全球六边形离散格网的几何最优化设计与空间度量

全球离散格网系统（Discrete Global Grid System,DGGS）是一种新型的空间数据模型。它采用特定的方法进行地球表面的同构离散化,提供了一种无缝无叠的多尺度的全球格网结构。DGGS使用格网的地址编码运算代替传统的坐标计算来处理各种空间操作。本文以六边形DGGS为研究对象,提出了一种用于评价格网几何均匀性的新型最优化目标函数,设计了以启发式全局优化方法为核心,结合数值投影变换方法,构建六边形的DGGS。另外,针对DGGS目前的短板问题——空间度量,研究了DGGS上基于格网方法的面积度量、长度度量和角度度量,旨在发展一套全球六边形离散格网上的空间度量体系。     

全球离散格网系统结构要素一体化编码与生成方法

全球离散格网系统是用于构建数字地球的一种有效空间数据组织框架,其中,三角形、四边形和六边形等多种单元形状的格网已在各领域广泛应用。各具特色的格网满足了各专业领域的应用需求,但也因其格网类型的差异而阻碍了跨领域的数据共享,同时单一格网在面向多领域科学问题上存在一定的局限性,因此实现多类型离散格网系统之间的互操作功能具有重要的研究意义。不同类型格网结构要素相互转换机制的建立,是实现异构格网数据集互操作的关键。本文针对这一问题,首先,研究了三类全球离散格网系统结构要素的统一特征及格点和格元的相互关系,进一步揭示了其等差圈层的分布模式;其次,以球面四元三角网为例,建立了格点的等差圈层编码,随后,根据格点与格元的关系提出了基于格点索引的全球离散格网一体化编码与生成方法;最后,利用该方法生成了河南省地表高程的格点模型、三角形格网模型、菱形格网模型和六边形格网模型,并验证了其正确性和可行性,为全球离散格网的互操作机制提供一种新思路。     

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...     

正八面体的六边形离散格网系统生成算法

全球离散格网系统是一种面向全球的新型多分辨率数据建模与表达解决方案。与三角形和四边形格网相比,六边形格网具有对称性好、采样效率高、一致相邻等特点,更利于地球空间信息的建模、整合与分析。本文提出一种能生成各种六边形格网系统的算法,将正八面体上的相邻三角面组合为“四边形逻辑结构”,建立三轴离散斜坐标系,描述不同六边形剖分产生的多分辨率格网。其采用面向对象的思想设计了软件模型,通过实验验证了算法的可行性,分析了算法的效率。结果表明,该算法采用统一的数学模型描述正八面体上各种类型六边形剖分产生的离散格网系统,对应的软件模型,将不同格网系统的共性特征和个性特征分离,便于维护和扩展,具有一定的灵活性。     

利用等面积格网模型的GNSS PDOP高效评估方法

为解决位置精度衰减因子( position dilution of precision, PDOP )监测评估中经常使用的等经纬度间隔格网模型（equal-interval of longitude and latitude grid, GRID_ELL）存在全球格网点分布不合理、评估统计结果有偏差、计算和存储效率低等问题,进一步开展全球PDOP长周期实时监测服务,引入两种等面积格网模型：等弧长格网模型（equal-arch-length grid, GRID_EAL）和正二十面体球面格网模型( icosahedron-based grid, GRID_IB ),并分析其与GRID_ELL模型之间的差异。结果表明,两种等面积格网模型能够显著改善GRID_ELL模型全球格网点分布不均匀的现象以及目前全球PDOP监测评估统计结果中的偏差。重点针对不同格网间距的GRID_EAL模型适用性进行测试,结果表明,5°间隔的GRID_EAL模型能在保持全球PDOP监测评估准确性的同时,在计算效率和存储上带来36.3%和34.1%的提升与优化。     

基于球面退化四叉树格网的GlobeLand30数据表达及精度分析

Globe Land30为我国研制的世界上首套全球30 m地表覆盖数据集。该数据采用传统的通用横轴墨卡托投影(UTM)组织数据。为了解决地图投影给全球性问题带来的空间数据断裂及几何变形等问题,本文以球面退化四叉树格网(DQG)为基础,构建一种Globe Land30的全球连续表达模型;并选择相应的精度评价指标,对基于DQG模型表达的几何变形、数据误差的空间位置分布及定量化进行研究。结果表明:基于DQG模型既能保证Globe Land30数据表达的全球连续性,又能保持原有的数据精度,为Globe Land30在全球空间数据的可视化连续表达与深度分析提供了基础。     

卫星重力梯度数据的归算与格网化处理

给出引力梯度数据归算的二阶径向改正公式,计算结果表明选用高精度参考重力场模型可以有效控制归算误差的影响。比较加权平均法、Shepard曲面拟合法和最小二乘配置法用于卫星重力梯度数据格网化处理的精度和适用性,采用不同噪声背景的径向引力梯度数据进行格网化处理,计算结果表明：最小二乘配置法相比加权平均法和Shepard曲面拟合法具有明显优势,其格网化精度可满足高精度重力场恢复的需要,建议在实际计算中采用最小二乘配置法进行格网化处理。     

乡镇级人口统计数据空间化的格网尺度效应分析——以义乌市为例

格网尺度效应是统计型人口数据空间化研究的基础性问题之一。针对资源环境研究领域和全球变化区域模型对各种尺度的空间型人口数据的需求,人们对人口数据空间化进行了大量研究。综观现有研究成果,缺乏针对具体应用需求的数据源选择方法和对数据产品适宜性的分析。因此,数据在实际应用中,特别是县市、二、三级流域等尺度上的应用中,存在较多的不确定性。本文重点研究人口数据空间化的格网尺度效应分析方法。以浙江省义乌市为例,利用CBERS、IRS-P5卫星影像,提取了研究区土地利用信息;在地理信息系统技术支持下,对乡镇统计人口进行空间化建模,生成20m至1km系列的格网人口数据;通过比较不同格网人口与乡镇统计人口的误差,分析人口数据空间化的格网尺度效应。分析结果表明,采用CBERS数据源进行人口数据空间化,其数据产品即格网人口的适宜尺度是200m,抽样精度为76%;采用P5数据源进行人口数据空间化,其格网人口的适宜尺度是100m,抽样精度为84%。     

球面数字空间下的基本拓扑模型

球面格网数据模型SGDM(Sphere Grid Data Model)具有多分辨率和层次组织的特性,已成为目前构建globe GIS的有效方法之一。但是,目前关于球面定性和定量的相关模型方法,大都建立在球面连续空间之上。为使计算机能有效地进行球面空间数据处理和关系计算,亟需在球面离散空间上建立起一套空间分析模型和相关方法。本文给出了球面数字空间的定义和特性,建立了基于流型的球面数字空间的基本拓扑模型,将Egenhofer等人的4交关系模型推广到球面数字空间。     

几种离散格网模型的几何稳定性分析

对仅从剖分单元的形状和面积的变形研究,不能完全表达格网模型几何稳定性作了分析,并提出了从研究格网结点空间分布均匀性在多分辨率剖分过程中的变化出发,分析格网系统稳定性的研究思路,并选择能直接反映格网结点分布特性的四个统计量作为格网结点均匀性的评价指标。对几种离散格网系统的几何稳定性进行比较和评价,分析了不同格网生成方式对稳定性的影响,最后,在此研究基础之上,提出了进一步研究的工作方向。     

一种基于地球剖分网格的区域面积计算方法

区域面积计算是区域分析的基础。随着空间信息剖分组织理论的发展,地球剖分网格受到广泛关注,并且显示了在空间大数据组织能力上的潜力。球面空间与欧式空间不同胚导致地球剖分网格规格不一的特征,在进行区域面积计算时需要先将网格转换回对应的经纬度范围,再进行积分运算,流程复杂,计算效率不高。由此本文根据GeoSOT全球参考网格的剖分方案,基于矩阵变换的分块、邻接操作以及向量的乘法运算,设计了一种可以摆脱经纬度和积分运算的面积计算方法,并针对此方法设计实验验证了其可行性和高效性,为网格体系下区域面积计算提供一种新思路。     

基于球体几何关系的球标靶特征提取算法

利用“球面上任意3点确定的平面与球的相交曲线为圆,该截面圆心与球心的连线(球截面圆心法线)垂直于圆平面”的几何关系,提出一种基于球体几何关系的球标靶特征提取算法。通过对球标靶点云构建多组截面圆,对截面圆设定约束条件,构造球心到球截面圆心法线距离平方和的目标函数,以此目标函数最小为条件求解球标靶的球心坐标。通过实验比较本文方法、最小二乘方法、整体最小二乘方法、加权整体最小二乘方法和稳健加权整体最小二乘方法对球标靶的处理效果,结果表明本文方法具有较高的准确性和稳健性。     

海陆岸线多尺度矢量数据获取方法及其尺度效应评估

地理空间数据的多尺度表征是制图学的基石,是支撑地理数据多尺度建模分析的前提。通过对从遥感影像获取的一定尺度的地理要素矢量数据进行选择、化简、聚合或其他处理,以获取多尺度矢量数据,但多种综合处理模型和方法会导致多尺度矢量数据存在着不同程度的信息损失。本文基于地理信息系统（ArcGIS 10.6）的矢量数据制图综合功能模块,通过整合多种内嵌的自动算法和模型,结合人机协同的辅助处理方法,构建了一套系统的海陆岸线空间尺度上推方法体系,并将其应用于南美洲大陆海陆岸线矢量数据从m级空间尺度上推到30 m、250 m和1 km。基于分形理论,首次提出线矢量数据复杂度指数概念,用以表征海陆岸线地理要素特征和对比其信息精细化程度。在此基础上,对获取的30 m、250 m和1 km海陆岸线矢量数据进行信息损失评估,结果显示制图综合引起陆地和水域空间属性的改变,不同尺度表征的地理要素信息精细度存在显著差异：相比m级基础数据,30 m、250 m和1 km海陆岸线矢量数据陆地图斑数量损失分别为32.07%、90.46%和98.61%,岛屿线矢量长度信息损失分别为6.32%、49.26%和75.47%;南美洲大陆海岸线矢量数据信息精细度分别降低1.97%、25.33%和45.39%。本文构建的计算机自动综合模型和人工处理相结合的海陆岸线矢量数据空间尺度上推方法,可以实现海陆岸线矢量数据空间尺度上推获取不同尺度的线矢量数据,并描述了不同空间尺度矢量数据的信息损失状况。     

求解制图区域的地图图幅编号的算法研究

基于地理格网理论,从点、线、面三个方面,提出了归原法、斜率分段-同异侧判别法和投影反算-图廓内外判别法,这些算法可准确映射各种投影后制图区域所对应的基础地理信息数据范围,实现了制图范围内地理信息数据所属地图图幅编号的可视化查询。     

利用四元数的运算法则推导球面三角公式

基于四元数的运算法则，引入向量的共轭和逆概念及2个向量之间的另一种乘法运算--格拉斯曼乘积。结果表明，球面上大圆弧对应的四元数为球心指向大圆弧终点的单位向量与球心指向大圆弧始点的单位向量逆的格拉斯曼乘积；球面角对应的四元数为终大圆弧（指向顶点）平面法向的单位向量与始大圆弧（背向顶点）平面法向的单位向量逆的格拉斯曼乘积。利用四元数运算法则可方便地推导球面三角形边或角正弦和余弦公式及第一和第二五元素公式。     

动线法自动制图的关键算法设计与实现

动线法(即运动符号法),能综合表达空间实体或现象的作用方向、运动路线、数量增减、质量变化等,是计算机地图制图的重要方法之一。本文分析了直线动线符号在信息表达中存在的局限性,以及曲线动线符号所具有的优势,对曲线动线符号的组织形式、位置、颜色、方向、宽度、曲率等方面作了分析,同时对曲线动线符号提出了制图算法,具体包括:曲线符号模型算法、避障路径算法、汇流与分流算法等;并以MapServer开源软件作为平台,利用C++语言进行程序设计,建立了Web的动线法自动制图算法实验系统,且以河南省流动人口数据为例,进行算法应用分析。结果表明:该算法极利于时空数据的可视化表达,具有很好的应用前景。     

格网计算法在空间格局分析中的应用——以贵州景观空间格局分析为例

格网地图与格网计算都是基于空间坐标系统来描述、分析、虚拟区域地理现象的有效方法之一。在空间格局分析应用中具有广阔的前景。景观类型的格网地图不仅能反映它们的空间分布,还能反映它们各自占据的生态空间情况。同时,格网地图还能将景观的空间异质性定量化、空间化和图形可视化表达。在格网地图和格网分析法的基础上,可以利用空间自相关分析、半方差分析等空间统计分析方法对景观的空间格局作进一步的深入研究。     

顾及空间冲突的等级道路网变比例尺二次规划模型

变比例尺可视化技术被广泛应用于城市路网的地图制图,其基本思想是采用较大比例尺突出显示城区的密集道路,较小比例尺显示并不重要但对路网布局起辅助作用的周边道路。目前,不少研究是通过使用坐标转换公式及参数组合对路网进行变换,以得到较理想的变比例尺效果。然而,这类方法常难以避免路网较大的变形和道路要素的空间冲突。鉴此,本文结合顾及道路等级的形变约束规则和基于支持向量机的线相交约束规则,建立了二次规划算法的等级道路网变比例尺模型,动态优化道路网变比例尺的效果。本文以广州市增城区规划建设的“一核三区”道路网作为试验对象,分别与可调“放大镜”式地图投影和Focus+Glue+Context模型进行比较。实验结果表明,本模型能得到较为理想的变比例尺效果,且具有良好的自适应性和实用价值,为地图变比例尺可视化研究提供一种可控制地图变形过大和解决空间冲突问题的新方法。