球面菱形离散格网的层次编码模型和建立其与地理坐标间的映射关系转换带来了新的挑战。针对这一问题,本文基于Hilbert曲线构建了正二十面体球面菱形离散格网编码模型,并在此基础上设计了格网编码与地理坐标的相互转换方法。研究表明,利用球面菱形离散格网与平面规则格网的相似性,基于Hilbert曲线构建的正二十面体球面菱形离散格网编码模型能够隐式表达空间尺度与位置信息,且在地理坐标与格网编码转换方面兼具效率与精度,可以支持全球海量空间数据建模、集成管理以及各类空间分析。

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。

基于Fuller投影的六边形球面离散格网生成算法

随着云计算、航天遥感、地理信息、导航等技术的发展,用于空间信息剖分组织的全球多分辨率离散格网模型得到了长足发展。针对已有研究成果和当前研究现状,选取性能优异的六边形作为基本格网单元,Fuller多面体投影作为投影类型,提出了一种基于正八面体构建新型六边形球面离散格网的方法。全文系统地论述了此新型离散格网的生成算法并给出了相应实验结果,最后与基于Snyder等积多面体投影的格网进行比较,得出其特点和应用前景。

地球格网化剖分及其度量问题

地球剖分网格(或全球位置定位框架)系一种科学简明的空间参考系统,是地球信息数据的离散化、准确化、系统化的表现,这是地理信息科学和数字地球中重要的基础性问题,是全部地理计算的源头和归宿。近年来,随着GPS、北斗等卫星系统日趋发展和全球化应用,此相关于全球三维位置准确性、度量和全部空间分析准确性等基础问题受到人们高度重视。本文首先针对多年来地球剖分网格研究的进展和不足,提出和分析了网格数据的质量的若干问题,即剖分的完整性、逻辑一致性、准确度和一些相关问题;然后面向剖分中的定位和度量,指出了剖分对象及其度量空间特征,剖析了"3维结构及厘米级准确度"的革命性需求将对GIS体系和剖分科技体系发展产生重大的影响;接着,着重指出地球剖分的椭球三维途径的主体和剖分途径,论述了加强剖分基础理论阐述的内容和意义,并介绍了地图代数在地球剖分基础对象、椭球三维剖分和理论途径和相应试验。最后,课题组认为椭球型、(B,L,H)三组正交曲面剖分是地球剖分工作的正确途径,建议大力强化剖分理论基础研究,发展和完善剖分的标准体系,迅速创建地球剖分试验平台。

球面退化四叉树格网的剖分及变形分析

为有效解决经纬度格网与四元三角网(QTM)在全球空间数据管理与操作中存在的不足,提出一种新的全球离散格网剖分方法——球面退化四叉树格网(DQG),给出该格网的剖分原理与编码规则,并对其进行几何变形计算与分析。结果表明:DQG既具有经纬度格网结构简单的特征,又具有QTM几何变形稳定等优点。