专利名称：：一种实现地球空间三维网格剖分的方法
技术领域：
：本发明涉及地球空间信息组织
技术领域：
，尤其涉及一种实现地球空间三维网格剖分的方法。
背景技术：
：度量空间是空间数据组织与分析的基础，也是空间最重要的数量特征。传统空间数据组织与分析的空向参考是欧氏空间，对于球面等非欧空间下的实体，必须采用数学投影的方式转换为欧氏空间下的平面数据才能有效组织与表达。球面是一种不能展开的曲面，要把这样一个曲面展开在平面上，将不可避免地产生裂隙和褶皱，这就需要通过数学手段对经纬线进行拉伸和压縮，拉伸和压缩过程实质就是一个投影转换的过程。将曲面投影为平面，必然导致原有数据特性的改变，特别是当区域范围大到一定程度乃至覆盖全球范围时，平面投影所带来的位置和方向等变形就具有不可忽略的影响。尽管通过某种手段能抑制变形的程度，如分带投影，但它却破坏了数据的整体性，带与带之间存在着数据的断裂或重叠，导致全球空间数据的不连续性。度量空间的变换为地球空间分析埋下了隐患，平面空间的几何特性并不适用于球面空间，如球面空间上两点距离为大圆圆弧距离，球面区域的面积为曲面面积，球面上定义的直线不是无限延长的，任意两平行直线总是相交等等。显然，基于变换后的欧氏平面度量空间进行大区域及全球空间分析时，必将导致不正确的结果。此外，不同国家和地区采用的投影方式不尽相同，各式各样的投影数据给全球空间数据共享带来了无法克服的障碍，同时也给区域、国家及全球数据集成管理增添了许多麻烦，影响数字地球和国家空间信息基础设施的建设。针对以上度量空间变换产生的矛盾，国外学者提出了一个新的概念—GlobalGIS[3'6](全球性地理信息系统，GGIS)。GGIS旨在建立一个统一的地心参考系及精确的地球椭球体三维模型，通过建立统一的地心参考系和球面离散网格框架来解决度量空间变换的矛盾。目前，国内外针对统一的地心参考系及球面离散网格展开了许多研究，较典型的有基于八面体的四分三角形网络[1](Octahedral-QuatemaryTriangularMesh，O-QTM)、球面四叉树[2](SphereQuadtree,SQT)、经讳网格及其它一些以球体的内接正多面体作为空间剖分基础的球面网格(如正四面体、正六面体、正十二面体)。O-QTM是以正八面体作为内接正多面体进行球面投影并产生八个球面三角形，然后根据顶点的经纬度坐标对每个球面三角形进行平均，将所产生的三条边的中点两两相连形成四个小球面三角形，以此一分四进行递归剖分。SQT采用正二十面体投影把球面剖分为20个等面，然后采用类似O-QTM细分的方法对每一个面进行递归剖分。经纬网则采用对经讳线不断纵横细化剖分的原理，对球面空间进行递归剖分。基于地心坐标的球面剖分将传统空间数据模型所基于的欧氏度量空间引向更为贴近地球实际的非欧度量空间，解决了传统平面投影数据不一致和不连续问题，为全球空间数据共享及集成管理扫清了障碍，也为G-GIS奠定了统一的球面离散网格框架。然而，基于地心坐标的球面剖分只停留在地球表面，未涉及地表以下。事实上，人类的认知与活动空间并不仅局限于地球表面，而是整个地球空间，包括地表、地下、大气层和电离层等。随着航天航空、气象气候、地球物理、地质采矿、油气开发、海底隧道、大型岩土与水利工程等快速发展，迫切需要对涉及三大圈层(岩石圈、水圈与大气圈)、地表与地下，地质体与工程体的整个地球空间信息进行统一编码、存储、管理、建模、表达、分析与可视化，这就需要发明一种支持地上下空间统一剖分的全球三维网格剖分方法，填补地球空间三维网格剖分方法的空白，进而建立新的全球三维空间网格框架。相关参考文献DUTTONG..EncodingandHandlingGeospatialDatawithHierarchicalTriangularMeshes[A〗.Proceedingof7thInternationalSymposiumonSpatialDataHanding[C].[s丄]:[s.n].1996，34-43.FEKETEG.RenderingandManagingSphericalDatawithSphereQuadtrees[A].ProceedingsoftheFirst1990IEEEConferenceonViualization[C].[s.1.]:[s,n.].1990.176-186.GoldC.TheGlobalGIS[C].TheInternationalWorkshoponDynamicandMulti-dimensionGIS.HongKong，1997赵学胜.球面GIS的动态数据模型浅析，矿山测量，2003，9胡鹏，刘沛兰等.地理信息的度量空间和GlobalGIS，武汉大学学报信息科学版2005，30(4)[6〗孙敏，赵学胜等.GlobalGIS及其关键技术，武汉大学学报信息科学版，2008，33(1)
发明内容(一)要解决的技术问题传统空间数据的组织与分析是在欧氏空间下进行的，而全球空间数据却存在于非欧空间下，即球体(含椭球体)空间，使得地理信息组织与分析不得不借助投影方法进行度量空间转换，而度量空间转换却带来了许多附加问题，如数据裂缝和褶皱，数据断裂或重叠，数据的不连续性，空间分析结果的不正确性，数据共享与集成的复杂性等。这些问题正是数字地球及全球性地理信息系统所亟待解决的。近年，国内外许多专家学者提出了多种基于地心坐标的球面剖分方法来解决该类问题，但这些方法均立足于地球表面，并没有顾及地表以下空间和地表以上空间。随着航天航空、气象气候、地球物理、地质采矿、油气开发、海底隧道、大型岩土与水利工程等快速发展，人类的认知与活动空间早已经伸向了整个地球空间。显然，仅将立足点放在地球表面显然己经无法满足现代社会生活的需求，迫切需要对涉及三大圈层(岩石圈、水圈与大气圈)、地表与地下，地质体与工程体的整个地球空间信息进行统一编码、存储、管理、建模、表达、分析与可视化，这就需要发明一种支持地上下空间统一剖分的全球三维网格剖分方法。有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种实现地球空间三维网格剖分的方法，以填补地球空间三维网格剖分的空白，实现对地球空间进行整体剖分。(二)技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种实现地球空间三维网格剖分的方法，该方法包括选择一个虚拟球体；沿经纬线方向对选择的虚拟球体进行八等分空间剖分，得到八个体积相同的八分体；以得到的八分体作为空间剖分基础进行细分剖分，直到得到的单元体大小满足要求为止。上述方案中，所述虚拟球体是地球空间的近似球体。上述方案中，所述虚拟球体的半径大小视研究范围而定，当研究范围为大气层以内区域时，该虚拟球体的半径等于参考椭球体的半径与大气层厚度之和；当研究范围为地表及以下区域时，该虚拟球体即为参考椭球体，半径等于参考椭球体的半径。上述方案中，所述以得到的八分体作为空间剖分基础进行细分剖分，采用退化八叉树方法实现。上述方案中，所述采用退化八叉树方法进行递归细化剖分，具体包括按退化八叉树原理对剖分后的单元体进行合并，若单元体的前后讳线退化为一点，则将同一球面层的该类两个单元体合并为一个单元体；若下表面退化为一点，则将该类四个单元体合并为一个单元体；按经纬线和半径同步等分和退化八叉树合并的方法对上述合并后的单元体进行下一层次细分和合并；依此递归，若剖分后的单元体大小满足要求，则停止剖分。上述方案中，所述单元体因其位置不同，经过一次八叉树剖分后，将产生八个、六个或四个小单元体。(三)有益效果1、利用本发明，通过选择一个虚拟球体，沿经纬线方向对选择的虚拟球体进行八等分空间剖分，得到八个体积相同的八分体，然后以得到的八分体作为空间剖分基础，进行退化八叉树递归细分，直到得到的单元体大小满足要求为止，实现了对地球空间进行多层次整体剖分，填补了地球空间三维网格剖分的空白。2、利用本发明，可建立全球三维网格框架，用于全球空间数据统一组织与编码、全球空间数据集成管理与共享利用、全球三维空间多层次建模与整体可视化等地球空间信息科学与技术的关键领域。图1为本发明提供的实现地球空间三维网格剖分的方法流程图；图2为本发明实施例中以0、90度经面和赤道面将虚拟球体剖分成八分体的示意图3为本发明实施例中对八分体沿半径方向剖分的示意图；图4为本发明实施例中对八分体上半部分沿纬度方向剖分的示意图；图5为本发明实施例中对八分体上半部分的后半部分沿经度方向剖分的示意图6为本发明实施例中对八分体剖分后得到的完全单元体的示意图；图7为本发明实施例中对八分体剖分后得到的纬线退化单元体的示意图8为本发明实施例中对八分体剖分后得到的球面退化单元体的示意图9为本发明实施例中对完全单元体进行剖分的示意图10为本发明实施例中对纬线退化单元体进行剖分的示意图11为本发明实施例中面积变形比的统计示意图12为本发明实施例中体积变形比的统计示意图13为本发明实施例中对八分体进行一层剖分的示意图；图14为本发明实施例中对八分体进行二层剖分的示意图；图15为本发明实施例中对八分体进行三层剖分的示意图。具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。如图1所示，图1为本发明提供的实现地球空间三维网格剖分的方法流程图，该方法具体包括以下步骤首先，选择一个虚拟球体。该虚拟球体与大地测量所讲的参考椭球体并非同一概念，它是一个虚拟的球体，既可以是国际大地测量协会规定的参考椭球体的近似球体，也可以是半径大于或小于该近似球体的虚拟球体。虚拟球体的半径大小视研究范围而定，比如研究范围为大气层及以下的区域，则所选择的球体为包含大气层的虚拟球体；若研究范围为地表及以下区域，则可选取参考椭球体的近似球体。其次，沿经纬线方向对选择的虚拟球体进行八等分空间剖分，得到八个体积相同的等分体，简称为八分体。然后，以得到的八分体作为空间剖分基础进行细分剖分，直到得到的单元体大小满足要求为止。上述进行细分剖分采用采用退化八叉树方法进行递归细化剖分，该退化八叉树方法是按经纬度和半径同步等分的方法，对单元体进行八叉树剖分，具体包括按经纬度和半径同步等分的方法，对所述八分体进行八叉树细分，得到八个单元体；按退化八叉树原理对剖分后的单元体进行合并，若单元体的前后纬线退化为一点，则将同一球面层的该类两个单元体合并为一个单元体；若下表面退化为一点，则将该类四个单元体合并为一个单元体；按经纬线和半径同步等分和退化八叉树合并的方法对上述合并后的单元体进行下一层次细分和合并；依此递归，若剖分后的单元体大小满足要求，则停止剖分。一个单元体因其位置不同，经过一次八叉树剖分后，可能会产生八个、六个或四个小单元体。下面结合具体的实施例，并参照附图，详细说明本发明提供的这种实现地球空间三维网格剖分的方法D步骤l:根据研究范围选取虚拟球体的大小，如取半径为6400km的球体。步骤2:以0、90度经面和赤道面将虚拟球体剖分成八分体，如图2所示。步骤3:对得到的八分体进行第一层剖分。首先以曲率半径为八分体一半的球面切割八分体，如图3;然后，对切割后的上半部分(注方位以面朝北站立为基准)进行纬度等分的圆锥面切割，下半部分保持不变，如图4;最后，对上半部分的后半部进行经度等分的平面切割，其余保持不变，如图5。上述三次剖分的结果为产生了三种单元体，分别称之为完全单元体、讳线退化单元体、球面退化单元体，如图6至图8所示。步骤4:针对不同种类的单元体，可采用以下方法进行下一层次的剖分。对于完全单元体，采用经纬度和半径均完全等分的方法进行下一层次的剖分，如图9。对于讳线退化单元体，采用先等分半径和纬度，然后对上半部分的后半部和下半部分的后半部等分经度，其余部分保持不变，如图10。球面退化单元体实质上是一个更小的八分体，因此球面退化单元体的剖分方法可按八分体剖分方法进行。步骤5:重复步骤4，依次进行递归剖分，直至满足单元大小要求为止。球体空间经过上述多次退化八叉树剖分后，仍将保持体积变形和面积变形的稳定性，即体积变形比和面积变形比收敛在一个可接收的范围之内。表1是经过25层剖分后同一个层面上的单元体上表面的最大面积、最小面积及其比值情况，表2是经过19层剖分后所有单元体的最大体积、最小体积及其比值情况(注虚拟球体的半径取6400km。)图11和图12分别是将表1和表2的变形比数据绘制成折线的图表。图13图15分别为地球八分体剖分为1、2、3层次的效果图。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表2不同剖分层次的体积变形比以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。权利要求1、一种实现地球空间三维网格剖分的方法，其特征在于，该方法包括选择一个虚拟球体；沿经纬线方向对选择的虚拟球体进行八等分空间剖分，得到八个体积相同的八分体；以得到的八分体作为空间剖分基础进行细分剖分，直到得到的单元体大小满足要求为止。2、根据权利要求1所述的实现地球空间整体剖分的方法，其特征在于，所述虚拟球体是地球空间的近似球体。3、根据权利要求2所述的实现地球空间三维网格剖分的方法，其特征在于，所述虚拟球体的半径大小视研究范围而定，当研究范围为大气层以内区域时，该虛拟球体的半径等于参考椭球体的半径与大气层厚度之和；当研究范围为地表及以下区域时，该虚拟球体的半径等于参考椭球体的半径。4、根据权利要求1所述的实现地球空间三维网格剖分的方法，其特征在于，所述以得到的八分体作为空间剖分基础进行细分剖分，采用退化八叉树方法实现。5、根据权利要求4所述的实现地球空间三维网格剖分的方法，其特征在于，所述采用退化八叉树方法进行递归细化剖分，具体包括按经纬度和半径同步等分的方法，对所述八分体进行八叉树细分，得到八个单元体；按退化八叉树原理对剖分后的单元体进行合并，若单元体的前后纬线退化为一点，则将同一球面层的该类两个单元体合并为一个单元体；若下表面退化为一点，则将该类四个单元体合并为一个单元体；按经讳线和半径同步等分和退化八叉树合并的方法对上述合并后的单元体进行下一层次细分和合并；依此递归，若剖分后的单元体大小满足要求，则停止剖分。6、根据权利要求5所述的实现地球空间三维网格剖分的方法，其特征在于，所述单元体因其位置不同，经过一次八叉树剖分后，将产生八个、六个或四个小单元体。全文摘要本发明公开了一种实现地球空间三维网格剖分的方法，该方法包括选择一个虚拟球体；沿经纬线方向对选择的虚拟球体进行八等分空间剖分，得到八个体积相同的八分体；以得到的八分体作为空间剖分基础，进行退化八叉树递归细分，直到得到的单元体大小满足要求为止。利用本发明，实现了对地球空间进行整体剖分，填补了地球空间三维网格剖分的空白，可建立全球三维网格框架，用于全球空间数据统一组织与编码、全球空间数据集成管理与共享利用、全球三维空间多层次建模与整体可视化等地球空间信息科学与技术的关键领域。文档编号G06T17/50GK101599183SQ200810114539公开日2009年12月9日申请日期2008年6月6日优先权日2008年6月6日发明者余接情,吴立新申请人:吴立新