利用数值投影变换构建全球六边形离散格网

本文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,提出了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。实验表明,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。     

基于弱对偶的平面三角形格网离散线转化生成算法

矢量数据是地球空间数据的重要组成部分,数据离散化是其与栅格数据进行同构处理的重要环节,其中离散线的生成是基本问题。针对三角形格网离散线生成算法的不足,提出了借助弱对偶六边形格网,建立等效三角形格网离散线数学模型,并通过降维方式求解的研究方法。首先,根据三角形格网与六边形格网之间的弱对偶关系,基于六边形格网建立等价的三角形格网离散线模型;然后,利用降维思想将二维离散线模型等价变换为一维闭合路径求解;最后,设计并实现了平面三角形格网离散线转化生成算法。将该算法分别与Freeman算法和全路径算法进行了对比实验,实验结果表明,该算法的运算效率可达同类算法的9～10倍,且效果更优,可应用于矢量数据的实时格网化、地形建模、空间分析、模拟仿真等领域,应用前景广阔。     

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。     

利用球面离散格网组织空间数据的关键技术

球面离散格网系统是一种能够一体化表达空间位置和测量精度的新型空间数据模型.在分析其优点的基础上,提出利用球面六边形格网系统组织多源、异构空间数据的基本思路.对其中涉及的高精度离散格网系统设计、层次格网编码与索引方案、实体表达与数据重组、实体查询与分析算法等关键技术提出了解决方案.通过原型系统验证了其可行性.     

基于二十面体剖分格网的球面实体表达与Voronoi图生成

在分析当前球面空间数据结构的基础上，讨论了利用Snyder等积投影在二十面体上建立球面空间基础剖分方式的思路，然后在初始投影面上采用六边形格网进行层次细分，获得多分辨率的全球铺盖。提出了基于六边形格网的三叶节点管理与瓦片编码的基本思路，确立了球面不同实体的六边形格网表达模式。在此基础上，提出了基于球面六边形铺盖的Voronoi图生成算法，实验验证了算法的正确性与效率。     

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。     

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。     

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。     

基于球面六边形网格系统的空间信息处理方法

利用球面离散网格系统管理全球海量空间信息是一种受到普遍关注的新途径。文中提出的方法首先采用施奈德等积多面体投影将平面多分辨率六边形网格映射到球面构成网格系统;然后通过边界点四元组将球面六边形网格之间的空间关系转化为球面三角四叉树处理,利用扩展的QTM编码方案在3轴离散网格坐标系下实现了经纬度和单元地址码之间的转换;最后提出了单元分析和检索算法。实验结果表明,这种数据处理方法直接对单元地址编码进行操作,具有较高的效率。     

基于球面六边形网格系统的空间信息处理方法

利用球面离散网格系统管理全球海量空间信息是一种受到普遍关注的新途径.文中提出的方法首先采用施奈德等积多面体投影将平面多分辨率六边形网格映射到球面构成网格系统;然后通过边界点四元组将球面六边形网格之间的空间关系转化为球面三角四叉树处理,利用扩展的QTM编码方案在3轴离散网格坐标系下实现了经纬度和单元地址码之间的转换;最后提出了单元分析和检索算法.实验结果表明,这种数据处理方法直接对单元地址编码进行操作,具有较高的效率.     

一种面向虚拟地球的海面动态可视化优化方法

现有的虚拟地球中的海面可视化方法主要采用投影网格的方式组织海面格网,这种特殊的网格组织方式,导致其在反映不同海域差异性特征时存在缺陷。基于全球离散格网的海面可视化方法由于能够与虚拟地球离散的空间剖分相匹配,有效弥补了投影网格法的缺陷,因此更符合虚拟地球海面仿真应用的需要。然而现有的离散格网法存在绘制效率差、场景加载慢、需要修补格网缝隙等问题,限制了其应用发展。对此,本文在现有离散格网法基础上进行优化:首先,在数据结构上对传统等经纬度离散格网进行扩展,设计了一种面向GPU绘制的多尺度海面网格模型来组织管理海面格网;其次,为了实现风场驱动下的海浪动态绘制,在多尺度海面网格模型的基础上提出了一种支持实时风场更新的海浪动态绘制方法;同时,考虑到格网缝隙修补对系统效率的影响,本文针对海面格网特点并结合GPU技术提出了一种高效的海面格网缝隙修补方法。最后通过对比试验验证了本文方法的可行性和有效性。试验结果表明,本文方法绘制效率稳定,加载速度快,且能弥补现有方法在功能上的缺失,因此应用范围更加广泛。     

混合式全球网格划分方法及编码研究

根据基于多面体剖分的球面网格划分方案和基于地理坐标的等间隔网格划分方案的优缺点及地图投影的特点,提出了一种混合式全球网格划分方法。这种划分方法将全球分成了六个面片,每个面片的每一边都是90°,其中四个面片处于南北纬45°之间,以等距离圆柱投影为基础,采用矩形网格覆盖;两个面片处于高纬地区,以极地正方形变换为基础,采用不规则四边形网格覆盖。详细地阐述了网格的编码策略及存储方式,并给出了网格编码与地理坐标之间的相互转换方法。     

Optimal orientations of discrete global grids and the Poles of Inaccessibility

ABSTRACT

Spatial analyses involving binning often require that every bin have the same area, but this is impossible using a rectangular grid laid over the Earth or over any projection of the Earth. Discrete global grids use hexagons, triangles, and diamonds to overcome this issue, overlaying the Earth with equally-sized bins. Such discrete global grids are formed by tiling the faces of a polyhedron. Previously, the orientations of these polyhedra have been chosen to satisfy only simple criteria such as equatorial symmetry or minimizing the number of vertices intersecting landmasses. However, projection distortion and singularities in discrete global grids mean that such simple orientations may not be sufficient for all use cases. Here, I present an algorithm for finding suitable orientations; this involves solving a nonconvex optimization problem. As a side-effect of this study I show that Fuller's Dymaxion map corresponds closely to one of the optimal orientations I find. I also give new high-accuracy calculations of the Poles of Inaccessibility, which show that Point Nemo, the Oceanic Pole of Inaccessibility, is 15?km farther from land than previously recognized.     

Wāhi,a discrete global grid gazetteer built using linked open data

ABSTRACT

Discrete global grid systems have become an important component of Digital Earth systems. However, previously there has not existed an easy way to map between named places (toponyms) and the cells of a discrete global grid system. The lack of such a tool has limited the opportunities to synthesize social place-based data with the more standard Earth and environmental science data currently being analyzed in Digital Earth applications. This paper introduces Wāhi, the first gazetteer to map entities from the GeoNames database to multiple discrete global grid systems. A gazetteer service is presented that exposes the grid system and the associated gazetteer data as Linked Data. A set of use cases for the discrete global grid gazetteer is discussed.     

基于全球离散网格框架的局部网格划分

从全球离散网格系统的应用需求出发,分析全球框架下建立局部网格的重要性,在此基础上提出全球离散网格系统下同构化的局部网格生成的基本思路,详细分析局部网格的复杂球面边界问题,从点与球面三角形的位置关系入手,讨论点与任意球面多边形的相对位置关系,研究基于球面任意多边形的边缘简化算法、判断点与球面任意多边形相互关系的算法、考虑跨面问题的网格区域裁减以及网格数据的层次生成算法.通过实验证明这些方法的效率和准确性.

Abstract：

Firstly, the paper analyzed the essentiality of generating partial grids based on the application and requirement of discrete global grid systems. And then, we brought forward the fundermental thought of generating partial grid which is under the discrete global grid frame, and discussed the detailed edge problems of partial highprecision grid. Started with the ubiety between a point and a spherical triangle, we discussed the ubiety between a point and a spherical random polygon, and then edge simplifying algorithm of spherical random polygon are studied, as well as co-relationship between points and spherical random polygon, grid district clipping based on spanning the developed surface and grid data hierarchical creating algorithm. In the end we prove exactness and efficiency of the algorithm through the experiments.     

全球多分辨率六边形网格剖分及地址编码规则

首先介绍全球网格系统的应用需求,讨论采用正多面体剖分的基本要素。在此基础上,提出一种新型的便于存储,具有多分辨率层次索引、管理能力的六边形剖分全球网格系统的设计思路、产生步骤和生成算法。分析现有六边形索引机制的缺陷,给出一种新的球面六边形网格层次结构,在该结构的基础上设计网格的层次化编码方式,成功建立网格的编码空间,详细探讨经纬度坐标与网格地址编码的转换问题,给出并实现基于递归层次离散网格坐标系统的互换算法,严格保证计算的准确性和可靠性。该结构能够无缝地表达和处理不同分辨率的全球网格空间数据。     

地心坐标系下多面体地图投影的研究

主要介绍了在地心坐标系下,建立一种以规则的经纬网格为单元,以每4个网格角点所构成的平面来切割并逼近椭球面的多面体地图投影的方法,并推导出其相应的投影方程。     

三维Hilbert曲线层级演进模型与编码计算

格网单元的编码计算是全球离散网格系统的核心,支撑着网格快速索引及应用分析的高效计算。Hilbert曲线具有聚簇性高、连续性强的特点,是研究设计全球离散网格编码的重要工具。利用Hilbert曲线进行格元编码实现了坐标等效降维表达,但是对Hilbert曲线不同层级之间的变换关系、一维Hilbert码如何刻画格元多维空间结构与关系等网格编码基础理论问题的研究尚不完备。本文以八叉树立体网格中三维Hilbert曲线层级演进关系为突破口,使用状态矩阵与演进矩阵构建层级演进模型,进而分别设计笛卡儿坐标至Hilbert码计算以及邻近格元Hilbert码计算方法。与现有算法对比,本文算法以层级演进模型为理论基础,避免了烦琐迭代步骤以及转换步骤,算法流程简明直接。试验结果表明,本文笛卡儿坐标至Hilbert码计算效率较迭代算法提高为7%~23%,邻近格元Hilbert码计算效率较转换算法提高4.0~4.5倍。     

球面离散网格与球体离散网格的比较研究

测地线在球体剖分中扮演着十分重要的角色,它保证了球体剖分网格单元的形体简单性和空间关系的一致性。本文基于对欧式空间和流空间的数学认识,探讨了球体剖分的评价标准,提出了基于大圆弧QTM的球体八叉树剖分方法,并指出作为一种大尺度的集成三维空间数据模型,全球三维离散网格是地理信息科学的一个新的发展方向。