全球等面积四叉树离散格网建模与编码体系研究

在分析球冠、球带表面积公式的基础上,提出了一种等面积四叉树全球离散格网建模方法,阐述了格网划分机理,制定了格网编号体系,给出了由编号确定格网中心地理坐标及由地理坐标确定格网编号的公式,分析了其实际应用方向。     

基于EQG的WGS-84椭球面等面积格网剖分模型

针对目前等面积全球离散格网模型的不足,提出一种新的等面积椭球面四叉树格网剖分模型,并以WGS-84椭球体为空间基准,阐述该格网的剖分原理及节点坐标计算方法,并对不同层次格网的几何变形进行分析。结果表明:所得格网单元均匀,面积相等,且具有层次性、嵌套性、易于多分辨率的建模等特点。     

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。     

球面菱形离散格网正二十面体剖分法

基于菱形单元的球面离散格网具有结构简单和方向性一致等优点,使得其适用于全球多尺度空间数据建模与分析.本文提出一种球面菱形离散格网正二十面体剖分法.首先根据地球的主要地理特征确定正二十面体各个顶点在球面上的位置;其次针对南北两极处的极点奇异性,建立了球面经纬度坐标与三维直角坐标之间的转换关系,在此基础上提出球面菱形离散格网层次递归剖分算法,并从菱形格网单元面积、长短轴比两方面对剖分结果进行几何形变分析;最后验证了本文方法的可行性,试验结果表明,该方法可有效地构建基于正二十面体的球面菱形离散格网,其总体几何特性明显优于基于正八面体构建的球面菱形离散格网.     

基于WGS-84椭球面的退化四叉树经纬线格网剖分

针对数字地球的发展和解决全球问题的需求,给出了一种基于WGS-84椭球面的全球离散格网剖分方法——退化四叉树经纬线格网;分析了格网剖分的特点,明确了格网单元行列定义和经纬度坐标;计算出不同剖分层次格网单元面积、边长的变化情况并与基于正球面的剖分进行了对比。结果表明该格网系统具有粒度相对均匀性、层次嵌套性、方向一致性、地理条带性和对称性、广泛数据兼容性等许多优良特征,对构建全球地理信息系统具有一定的实用价值。     

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。     

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。     

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。     

适用于移动终端的全球离散格网快速生成方法

针对全球离散格网依据剖分方法和投影方式的不同,在实现方式、剖分速度、格网均匀性等方面呈现出较大差异的问题,该文顾及移动终端用户对高精度位置应用日益增长的需求,以及顾及移动终端计算性能较低的特点,分析了球面格网生成方法、格网向椭球面投影方式和几何变形特点。通过分析椭球面格网与球面格网间变形差异,该文认为球面格网代替椭球面格网在一定程度上能够满足不同精度的格网剖分需求。通过建立用户精度指标与剖分层次对应关系,提高了格网剖分的计算效率,可应用于移动终端等计算性能较低的设备。     

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。     

基于菱形块的全球离散格网欧拉数计算

对全球离散格网的研究已成为目前国际GIS界的研究热点,其中欧拉数是讨论球面栅格区域局部拓扑不变量的重要参数,也是描述和推断球面栅格拓扑关系首先要解决的问题。本文以菱形块作为全球离散格网的数据组织单元,在利用线性四叉树Morton编码作为地址码对菱形块进行邻近搜索的基础上,在对菱形块进行剖分的同时,对其子菱形块进行行列号的剖分,然后利用菱形块行列号进行邻近搜索,最后利用邻近搜索的结果计算出全球离散格网的栅格区域进行欧拉数。最后,本文在C++和DirecX环境下验证了该算法的有效性和正确性。     

iGMAS全球电离层延迟模型及并行计算策略

针对全球电离层延迟建模中传统串行处理方法效率低等问题,研究了基于全球分布的IGS跟踪站和iGMAS跟踪站观测数据实现全球电离层建模并行解算的基本方法、流程及策略。在Bernese软件基础上研制了一套iGMAS全球电离层延迟建模软件。为了验证并行解算方法的正确性和计算效率,利用全球200个左右IGS跟踪站和6个iGMAS跟踪站2014-08-20-2014-09-06共7周的观测数据,解算了快速电离层TEC格网。与IGS,CODE以及ESA最终电离层格网比较,结果表明:基于该方法解算的快速电离层TEC格网,与CODE,ESA以及IGS最终电离层TEC格网的互差,统计不同纬度带内偏差的均方根误差,全球范围内偏差的均方根误差均在1.5~2.5 TECu之间,南北半球高纬度地区在0.5~1.5 TECu之间,所有地区均优于5 TECu,整体精度与IGS,CODE以及ESA最终电离层TEC格网精度产品相当。     

基于内接正八面体的近似等积格网变形分析

介绍了一种基于内接正八面体和Snyder投影的近似等积格网构建方法。先构建与球面面积相等的正八面体,将正八面体的面作为初始剖分面,然后采用四元三角剖分方法将初始剖分面分割成层次嵌套的三角格网,利用Snyder等积投影将正八面体面上的层次格网投影至球面,用大圆弧代替Snyder投影弧,构建近似等积的全球离散格网系统。在分析Snyder投影弧和大圆弧差异的基础上,依次计算各层次格网的面积、长度、角度值;根据计算结果分析了不同层次近似等积格网面积、长度、角度变形规律及空间分布特征。结果表明,随着剖分层次的增加,格网面积误差呈减小的趋势;剖分层次为10时,99.8%的格网面积偏差在-10%~10%之间,面积变形较大的格网均位于由正八面体面的中心到三个顶点的连线附近;格网长度、角度最大值与最小值的比均呈收敛的趋势,分别收敛至1.73和3.03。     

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。     

基于椭球面三角格网的数字高程建模

针对传统的DEM在模拟表达大面积地形时具有存在裂缝、地理分析不精确、数据冗余等问题，在椭球面四元三角格网QTM层次剖分的基础上，提出了一种基于椭球面三角格网层次剖分的数字高程建模方法，该方法避免了上述缺陷。应用全球GTOP030数据对该方法进行了验证。     

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。     

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。     

摄影测量与遥感学

CH20052006基于椭球面三角格网的数字高程建模=Digital Elevation Modeling Based on Hierarchical Subdivi-sion of the Triangular Meshes on Ellipsoidal Surface/白建军,赵学胜(中国矿业大学资源学院),陈军(国家基础地理信息中心)∥武汉大学学报(信息科学版).-2005,30(5).-383~387针对传统DEM在模拟表达大面积地形时具有存在裂缝、地理分析不精确、数据冗余等问题,在椭球面四元三角格网QTM层次剖分的基础上,提出了一种基于椭球面三角格网层次剖分的数字高程建模方法,该方法避免了上述缺陷。用全球GTOPO30数据对该方法进行了验…     

利用多分辨率半边进行全球多分辨率DEM无缝表达

应用传统四叉树结构进行全球多分辨率数字高程模型（digital elevation model,DEM）表达时,不同层次相邻格网间会产生裂缝问题,尽管目前有许多裂缝消除的方法,但大都是属于"后期处理",且存在诸多限制。为此,引入多分辨率组合映射理论,提出了一种基于多分辨率半边结构的全球多分辨率DEM无缝表达方法。首先给出了基于多分辨率组合映射的多种全球离散格网统一表达方法和裂缝消除原理,并以球面菱形格网为例,提出多分辨率半边编码方法和坐标转换方法;然后,设计并实现了一种全球多分辨率DEM无缝表达算法;最后,应用C++语言和DirectX工具,开发了相应的可视化实验系统。实验结果表明,利用多分辨率半边结构,通过边界结点细分方法的特殊处理,球面菱形格网的四分体内部、边界和极点处均不会产生裂缝。与传统方法相比,该方法从前期的格网剖分结构上解决了多分辨率DEM格网的裂缝问题。     

基于多层次QTM的球面Voronoi图生成算法

随着格网层次的增大,基于全球离散格网的球面Voronoi图生成算法的格网数据量与Voronoi图生成时间都呈指数增长,在高层次时容易出现算法效率较低,甚至内存溢出无法执行等情况。利用球面四元三角格网的层次性,提出了一个基于多层次QTM的球面Voronoi图生成算法。首先用全球低层次QTM格网生成Voronoi图,然后对Voronoi边界格网进行再次剖分,得到下一层次的Voronoi图,重复进行,直至达到目标层次。实验结果表明,相对于单一层次的确定归属算法和扩张算法,该算法能够生成更高层次的Voronoi图,且效率较前两者分别提高了22倍和25倍(第9层)。