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。     

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。     

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。     

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。     

基于VisIt的全球科学数据并行可视化——以大气温度场为例

针对当前大规模全球科学数据可视化中存在的单机可视化数据量有限、从底层开发并行可视化系统难度大等问题,该文基于分布式环境和VisIt,提出了一种简便、开放而又有效的大规模全球科学数据可视化方法。介绍了VisIt的体系结构及运行机制,给出了自定义数据的并行可视化方法;并基于NCEP数据集及全球空间格网,在小规模集群环境下实现了小粒度适应性球体退化八叉树格网(SDOG)下的全球大气温度场的并行可视化。VisIt的并行可视化性能测试结果表明:通过增加计算节点,VisIt能有效摆脱传统单机可视化对数据量的限制,可实现大规模全球科学数据的并行可视化。     

球面似均匀格网的剖分方法及特征分析

给出球面"似均匀格网"概念的内涵,并介绍3种常用的球面似均匀格网(三角形格网、菱形格网和六边形格网)的剖分方法.从几何上分析3种格网的单元特征及不同格网在不同领域的应用优势.通过对比得出3种格网的特征对照表及相互关系,即:三角形格网是最基本的球面剖分格网,球面六边形格网和菱形格网可以通过球面三角格网来生成,且这3种剖分格网各有优缺点并在一定条件下可以相互转换.     

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。     

高精度曲面建模方法研究进展与分类

高精度曲面建模方法(HASM)作为新一代的曲面模拟方法,经过20多年的发展,其理论体系不断完善,算法体系不断丰富,应用领域不断拓广。然而,目前HASM方法尚未建立科学的分类体系,仅依据求解算法为标准进行简单区分,忽视了HASM所研究问题本质上的差异,阻碍了HASM方法在相关领域的进一步应用。为此,本文在总结HASM方法发展过程的基础上,按照研究问题的本质特点,以输入数据的类型为依据,将HASM分为空间插值方法和空间数据融合方法。其中,HASM空间插值方法是根据离散采样点得到目标曲面,而HASM空间数据融合方法则是融合多源数据,并综合各个数据源优势而得到新曲面的过程。该分类科学、合理,为今后HASM方法的进一步应用提供了理论指导。最后本文叙述了应用两种HASM方法求解问题时的一般步骤,同时还对两种方法的发展前景进行了展望。     

基于QTM的海平面上升分析与模拟

针对海平面上升影响范围分析与模拟这一国际前沿问题,通过研究基于球面四元三角网(QTM)的关键技术问题,包括复杂拓扑关系计算、LOD剖分、球面水淹分析、基于QTM的多分辨率的DEM数据组织方法和分析精度的相关性评定等,以.Net和Direct3D为开发工具,设计开发了基于QTM的海平面上升影响范围评估模型。该研究结果可为全球海平面上升影响的防灾减灾决策提供有效支撑,并推动了球面数据模型和球面格网拓扑分析的理论成果在全球变化预测相关领域的应用进展。     

基于全球剖分模型的遥感影像变化区域表达和分发

很多遥感影像应用的情况下,用户需要及时获取最新的影像,其中优先级最高的应是影像的变化区域;对于那些没有变化或变化不重要的区域,则没有必要立刻传输最新时相的影像.根据上述思路,基于地图分幅拓展的全球剖分模型,利用剖分面片管理多时相的影像数据,并将其中的变化区域表达为最小外包面片(MBC)的集合.影像更新时只需传输变化区域MBC集合中的影像面片,从而减少影像更新时的数据传输负担.该文实现了影像分发平台,对MBC方法进行了验证,试验表明利用MBC进行影像变化区域表达能够满足降低数据传输负担的要求.     

基于球面DQG的矢量与地形数据无缝集成

现有的全球大规模空间数据可视化系统主要侧重于影像和地形数据的综合表达,针对矢量与地形的集成可视化能力相对较弱。该文以球面退化四叉树格网(Degenerate Quad-tree Grids,DQG)为基础,通过DQG格网的三角化过程构建了地表DEM模型,并提出了从矢量线对象到地形格网表面的映射方法。采用GTOPO30数据集和国界矢量数据进行了相关实验,结果表明:该方法能实现矢量数据与多分辨率DEM的无缝集成,并能有效地避免矢量对象"悬浮"和"入地"等现象。     

基于ESSG的空间轨道目标管理与碰撞检测方法

随着航天科技的快速发展,大量的空间目标(航天器与空间碎片)占用了有限的轨道资源,极大地改变了空间环境,影响了正常的航天发射、空间科学活动及其安全。该文针对空间目标的特点与安全性,提出了利用地球系统空间格网(ESSG)对空间轨道目标进行格网化管理的思路,介绍了格网管理的原理,设计了轨道目标碰撞检测方法。重点探讨了空间轨道目标对格网的映射、静态和动态空间目标的数据导入、空间目标碰撞风险检测等基本问题;设计了一个原理性实验,验证了该文方法的可行性。     

全球生产网络（GPN）的理论问题和中国实践启示

全球生产网络理论(GPN)是关系经济地理学派的核心理论成果,但当前国内外研究对其发展脉络和理论内涵的认识存在模糊之处,在应用方面也存在一些误区。因此,本文从GPN与全球价值链(GVC)理论互动的视角出发,回顾GVC和GPN的重要发展阶段及对彼此的影响,针对常见的对GPN理解和应用的误区展开解释与辨析,主要得到3个结论。第一,GPN理论的研究目的已从解释"价值生产"凝练为解释"区域发展的不均衡",更贴近经济地理学的基本研究范式。第二,GPN与GVC正在从分歧走向融合,共同致力于捕捉与解释全球化动态。第三,并非所有跨国公司研究或生产网络研究都属于GPN研究,GPN专指研究跨国公司与主要相关者基于生产所形成的网络动态,不适用于以国家为单位的研究,也不着力于揭示企业内部经营管理动态。本文继而指出中国经验既需要GPN理论加以探析、也有助于丰富GPN理论,精准理解GPN尤其对中国当前推行双循环战略有重要应用价值。本文强调,GPN作为中观理论框架,有效解释了全球经济中区域发展的多尺度动态,在全球化出现逆流的新形势下,对中国全球化实践,特别是国际国内双循环发展有着鲜明的研究意义。     

整合GIS的生态环境建模与EDSS研究进展

围绕生态环境的空间问题建模及模型集成机制,综合评述了环境建模及其应用软件的研究现状和发展趋势,对比分析了生态环境模型与GIS集成的多种方式,重点讨论了当前环境决策支持系统的开发策略和研究热点,并结合本体技术和语义网服务展望了未来环境决策支持系统解决方案的特征。