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全球多分辨率半蜂窝梯形网格构建及其可视化研究

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全球多分辨率半蜂窝梯形网格构建及其可视化研究

作者：谢文军合肥工业大学

学位级别：硕士

传统经纬度方格由于其空间面积不均匀、邻接关系不唯一的特点,在作为全球范围的地形数据可视化的底层结构时,凸显了其数据冗余量大、领域计算精度不足的缺陷1。为此,研究者们尝试建立多种离散全球网格系统,其中三角形网格结构简单,但邻... 详细信息

传统经纬度方格由于其空间面积不均匀、邻接关系不唯一的特点,在作为全球范围的地形数据可视化的底层结构时,凸显了其数据冗余量大、领域计算精度不足的缺陷1。为此,研究者们尝试建立多种离散全球网格系统,其中三角形网格结构简单,但邻接关系较之经纬度方格更加复杂。六边形网格作为一种均匀、紧凑、邻接关系唯一的多边形网格,其单分辨率应用已经展开。由于层次剖分性能的局限,六边形网格优秀的几何特性在多分辨率网格中无法得到良好的应用。为突破六边形网格剖分的局限性,本文选取了一种新的剖分单元——半蜂窝梯形,归纳总结了该梯形的几何属性和剖分性质,建立了一种基于梯形剖分的全球地形网格系统,分析该网格和六边形网格的相容性,最后在此基础上,实现了多分辨率全球地形的可视化。本文主要工作包含以下方面:1)提出了一种新的剖分单元——半蜂窝梯形,并建立了基于半蜂窝梯形的多分辨率离散全球网格和存储形式。作为全球离散网格剖分单元,半蜂窝梯形拥有良好的几何属性,简洁的剖分计算以及和正三角形、正六边形之间出色的相容关系。本文归纳总结了该梯形的几何属性和剖分性质,证明其作为构建球面网格的基础单元的可能性;同时讨论了梯形网格的邻接关系特点,证明了梯形网格可以极大限度地兼容为六边形网格。在梯形网格层次剖分关系的基础上,建立了针对多分辨率全球网格各层次剖分单元的编码系统,并讨论了编码与邻接关系的相互联系,总结了通过编码关系进行梯形网格和正六边形网格的相互转化的规律。最后规定了至少达到三秒精度的梯形网格的高程文件的分块规则和存储格式。2)探索了基于全球梯形网格的整套可视化算法。以全球多分辨率梯形网格作为底层数据结构,讨论了LOD方法在梯形网格上的应用。并在此基础上,建立了梯形网格的调度算法和数据引擎。最后研究了梯形网格的地形显示算法改进,并针对一般地形可视化算法在显示海面时的单调效果,提出了一种基于GPU的实时海面渲染算法。3)实现了相关原型系统,并通过原型系统的实现结果,将梯形网格与六边形网格、经纬度方格进行了相关数据的对比,证明了梯形网格与六边形网格的兼容性,以及其相对经纬度方格而言均匀分布的优势。

关键词：全球离散网格多分辨率半蜂窝梯形 LOD 地形可视化

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利用球体剖分瓦块构建真三维数字地球平台

测绘学报 2015年第6期44卷 694-701页

作者：王金鑫郑亚圣李耀辉禄丰年刘俊楠郑州大学水利与环境学院河南郑州450001 河南省测绘地理信息局河南郑州450003

全球离散网格是面向空间大数据的模型框架,常用于构建数字地球平台。基于球体的剖分瓦块不仅可以构建真三维的数字地球模型,而且可以实现天地一体化的空间数据集成、融合、表达和应用。本文详细论述了球体大圆弧QTM八叉树网格的剖分原... 详细信息

全球离散网格是面向空间大数据的模型框架,常用于构建数字地球平台。基于球体的剖分瓦块不仅可以构建真三维的数字地球模型,而且可以实现天地一体化的空间数据集成、融合、表达和应用。本文详细论述了球体大圆弧QTM八叉树网格的剖分原理、网格几何特征分析和编解码方法等理论体系,并利用剖分瓦块实现了球体的任意分割以及地下、地表和空中实体的可视化建模。研究表明,球体QTM网格具有剖分规则简单、体系规整、几何特征明晰,适用性强等特点,尤其是可以推广到椭球。因而,该方案可用于天地一体化的空间数据的组织、管理与应用。

关键词：全球离散网格地球系统空间网格四元三角网数字/智慧地球空间数据模型

基于球体网格与DEM的流域地形特征尺度效应分析——以长江流域为例

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应用基础与工程科学学报 2022年第5期30卷 1109-1120页

作者：王金鑫秦子龙赵光成李炳玄高超然郑州大学地球科学与技术学院河南郑州450001 郑州大学水利科学与工程学院河南郑州450001 黄河勘测规划设计研究院有限公司河南郑州450003

基于球体大圆弧八叉树剖分网格和全球共享DEM(Digital Elevation Model)数据分别构建长江流域多层次三维地理场景,提取流域相关地形参数,分析流域地形特征随度量尺度变化的趋势与规律.结果显示,同尺度下球体网格模型的上下表面积、起伏... 详细信息

基于球体大圆弧八叉树剖分网格和全球共享DEM(Digital Elevation Model)数据分别构建长江流域多层次三维地理场景,提取流域相关地形参数,分析流域地形特征随度量尺度变化的趋势与规律.结果显示,同尺度下球体网格模型的上下表面积、起伏度均小于DEM模型对应的特征值,而地形粗糙度、二维和三维分形维数以及广义分形维数和多重分形谱值的范围等均大于DEM对应的特征值.所有尺度下,球体网格模型表面的二维分形维数均大于2,而对应DEM的二维分形维数均小于2,但两种模型的三维分形维数均小于3.研究表明,DEM与球体网格模型在计算地形参数时均具有尺度效应,所有参数值随着剖分层次/数据分辨率的提高而增加,但增加的趋势不尽相同;两种模型在表达地形多尺度特征时具有良好的一致性;球体网格在大区域地形无缝可视化和地形参数提取精度方面具有一定优势.该研究可为流域生态环境监测以及流域分布式水文模型构建等提供科学参考.

关键词：全球离散网格球体大圆弧八叉树网格数字高程模型数字流域地形特征多尺度长江流域

三维Hilbert曲线层级演进模型与编码计算

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测绘学报 2022年第1期51卷 104-114页

作者：吴宇豪曹雪峰余岸竹孙万忠信息工程大学地理空间信息学院河南郑州450001

格网单元的编码计算是全球离散网格系统的核心,支撑着网格快速索引及应用分析的高效计算。Hilbert曲线具有聚簇性高、连续性强的特点,是研究设计全球离散网格编码的重要工具。利用Hilbert曲线进行格元编码实现了坐标等效降维表达,但是对... 详细信息

格网单元的编码计算是全球离散网格系统的核心,支撑着网格快速索引及应用分析的高效计算。Hilbert曲线具有聚簇性高、连续性强的特点,是研究设计全球离散网格编码的重要工具。利用Hilbert曲线进行格元编码实现了坐标等效降维表达,但是对Hilbert曲线不同层级之间的变换关系、一维Hilbert码如何刻画格元多维空间结构与关系等网格编码基础理论问题的研究尚不完备。本文以八叉树立体网格中三维Hilbert曲线层级演进关系为突破口,使用状态矩阵与演进矩阵构建层级演进模型,进而分别设计笛卡儿坐标至Hilbert码计算以及邻近格元Hilbert码计算方法。与现有算法对比,本文算法以层级演进模型为理论基础,避免了烦琐迭代步骤以及转换步骤,算法流程简明直接。试验结果表明,本文笛卡儿坐标至Hilbert码计算效率较迭代算法提高为7%~23%,邻近格元Hilbert码计算效率较转换算法提高4.0~4.5倍。

关键词：全球离散网格 Hilbert曲线编码计算邻近

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紧致的Hilbert曲线Gray码索引算法

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测绘学报 2016年第B12期45卷 90-98页

作者：曹雪峰万刚张宗佩信息工程大学地理空间信息学院 95989部队

Hilbert曲线具有良好的聚簇性,使其成为设计全球立体网格多维数据索引的重要工具。但当数据集在不同维度上的分布密度存在较大差异时,常规Hilbert曲线索引会出现大量的冗余。对此,本文基于Gray码推导分析了Hilbert曲线索引的构造特点,... 详细信息

Hilbert曲线具有良好的聚簇性,使其成为设计全球立体网格多维数据索引的重要工具。但当数据集在不同维度上的分布密度存在较大差异时,常规Hilbert曲线索引会出现大量的冗余。对此,本文基于Gray码推导分析了Hilbert曲线索引的构造特点,进而设计实现了紧致Hilbert曲线索引算法,在保持Hilbert曲线良好聚簇性的同时,避免了数据维度分布差异带来的索引冗余问题。试验结果表明,相比常规Hilbert索引,紧致Hilbert曲线索引计算复杂度相当,在实例数据测试中编码耗时减少约40%,索引存储空间减少约46%,排序速度约为Hilbert排序的4.3倍。

关键词： Hilbert曲线 Gray码空间索引全球离散网格

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球体大圆弧QTM八叉树剖分

武汉大学学报（信息科学版） 2013年第3期38卷 344-348页

作者：王金鑫禄丰年郭同德陈杰郑州大学水利与环境学院郑州市科学大道100号450001 河南理工大学矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室河南省测绘地理信息局郑州市金水区黄河路8号450003

分析了基于大圆弧QTM的球体八叉树与变长八叉树剖分的原理、方法及其网格体系的特点,推导了网格单元的体积公式,讨论了横向同层网格与径向同列网格的体积变形规律,并与退化八叉树剖分进行了比较,阐述了球体八叉树的编码与解码方法。研... 详细信息

分析了基于大圆弧QTM的球体八叉树与变长八叉树剖分的原理、方法及其网格体系的特点,推导了网格单元的体积公式,讨论了横向同层网格与径向同列网格的体积变形规律,并与退化八叉树剖分进行了比较,阐述了球体八叉树的编码与解码方法。研究表明,基于大圆弧QTM的球体剖分充分利用了大圆弧的特性,所得的网格体系具有简单、规整和变形适中的特点,可以用于天地一体化空间数据的组织与管理。

关键词：全球离散网格四元三角网八叉树空间数据模型

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球体剖分瓦块的大区域真三维地理场景构建

测绘科学 2017年第10期42卷 142-147页

作者：邹煚王金鑫李仕学杨晶赵光成郑州大学水利与环境学院郑州450001

针对目前地理信息科学领域存在的三维地理场景大都是局部的、基于投影的2.5维表面模型的问题,该文提出了利用球体大圆弧八叉树剖分(SGOG)瓦块建立大区域真三维地理场景的方法。将SGOG特定剖分层次的顶点与全球共享DEM数据进行匹配,构建... 详细信息

针对目前地理信息科学领域存在的三维地理场景大都是局部的、基于投影的2.5维表面模型的问题,该文提出了利用球体大圆弧八叉树剖分(SGOG)瓦块建立大区域真三维地理场景的方法。将SGOG特定剖分层次的顶点与全球共享DEM数据进行匹配,构建大区域真三维地形框架;以地形起伏度为阈值,采用不同层次的瓦块进行自适应建模,大大减少了数据量;粘贴遥感纹理,建立虚拟地理场景。中国大陆地区的实验结果表明:所提方法不但顾及了地球曲率,克服了投影变形的缺陷,而且可以利用SGOG多尺度特性,灵活建立各种(混合)尺度的模型,并可实现地表上下空间的一体化建模。

关键词：全球离散网格地球系统空间网格数字地球球体大圆弧八叉树剖分真三维地理场景

基于SGOG瓦块的数字地球真三维可视化技术与应用

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地球信息科学学报 2015年第4期17卷 438-444页

作者：王金鑫李耀辉郑亚圣邹煚杨晶郑州大学水利与环境学院郑州450001

以Google Earth为代表的第一代数字地球平台,利用球面剖分瓦片,构建了2.5维静态的数字地球表面,实现了地表空间数据的集成、建模和应用,但没有涉及地表上下的空间。本文阐述了球体大圆弧QTM八叉树剖分的规则、瓦块体系的几何特征及其编... 详细信息

以Google Earth为代表的第一代数字地球平台,利用球面剖分瓦片,构建了2.5维静态的数字地球表面,实现了地表空间数据的集成、建模和应用,但没有涉及地表上下的空间。本文阐述了球体大圆弧QTM八叉树剖分的规则、瓦块体系的几何特征及其编码原理,设计并实现了瓦块编码到空间直角坐标之间的互换算法,并利用C++和OSG等主流语言,构建了真三维数字地球可视化平台的雏形框架;实现了球面和球体的任意剖分、地表上下空间实体的可视化建模及简单三维空间分析。初步展示了球体瓦块的新一代数字平台在天地一体化空间大数据集成、管理、建模与应用中的优势及前景。研究表明,球体大圆弧QTM八叉树网格,具有简单、规整、几何特征明晰、适宜作为全球离散空间的坐标基准,利于空间实体建模与可视化等特点,可作为构建新一代数字地球平台的数据模型基础。

关键词：数字地球全球离散网格全球空间网格球体大圆弧QTM八叉树网格可视化

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球面离散网格与球体离散网格的比较研究

测绘科学 2012年第6期37卷 34-36页

作者：王金鑫禄丰年陈杰郑州大学水利与环境学院郑州450001 河南理工大学矿山空间信息技术国家测绘局重点实验室河南焦作454000 河南省测绘局郑州450003

测地线在球体剖分中扮演着十分重要的角色,它保证了球体剖分网格单元的形体简单性和空间关系的一致性。本文基于对欧式空间和流空间的数学认识,探讨了球体剖分的评价标准,提出了基于大圆弧QTM的球体八叉树剖分方法,并指出作为一种大尺... 详细信息

测地线在球体剖分中扮演着十分重要的角色,它保证了球体剖分网格单元的形体简单性和空间关系的一致性。本文基于对欧式空间和流空间的数学认识,探讨了球体剖分的评价标准,提出了基于大圆弧QTM的球体八叉树剖分方法,并指出作为一种大尺度的集成三维空间数据模型,全球三维离散网格是地理信息科学的一个新的发展方向。

关键词：全球离散网格测地线四元三角网空间数据模型