基于球体退化八叉树的全球三维网格与变形特征

基于投影的度量空间变换为数字地球及数字区域建设带来了几何裂缝、投影变形等问题,解决问题的根本途径是摒弃投影,直接在球体流形空间建立统一的地球空间基础框架。该文将球面离散网格向球体内部扩展,基于球体退化八叉树提出一种全新的全球三维空间网格剖分方法——球体退化八叉树网格(SDOG)。SDOG具有多层次、多分辨率特性,且网格单元面积、体积变形稳定,可对包括地球在内的任意球体进行有序的多层次三维空间剖分,可为全球空间数据集成组织与检索、多层次空间建模与可视化、地球系统科学研究等提供统一的地球空间基础框架。

球体退化八叉树网格编码与解码研究

球面离散网格只进行地球表面剖分,而球体退化八叉树网格(SDOG)可对整个球体空间进行多层次连续的三维递归剖分,且网格大小均匀、变形稳定,适合作为全球三维空间基础框架。该文研究SDOG的编码与解码问题,剖析了SDOG网格编码的原理,提出两种网格编码方法,即单层次退化Z曲线填充编码(SDZ)和多层次退化Z曲线填充编码(MDZ),设计了相应的编码与解码算法。通过实验比较了SDZ、MDZ和QuaPA主码在编码效率、解码效率及编码长度方面的差异,结果表明MDZ是一种优异的多分辨率动态网格编码方法,可服务于基于SDOG的全球三维空间基础框架。

适应性球体退化八叉树格网及其编码方法

球体退化八叉树格网(SDOG)为具有经纬一致性、正交、粒度近似、非重叠、多层次性及多分辨率的三维全球空间格网(GSG),有望成为地球系统科学、全球GIS乃至数字地球的空间基础框架,但不便处理半径及球面维度上的分辨率非同步变化问题。该文在SDOG基础上沿某一方向进行独立递归细分,构建了一个能适应非同步变化的多分辨率的球体GSG———适应性SDOG,提出了其耦合退化Z(CDZ)曲线填充编码方法;并以NCEP提供的温度数据为实验,实现了基于适应性SDOG的全球大气温度场三维建模与可视化。结果表明:适应性SDOG具有更好的适应能力,能有效处理分辨率非同步变化问题,提高了SDOG作为全球空间基础框架的应用性能。

非均匀适应性球体退化八叉树剖分地球圈层空间格网

适应性球体退化八叉树剖分算法解决了地球半径及球面维度的分辨率非均匀变化问题,但是该算法在单独细分的方向上仍是均匀的,无法解决在球面或者径向分辨率非均匀变化的问题。本文在适应性球体退化八叉树的基础上,提出了使用非均匀适应性球体退化八叉树剖分地球圈层空间格网的方法。并以地壳、地幔和地核的空间格网为例,阐述剖分理论、剖次计算公式和剖次计算过程。实验表明:该算法可有效地减少低分辨率数据处的空间格网冗余。

球体网格真三维地质模型漏洞的纬度带推扫填补算法

针对利用钻孔数据构建真三维地质模型存在的漏洞问题,依据球体网格剖分理论、网格拓扑关系及其编码的邻近搜索算法,以地层钻孔数据边界作为约束,采用分带推扫方式遍历填补,完成模型的三维重建。文中实质上提出了一种基于离散空间点数据的三维栅格化方法,丰富了GIS三维建模理论。

基于GPU加速的SDOG并行可视化实验

球体退化八叉树格网(Spherical Degenerated Octree Grid,SDOG)及其三元组模型为全球变化及地球系统科学研究提供了一种地表及其内外空间统一表达与建模的全球空间数据模型。然而,现有SDOG模型可视化效率较低,难以满足全球模式下空间数据快速可视化的要求。该文采用GPU并行计算技术实现SDOG模型可视化加速。通过分析SDOG模型可视化过程的并行特征,选取格网码(C)解码及三元组渲染两个过程进行GPU并行化,分别利用数据并行及直接显存渲染策略实现GPU加速;设计了两组实验进行测试,结果表明:1)GPU并行对C解码过程具有明显的加速效果,且随数据量增长加速效果更加突出,加速比达15倍;2)受系统构建、数据传递等因素制约,GPU并行对C解码过程的加速效果与GPU性能呈正相关,但不呈正比;3)直接显存渲染优化策略可有效提高SDOG的GPU并行渲染效率,渲染速度可提高1.5倍。

真三维地质模型构建的球体测地线八叉树网格方法

三维地质空间表达可以准确揭示地质现象与过程的空间结构与分布规律。传统三维地质建模方法广泛存在着面向局部小区域、基于投影数据、表面静态建模、难以进行3D空间查询与分析、不利于时空大数据的组织与管理等缺陷。地球剖分网格以其全球全方位视角、循环递归剖分机制和有机灵活的编解码策略为解决上述问题、构建新一代数字地球平台提供了新的技术方案。本文以郑州航空港经济区为例,利用实测地质数据,基于球体测地线八叉树剖分瓦块(SGOG网格),建立区域真三维地质模型框架,并进行空间分析。在对原始数据进行预处理的基础上,将SGOG特定剖分层次的瓦块节点与地质体外包络体特征点数据进行匹配,构建真三维地质框架;通过漏洞修补和着色渲染,建立多尺度多地层三维地质体模型;在此基础上,进行真三维地质空间分析,包括地质体真三维剖面、数字钻孔以及几何特征参数计算。实验结果表明:本文的建模方法,不但结构简单,操作方便,适用于复杂不规则的地质体,而且可以利用SGOG瓦块的多尺度特性,灵活实现精度与尺度的自适应表达,方便进行多角度真三维空间分析。地球剖分网格是数字地球发展的必然趋势。

球体八叉树网格编码修正及与传统坐标的变换

针对原有球体测地线八叉树网格(SGOG)编码存在的长而无序、不适宜径向大尺度地理空间剖分、与OSG模型渲染机制不能很好兼容的缺陷,该文提出了修正SGOG编码方案。该方案严格遵守SGOG编码模型,修改了编码的方法与次序,精简了编码长度,优化了内涵结构,面向整个地球系统空间的剖分,方便后续的建模处理;在上述基础上,设计并实现了修正SGOG编码与空间直角坐标的相互转换算法,进而以空间直角坐标为中介,实现了修正SGOG编码到地理坐标系的换算。研究结果表明,修正SGOG编码方法可以很好地解决原编码方式的缺陷,提升了建模的效率与效果,有利于推动SGOG的进一步应用。

地球系统空间格网及其应用模式

全球变化与地球系统科学研究涉及跨圈层、跨投影带的中-大-超大尺度问题,对全球地学信息系统(GGIS)、全球空间格网(GSG)及数字地球提出了新挑战。在剖析GSG研究现状的基础上,指出需从地球系统整体上设计一个多领域普适的全球三维空间格网———地球系统空间格网(ESSG),以支撑全球变化及地球系统科学研究。结合领域特点,提出了构建ESSG的8项基本要求,并基于球体退化八叉树格网(SDOG)设计并实现了一种满足该要求的SDOG-ESSG模型;介绍了SDOG-ESSG模型在地球系统空间数据集成、三维建模、多尺度表达、对象变化表达、数据检索与云服务、过程模拟及空间环境安全规划与可视化决策等方面的7种典型应用模式。

基于球体网格与DEM的流域地形特征尺度效应分析——以长江流域为例

基于球体大圆弧八叉树剖分网格和全球共享DEM(Digital Elevation Model)数据分别构建长江流域多层次三维地理场景,提取流域相关地形参数,分析流域地形特征随度量尺度变化的趋势与规律.结果显示,同尺度下球体网格模型的上下表面积、起伏度均小于DEM模型对应的特征值,而地形粗糙度、二维和三维分形维数以及广义分形维数和多重分形谱值的范围等均大于DEM对应的特征值.所有尺度下,球体网格模型表面的二维分形维数均大于2,而对应DEM的二维分形维数均小于2,但两种模型的三维分形维数均小于3.研究表明,DEM与球体网格模型在计算地形参数时均具有尺度效应,所有参数值随着剖分层次/数据分辨率的提高而增加,但增加的趋势不尽相同;两种模型在表达地形多尺度特征时具有良好的一致性;球体网格在大区域地形无缝可视化和地形参数提取精度方面具有一定优势.该研究可为流域生态环境监测以及流域分布式水文模型构建等提供科学参考.

多源异构岩石圈板块数据处理与可视化

分析了已有全球及中国岩石圈板块模型、厚度、地形数据多源异构的现状,并研究球体退化八叉树格网全球尺度连续、多层次、网格变形小、可动态编码的特点。首先针对收集到的岩石圈板块数据多源异构的特点,对原数据进行预处理,然后基于球体退化八叉树格网建模与可视化的要求,对预处理后的岩石圈数据进行组织,并采用该数据组织方法对处理数据进行实验,实验结果表明采用该数据组织方法,可以较好地为岩石圈板块的三维建模与可视化提供技术支持。

基于SDOG的岩石圈多尺度三维建模与可视化方法

岩石圈构造研究对构造运动、地球深部动力过程、地幔对流、资源勘探及防灾减灾有重大意义,而三维建模与可视化是研究岩石圈构造的重要手段.等值线/剖面及基于欧氏空间的三维表达与建模方法难以满足全球尺度的岩石圈真三维建模的需要;新近发展的全球三维格网建模技术的格网划分存在收敛、叠置、非正交及非经纬一致性等缺陷.基于面向球体流形空间的非收敛、非叠置、正交、经纬一致性的球体退化八叉树格网(SDOG),提出了岩石圈实体及场对象的三维流形表达与建模方法,并结合SDOG的多层次/分辨率特性及岩石圈属性的多语义性,设计了岩石圈的多尺度模型,实现了岩石圈的多尺度建模、数据组织与多模式可视化.结果表明:(1)SDOG方法有效克服了现有全球三维格网方法的格网缺陷,较传统方法更为真实、自然地反映了岩石圈的球形特征,为岩石圈空间建模、数值模拟、数据共享的统一空间格网提供了一种新的解决方案;(2)随着尺度模型的演进,更详细的板块划分、更精细的岩石圈层结构与边界凹凸以及更丰富的岩石圈属性可被渐次呈现出来.

SDOG-ESSG的几何分布规律及面邻近计算

在剖析基于球体退化八叉树格网的地球系统空间格网(SDOG-ESSG)几何分布规律的基础上,对邻近计算方法进行推演与归纳,提出了SDOG-ESSG的面邻近算法.通过引进层域及纬域等核心概念,分别对格网的几何规律作定性和定量分析,导出SDOG-ESSG的层、纬域数量、各向等价二分次数等计算方法,为后面面邻近的计算提供数学基础;在分析SDOG-ESSG几种可能的面邻近基础上,以层-列-行坐标系为媒介,通过将格网码转为层-列-行坐标,分多种情况进行讨论,给出层-列-行坐标系下的面邻近格网,并最终将格网的层-列-行坐标转换为格网码,实现任意格网码的面邻近格网计算.

球体剖分瓦块的大区域真三维地理场景构建

针对目前地理信息科学领域存在的三维地理场景大都是局部的、基于投影的2.5维表面模型的问题,该文提出了利用球体大圆弧八叉树剖分(SGOG)瓦块建立大区域真三维地理场景的方法。将SGOG特定剖分层次的顶点与全球共享DEM数据进行匹配,构建大区域真三维地形框架;以地形起伏度为阈值,采用不同层次的瓦块进行自适应建模,大大减少了数据量;粘贴遥感纹理,建立虚拟地理场景。中国大陆地区的实验结果表明:所提方法不但顾及了地球曲率,克服了投影变形的缺陷,而且可以利用SGOG多尺度特性,灵活建立各种(混合)尺度的模型,并可实现地表上下空间的一体化建模。

基于SGOG瓦块的数字地球真三维可视化技术与应用

以Google Earth为代表的第一代数字地球平台,利用球面剖分瓦片,构建了2.5维静态的数字地球表面,实现了地表空间数据的集成、建模和应用,但没有涉及地表上下的空间。本文阐述了球体大圆弧QTM八叉树剖分的规则、瓦块体系的几何特征及其编码原理,设计并实现了瓦块编码到空间直角坐标之间的互换算法,并利用C++和OSG等主流语言,构建了真三维数字地球可视化平台的雏形框架;实现了球面和球体的任意剖分、地表上下空间实体的可视化建模及简单三维空间分析。初步展示了球体瓦块的新一代数字平台在天地一体化空间大数据集成、管理、建模与应用中的优势及前景。研究表明,球体大圆弧QTM八叉树网格,具有简单、规整、几何特征明晰、适宜作为全球离散空间的坐标基准,利于空间实体建模与可视化等特点,可作为构建新一代数字地球平台的数据模型基础。

球面四元三角网修正方向编码的邻近搜索算法

针对球体测地线八叉树网格(SGOG)采用的修正方向编码邻近关系复杂的问题,该文提出了其邻近搜索算法。先对修正方向编码特征进行分析,发现在递归剖分过程中,子三角形(剖分层次n≥3)相对于其二级父三角形的位置是固定的,随后给出了三角网格方向判断及邻近规则。结果表明,本文算法的效率大约为传统球面四元三角网(QTM)Bartholdi搜索算法的6倍。本研究对SGOG在时空大数据管理与建模中的应用具有重要意义。