基于Z曲线编码的正二十面体不同格网互操作方法

基于z曲线编码的正二十面体不同格网互操作方法
技术领域
1.本发明涉及球面格网互操作技术领域，特别涉及一种基于z曲线编码的正二十面体不同格网互操作方法。


背景技术：

2.大数据时代对发展新型全球位置框架与编码提出的新要求。进入大数据时代，地名、地址等泛位置信息大量涌现，它们在基于坐标的点位置框架下的描述和处理异常繁冗，迫切需要建立基于区域的新型位置框架，地球网格剖分则是实现这一目标的有效方法。
3.近年来，国内外许多学术机构和应用部门从自身应用需求出发提出了多达数百种的地球剖分网格系统。必须承认，各具特色的网格系统是行业智慧的结晶，有着深厚的历史积淀，行业用户不可能轻易改用全新解决方案，故建立满足各类应用需求的地球剖分网格系统，无论是在理论上还是在应用中均不可行。也必须看到，各行各业现存的网格系统绝不可能封闭，必须与外界交换数据才能发挥自身作用，故不同系统之间互联互通是刚性需求。而目前多重全球网格系统之间，由于缺少底层的统一描述，导致多源数据的互操作及综合分析代价巨大，几乎不具可操作性甚至根本无法实现。因此，建立全球位置开放框架，实现多重全球剖分网格统一编码与互操作，既是一个重大的基础理论问题，也有重大应用需求。
4.各类网格系统大都为满足各行业具体应用需求而设计，缺乏必要的底层统一抽象，不利于网格系统间的耦合与互操作。究其原因，是网格系统的剖分编码缺乏底层一致性，因而未能建立全球位置框架的开放扩展机制。
5.针对现有多重网格应用编码的直接通过经纬度反转转换方法效率低下的问题，地球空间多重网格应用编码与开放接口研究在地球空间多重网格开放框架研究的基础上，通过分析现有网格模型的耦合形式，重构位置信息与属性信息；建立多重网格应用编码数据互操作服务。


技术实现要素：

6.本发明针对现有多重网格应用编码的直接通过经纬度反转转换方法效率低下的问题，提供了一种基于z曲线编码的正二十面体不同格网互操作方法。
7.为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
8.一种基于z曲线编码的正二十面体不同格网互操作方法，包括以下步骤：
9.s1：正二十面体菱形网格编码；
10.首先，将二十面体初始的20个三角形按南北向两两合并，形成10个基础菱形，用四位二进制数来表示初始十个菱形的编码。每个基础菱形剖分成4个子菱形块，如此递归，直到单元分辨率满足一定需求为止，通过施耐德等积投影投到球面形成球面菱形网格。嵌套菱形网的自然层次性，使其对某一实际应用提供一个合适尺寸的网格。菱形网格用z曲线编码，
11.s2：基于正二十面体构建球面三角形网格，包括以下子步骤：
12.s21：首先，取二十面体每个三角形边的中点，并依次连接各边的中点，一个初始三角形剖分成四个三角形，按照此规则递归剖分，得到所需分辨率的三角形网格；
13.s22：将正二十面体上剖分的规则网格经施耐德等积投影投到球面得到球面三角形网格，由于三角形单元方向不唯一，分上三角形和下三角形，借助菱形对其编码。
14.s3：正二十面体六边形网格编码；
15.选择4孔六边形网格。每个初始菱形包括四个六边形单元，还有两个六边形单元不属于任何菱形，将不属于菱形的定义为南北极单元，由于球面六边形网格每层都包括12个五边形单元，因此，在形成球面六边形格网时，对菱形顶点处的12个六边形单元进行剪裁形成五边形单元。一个六边形生成7个子单元，再经过施耐德等积投影投到球面形成球面六边形网格。
16.s4：正二十面体三角形、菱形和六边形互操作
17.根据上边正二十面体三角形、菱形和六边形z曲线的编码规则，六边形与菱形编码转换规则为第n层六边形与第n层菱形编码是一一对应的；三角形与菱形编码转换根据上边二十面体三角形编码规则来转换，三角形编码除去三角形方向码就是所对应的菱形编码，菱形编码加上三角形方向码就是对应的三角形编码；三角形与六边形的编码转换规则是第n层六边形编码与第n
‑
1层三角形编码对应，左上两个六边形属于上三角形，右下两个六边形属于下三角形。
18.进一步地，s22中的编码规则是:三角形单元ca的编码是0001001100，前四位是基础菱形编码，第五位和第六位表示三角形方向，00表示上三角形，01表示下三角形，后四位表示三角形所属菱形单元的z曲线编码，根据剖分层次的增加，z曲线编码长度也相应的增加。
19.进一步地，s3中为了保证编码的唯一性和便于z曲线编码，规定一个六边形生成右边的四个子单元。
20.与现有技术相比，本发明的优点在于：
21.通过直接编码转换实现基于正二十面体三角形、菱形和六边形网格的互操作，解决了通过经纬度转换效率低下问题，大幅度提高了正二十面体三角形、菱形和六边形网格空间数据转换效率，便于空间数据共享。
附图说明
22.图1为本发明实施例平面展开二十面体和初始菱形编码展开图。
23.图2为本发明实施例相邻层次菱形网格的位置关系示意图。
24.图3为本发明实施例菱形网格前两层编码示意图。
25.图4为本发明实施例相邻层次三角形网格的位置关系示意图。
26.图5为本发明实施例三角形网格所在菱形网格编码示意图。
27.图6为本发明实施例二十面体上首层六边形网格编码示意图。
28.图7为本发明实施例六边形单元子单元的选取示意图。
29.图8为本发明实施例对应层次三角形、菱形和六边形的几何关系示意图。
30.图9为本发明实施例六边形与三角形转换效率对比示意图。
31.图10为本发明实施例六边形与菱形转换效率对比示意图。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
33.目前常用的多面体有立方体、正八面体和正二十面体，正二十面体更接近于球，在二十面体上剖分的网格投影到球面的变形最小，因此，本发明研究正二十面体上三角形、菱形和六边形网格的互操作。
34.一种基于z曲线编码的正二十面体不同格网互操作方法，包括以下步骤：
35.(1)正二十面体菱形网格编码
36.首先，将二十面体初始的20个三角形按南北向两两合并，形成10个基础菱形，图1为二十面体平面展开图，用四位二进制数来表示初始十个菱形的编码。每个基础菱形剖分成4个子菱形块，如此递归，直到满足一定需求为止，如图2所示。通过施耐德等积投影投到球面形成球面菱形网格。嵌套菱形网的自然层次性，使其对某一实际应用提供一个合适尺寸的网格。菱形网格用z曲线编码，如图3所示。
37.(2)正二十面体三角形网格编码
38.基于正二十面体构建球面三角形网格的步骤包括:(1)首先，取二十面体每个三角形边的中点，并依次连接各边的中点，一个初始三角形剖分成四个三角形，如图4所示，按照此规则递归剖分，就可以得到所需分辨率的三角形网格；(2)将正二十面体上剖分的规则网格经施耐德等积投影投到球面就可以得到球面三角形网格。
39.由于三角形单元方向不唯一，分上三角形和下三角形，借助菱形对其编码，如图5所示。编码规则:图5中三角形单元ca的编码是0001001100，前四位是基础菱形编码，第五位和第六位表示三角形方向，00表示上三角形，01表示下三角形，后四位表示三角形所属菱形单元的z曲线编码，根据剖分层次的增加，z曲线编码长度也相应的增加。
40.(3)正二十面体六边形网格编码
41.六边形网格孔径有3孔、4孔和7孔，为了对六边形网格实现z曲线编码，本发明选择4孔六边形网格。每个初始菱形包括四个六边形单元，还有两个六边形单元不属于任何菱形，将他们定义为南北极单元，如图6所示。由于球面六边形网格每层都包括12个五边形单元，因此，在形成球面六边形格网时，还需要对菱形顶点处的12个六边形单元进行剪裁形成五边形单元。一个六边形可以生成7个子单元，如图7所示。再经过施耐德等积投影投到球面形成球面六边形网格。
42.为了保证编码的唯一性和便于z曲线编码，规定一个六边形生成右边的四个子单元，如图7所示。对首层六边形网格进行z曲线编码，如图6所示，前四位为所在初始菱形编码，后两位是z曲线编码，剖分层次每增加一层，编码就在上一层编码的后边根据编码规则增加两位。
43.(4)正二十面体三角形、菱形和六边形互操作
44.根据上边正二十面体三角形、菱形和六边形z曲线的编码规则，规定对应层次的一个菱形包括四个六边形和两个三角形，如图8所示。六边形与菱形编码转换规则为第n层六边形所对应的菱形的编码是第n层六边形所对应的的父单元的编码；三角形与菱形编码转换根据上边二十面体三角形编码规则来转换，三角形编码除去三角形方向码就是所对应的菱形编码，菱形编码加上三角形方向码就是对应的三角形编码；三角形与六边形的编码转
换规则是第n层六边形编码与第n
‑
1层三角形编码对应，左上两个六边形属于上三角形，右下两个六边形属于下三角形。
45.如图9和10所示，为了验证本发明的优势，用100万个四孔六边形网格上的随机点分别通过经纬度和直接编码转换两种方式转化为三角形和菱形网格，并对7～19层的网格转换效率进行对比，表1和表2给出了实验结果，同时给出了与表1和表2对应的折线图，从表1和表2的实验数据得出直接编码转换相比经纬度转换效率提升了至少70多倍，加速了空间数据共享的进程。
46.表1六边形与三角形转换效率对比
[0047][0048][0049]
表2六边形与菱形转换效率对比
[0050][0051]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其
它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。