專利名稱：一種基于經(jīng)緯線的等面積全球離散格網(wǎng)剖分方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全球離散格網(wǎng)剖分方法，特別是涉及一種基于經(jīng)緯線的等面積全球離散格網(wǎng)剖分方法。
背景技術(shù)：
隨著全球性氣候研究、全球性資源管理與環(huán)境保護(hù)、全球性動(dòng)植物生態(tài)監(jiān)測(cè)等全球性問題研究的不斷深入，越來越多的應(yīng)用需要在全球范圍尺度上操作。這時(shí)，如果仍然以地圖投影的方式，將球面或橢球面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到平面上進(jìn)行處理，則會(huì)出現(xiàn)一系列的問題長(zhǎng)度、面積等量的量算上會(huì)出現(xiàn)明顯的偏差，且出現(xiàn)數(shù)據(jù)重疊、斷裂及空間關(guān)系不一致性等問題，無法實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)空間數(shù)據(jù)的無縫鏈接，其有效性和準(zhǔn)確性受到質(zhì)疑。為了突破平面的限制，按照地球的真實(shí)方式存儲(chǔ)、管理、表達(dá)空間信息的需要，全 球離散格網(wǎng)剖分方法應(yīng)運(yùn)而生。目前全球離散格網(wǎng)剖分方法有三種經(jīng)緯線全球離散格網(wǎng)剖分方法、正多面體全球離散格網(wǎng)剖分方法和自適應(yīng)全球離散格網(wǎng)剖分方法。全球離散格網(wǎng)是基于球面的一種可以無限細(xì)分，但又不改變其形狀的擬合格網(wǎng)，當(dāng)細(xì)分到一定程度時(shí)，可以達(dá)到模擬地球表面的目的，它具有層次性和全球連續(xù)性特征，既避免了平面投影帶來的角度、長(zhǎng)度和面積的變形及其空間數(shù)據(jù)的不連續(xù)性，又克服了許多限制GIS應(yīng)用的約束和不定性，即在地球上任何位置獲取的任何分辨率的(不同精度的)空間數(shù)據(jù)都可以規(guī)范地表達(dá)和分析，并用確定的精度進(jìn)行多分辨率操作；既能從根本上解決平面模型在全球多尺度空間數(shù)據(jù)管理上的數(shù)據(jù)斷裂、變形和拓?fù)洳灰恢滦缘葐栴}，又能方便地在網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)空間信息資源的整合、共享與利用(趙學(xué)勝，侯妙樂，白建軍.全球離散格網(wǎng)的空間數(shù)字建模[M]. 2007.)。如何將地球表面剖分成一個(gè)等面積、等形狀，且具有多分辨率的層次結(jié)構(gòu)，是球面離散格網(wǎng)剖分方法研究的主要內(nèi)容，即每次剖分后每個(gè)單元的形狀保持不變，每層中各個(gè)單元全等(邊長(zhǎng)相等、夾角相等)。但是，從球面幾何可知，沒有一種剖分方法能使球面格網(wǎng)在每個(gè)層次上獲得象平面柵格那樣完全相同的幾何特征(如面積、長(zhǎng)度、角度)，只能達(dá)到近似相等。經(jīng)緯線全球離散格網(wǎng)剖分方法是按照一定間隔(等間隔或變間隔)的經(jīng)線和緯線分割全球球面形成的格網(wǎng)，它是地學(xué)界應(yīng)用最早、最廣泛的一種地球空間格網(wǎng)，符合人們的思維習(xí)慣，其數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易與其他坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，也是現(xiàn)有諸多數(shù)據(jù)集、算法和軟件的基礎(chǔ)，因而便于對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行利用。經(jīng)緯線全球離散格網(wǎng)可分為等間隔經(jīng)緯線全球離散格網(wǎng)和變間隔經(jīng)緯線全球離散格網(wǎng)。等間隔經(jīng)緯線全球離散格網(wǎng)存在著明顯不足隨著緯度的增大，格網(wǎng)在面積和形狀上的變化越來越大，且格網(wǎng)點(diǎn)之間的距離越來越短，造成了很大的數(shù)據(jù)冗余，不利于進(jìn)行全球多分辨率數(shù)據(jù)的操作。為了彌補(bǔ)等間隔剖分的不足，一些機(jī)構(gòu)和學(xué)者采用了較為靈活的變間隔經(jīng)緯線全球離散格網(wǎng)剖分方法，如美國(guó)國(guó)家圖像制圖局NIMA (National Imagery and MappingAgency)提供的如圖I所示的數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)DTED(Digital Terrain Elevation Data)和Bjwke等提出如圖2所示的FFI格網(wǎng)。
與等間隔經(jīng)緯線全球離散格網(wǎng)相比，DTED格網(wǎng)雖然在一定程度上減少了數(shù)據(jù)冗余，但其格網(wǎng)劃分仍然不均勻，因而仍具有上述缺點(diǎn)。Bjerke的FFI格網(wǎng)雖然保證了格網(wǎng)面積的大致相等，格網(wǎng)較均勻，減少了數(shù)據(jù)冗余，易于完成基于離散點(diǎn)的表面建模，并能方便的進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，但其格網(wǎng)不具有層次性和嵌套性，難于進(jìn)行連續(xù)的多分辨率表面建模。正多面體全球離散格網(wǎng)剖分方法是在球體內(nèi)接正多面體的基礎(chǔ)上，通過層次遞歸剖分形成鋪蓋整個(gè)全球球面的格網(wǎng)模型。有5種理想的球體內(nèi)接正多面體正四面體(4個(gè)等邊三角形)、正六面體(6個(gè)正方形)、正八面體(8個(gè)三角形)、正十二面體(12個(gè)五邊形)和正二十面體(20個(gè)等邊三角形)，投影到球面上能夠產(chǎn)生形狀相同的球面多邊形，且每個(gè)頂點(diǎn)所在的多邊形數(shù)目相等，適合作為球面剖分的基礎(chǔ)。正多面體全球離散格網(wǎng)剖分方法多采用三角形、菱形和六邊形結(jié)構(gòu)，其最大的缺點(diǎn)是難以與現(xiàn)有的四邊形結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行銜接和兼容，因而，要應(yīng)用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行地理坐標(biāo)的相應(yīng)轉(zhuǎn)換。自適應(yīng)全球離散格網(wǎng)剖分方法以球面上的實(shí)體要素為基礎(chǔ)，按實(shí)體要素的某種特 征剖分球面。Lukatela、kolar、Most_afavi等人提出了多種基于Voronoi的自適應(yīng)球面離散格網(wǎng)剖分方法，其最大缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)遞歸剖分，因而無法維持全球海量數(shù)據(jù)的多尺度關(guān)聯(lián)和操作，其應(yīng)用具有很大的局限性。由于經(jīng)緯線全球離散格網(wǎng)剖分方法符合人們的思維習(xí)慣，其數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易與其他坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，而且是現(xiàn)有諸多數(shù)據(jù)集、算法和軟件的基礎(chǔ)，便于對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行利用，所以成為地學(xué)界應(yīng)用最早、最廣泛的一種地球空間格網(wǎng)。但其格網(wǎng)非均勻性的缺點(diǎn)，也是其應(yīng)用受到了很大的局限，因此在經(jīng)緯線全球離散格網(wǎng)剖分方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，研究一種既具有經(jīng)緯線全球離散格網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)又能克服其格網(wǎng)非均勻性缺點(diǎn)的剖分方法就顯得很有必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)目前各種全球離散格網(wǎng)剖分方法中的不足，提出了一種基于經(jīng)緯線的等面積全球離散格網(wǎng)剖分方法，本方法能夠?qū)Φ厍虮砻孢M(jìn)行等面積、近似等形狀且具有多分辨率層次結(jié)構(gòu)的格網(wǎng)剖分，為全球海量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地表達(dá)和管理提供了一種更有效的全球離散格網(wǎng)剖分方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案
一種基于經(jīng)緯線的等面積全球離散格網(wǎng)剖分方法，用于建立全球離散格網(wǎng)剖分模型，包括以下步驟
1)以球體內(nèi)接正八面體作為全球離散格網(wǎng)剖分的基礎(chǔ),對(duì)球面進(jìn)行初始剖分
首先，將球體內(nèi)接正八面體的6個(gè)頂點(diǎn)分別與球體的兩極點(diǎn)以及赤道與主子午線、90°子午線、180°子午線和270°子午線的交點(diǎn)重合；
然后，做正八面體在球面上的球心投影獲得8個(gè)球面三角形R1, R2,…，R8，完成球面的初始剖分；
2)第一層剖分對(duì)每個(gè)球面三角形Ri用緯線所在圓弧先將其平分成面積相等的2部分，得到I個(gè)球面子三角形和I個(gè)球面梯形，再將得到的球面子三角形和球面梯形分別用緯線和經(jīng)線所在圓弧將其平分成面積相等的2部分，得到I個(gè)球面子三角形tn和3個(gè)球面梯形qn、qi2、qi3，完成第一層剖分，其中i=l，2,…,8 ；3)第二層剖分首先對(duì)每個(gè)球面梯形qu用緯線和經(jīng)線所在圓弧將其平分成面積相等的4個(gè)子梯形91」1、91」2、91」3、91」4,其中i=l,2, *··,8, j = I, 2, 3 ;然后對(duì)子球面三角形tn按照第一層剖分方法將其剖分成面積相等的4個(gè)部分，完第二層剖分，共得到16個(gè)等面積格網(wǎng)單元；
4)如此依次遞歸剖分直至滿足所需精度的第η層，其中η為自然數(shù)。所述的基于經(jīng)緯線的等面積全球離散格網(wǎng)剖分方法，各層次格網(wǎng)剖分經(jīng)緯線的確定包括兩種情況，第一種是球面三角形格網(wǎng)剖分經(jīng)緯線的確定，第二種是球面梯形格網(wǎng)剖分經(jīng)緯線的確定；
(1)球面三角形格網(wǎng)剖分經(jīng)緯線的確定方法如下
分別用經(jīng)線A1、經(jīng)線λ 2和緯線fl表示球面三角形的3條邊，用緯線熟和緯線朽表示剖分緯線，用經(jīng)線λ3表示剖分經(jīng)線，則經(jīng)線入3的經(jīng)度為球面三角形兩條經(jīng)線經(jīng)度的均值，gp
權(quán)利要求
1.一種基于經(jīng)緯線的等面積全球離散格網(wǎng)剖分方法，用于建立全球離散格網(wǎng)剖分模型，包括以下步驟 .1)以球體內(nèi)接正八面體作為全球離散格網(wǎng)剖分的基礎(chǔ),對(duì)球面進(jìn)行初始剖分 首先，將球體內(nèi)接正八面體的6個(gè)頂點(diǎn)分別與球體的兩極點(diǎn)以及赤道與主子午線、.90°子午線、180°子午線和270°子午線的交點(diǎn)重合； 然后，做正八面體在球面上的球心投影獲得8個(gè)球面三角形R1, R2,…，R8，完成球面的初始剖分； .2)第一層剖分對(duì)每個(gè)球面三角形Ri用緯線所在圓弧先將其平分成面積相等的2部分，得到I個(gè)球面子三角形和I個(gè)球面梯形，再將得到的球面子三角形和球面梯形分別用緯線和經(jīng)線所在圓弧將其平分成面積相等的2部分，得到I個(gè)球面子三角形tn和3個(gè)球面梯形qn、qi2、qi3，完成第一層剖分，其中i=l，2,…,8 ； .3)第二層剖分首先對(duì)每個(gè)球面梯形qij用緯線和經(jīng)線所在圓弧將其平分成面積相等的4個(gè)子梯形Qij^qij2、qij3、qij4,其中i=l,2, *··,8, j=l,2,3 ;然后對(duì)子球面三角形tn按照第一層剖分方法將其剖分成面積相等的4部分，完第二層剖分，共得到16個(gè)等面積格網(wǎng)單元; . 4)如此依次遞歸剖分直至滿足所需精度的第η層，其中η為自然數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于經(jīng)緯線的等面積全球離散格網(wǎng)剖分方法，其特征是各層次格網(wǎng)剖分經(jīng)緯線的確定包括兩種情況，第一種是球面三角形格網(wǎng)剖分經(jīng)緯線的確定，第二種是球面梯形格網(wǎng)剖分經(jīng)緯線的確定； (1)球面三角形格網(wǎng)剖分經(jīng)緯線的確定方法如下 分別用經(jīng)線A1、經(jīng)線λ 2和緯線夠表示球面三角形的3條邊，用緯線ft和緯線ft表示剖分緯線，用經(jīng)線λ3表示剖分經(jīng)線，則經(jīng)線入3的經(jīng)度為球面三角形兩條經(jīng)線經(jīng)度的均值，gp
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于經(jīng)緯線的等面積全球離散格網(wǎng)剖分方法，其特征是剖分格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)計(jì)算步驟如下 地球半徑約為R=6378137. 000m，則地球表面積為S = 4 π R2=4X3. 1415926X (6378137. 000X6378137. 000)=511207884675544. OOm2 初始剖分后得到8個(gè)相同的球面三角形，對(duì)每個(gè)球面三角形再進(jìn)行等面積4等分，則每個(gè)球面三角形每層剖分后所得單元數(shù)為Ι=4η，η=1、2、3···，η為剖分層數(shù)，η=1為第一層剖分，n=2為第二層剖分，以此類推； 根據(jù)地球表面積計(jì)算得到每層剖分所得單元格面積Fk，得到Fk后再計(jì)算經(jīng)緯度值，即求得格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)。
全文摘要
一種基于經(jīng)緯線的等面積全球離散格網(wǎng)剖分方法，將球體內(nèi)接正八面體的6個(gè)頂點(diǎn)分別與球體的兩極點(diǎn)以及赤道與主子午線、90°子午線、180°子午線和270°子午線的交點(diǎn)重合，做正八面體在球面上的球心投影獲得8個(gè)球面三角形，完成球面的初始剖分；對(duì)每個(gè)球面三角形用緯線所在圓弧先將其平分，得到1個(gè)球面子三角形和1個(gè)球面梯形，再將得到的球面子三角形和球面梯形分別用緯線和經(jīng)線所在圓弧將其平分成，得到1個(gè)球面子三角形和3個(gè)球面梯形，完成第一層剖分；對(duì)每個(gè)球面梯形用緯線和經(jīng)線所在圓弧將其平分；然后對(duì)子球面三角形按照第一層剖分方法將其剖分成面積相等的4個(gè)部分，完第二層剖分，共得到16個(gè)等面積格網(wǎng)單元；如此依次遞歸剖分直至滿足所需精度的第n層。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102938018SQ20121039662
公開日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者吳慧欣, 喬長(zhǎng)錄, 宋連公, 朱齊亮, 鄭輝, 姚建斌, 張速 申請(qǐng)人:華北水利水電學(xué)院