一種全空間三維數(shù)字地球模型的構(gòu)建方法

專利名稱：一種全空間三維數(shù)字地球模型的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地球空間信息技術(shù)領(lǐng)域中的數(shù)字地球技術(shù)，具體地說是一種全空間三維數(shù)字地球模型的構(gòu)建方法，該方法針對(duì)地球空間探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能夠解決包含地球內(nèi)外圈層的三維數(shù)字地球模型重構(gòu)和分析過程中所遇到的各種難題。
背景技術(shù)：
自1998年時(shí)任美國(guó)副總統(tǒng)的Al Gore在加利福尼亞科學(xué)中心首次提出“數(shù)字地球”的概念并勾繪出其遠(yuǎn)景目標(biāo)以來，數(shù)字地球的基礎(chǔ)理論及實(shí)現(xiàn)技術(shù)在全球范圍內(nèi)取得了重要進(jìn)展，涌現(xiàn)出一系列技術(shù)成熟、功能強(qiáng)大的數(shù)字地球軟件系統(tǒng)，如Google Earth、NASA World ffind> Microsoft Virtual Earth、ESRI ArcGIS Explorer 等。作為第一代數(shù)字地球系統(tǒng)的典范，這些系統(tǒng)不僅具有瀏覽、查詢、發(fā)現(xiàn)空間對(duì)象和空間現(xiàn)象的功能，還為 地學(xué)研究和教育提供了一個(gè)探索、發(fā)現(xiàn)、分析、交流的平臺(tái)，具有增強(qiáng)科學(xué)的能力。目前，數(shù)字地球模型已廣泛融入社會(huì)大眾的日常生活、科學(xué)家的科學(xué)研究與學(xué)術(shù)交流、教育工作者的教學(xué)實(shí)踐之中。以Google Earth為代表的第一代數(shù)字地球模型只能提供并可視化展示地球表層信息模型，它們對(duì)以地理空間實(shí)體為研究對(duì)象的地理科學(xué)研究具有很大的幫助。但是，當(dāng)將這些現(xiàn)有的數(shù)字地球模型應(yīng)用到地球科學(xué)其它學(xué)科(如氣象學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)等)研究或進(jìn)行地球系統(tǒng)多學(xué)科綜合集成研究時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其在模型設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)上存在著很大的不足。主要問題涉及以下兩個(gè)方面(I)現(xiàn)有的數(shù)字地球模型對(duì)地球空間的表達(dá)存在著維度缺陷，難以全面的描述和表達(dá)真三維的地球空間信息。第一代數(shù)字地球模型都是建立在對(duì)地球表面的格網(wǎng)剖分這一空間數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上的，它們對(duì)地球空間的剖分基準(zhǔn)是地球表面，認(rèn)為地球表面可看作是由不同級(jí)別、不斷細(xì)分的格網(wǎng)鑲嵌套合、無縫連接而成，在每個(gè)格網(wǎng)單元上都可疊置對(duì)應(yīng)的圖形、圖像、模型等空間實(shí)體。這種地球空間表達(dá)方式實(shí)質(zhì)上只是一種二維剖分表達(dá)，僅停留在地球表面，主要是針對(duì)地理空間實(shí)體的建模、可視化及分析來設(shè)計(jì)的，未涉及地表以上的大氣空間和地表以下的地質(zhì)空間，很難應(yīng)用于地球內(nèi)外圈層空間中三維實(shí)體的建模與分析，無法滿足航空航天、氣候氣象、地質(zhì)礦產(chǎn)、大型工程建設(shè)等領(lǐng)域的需求。(2)現(xiàn)有的數(shù)字地球模型的三維可視化與空間分析能力較弱，無法對(duì)真三維地球空間實(shí)體進(jìn)行高級(jí)體視化展示和專業(yè)的三維空間分析。利用空間信息的多尺度表達(dá)與自適應(yīng)可視化技術(shù)，第一代數(shù)字地球系統(tǒng)能高效的進(jìn)行2維矢量圖形、柵格影像、2. 5維數(shù)字高程模型、3維矢量模型的網(wǎng)絡(luò)傳輸和可視化，但難以進(jìn)行大規(guī)模三維體元數(shù)據(jù)的快速傳輸與可視化。三維體元數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)空間和大氣空間物理化學(xué)屬性要素的建模與分析。另外，第一代數(shù)字地球模型大多不具備現(xiàn)代地球科學(xué)研究所亟需的真三維空間分析功能，無法對(duì)大氣空間和地質(zhì)空間內(nèi)的三維體元模型進(jìn)行瀏覽、查詢、剖切、鉆探等操作，難以對(duì)地球空間對(duì)象的時(shí)空關(guān)系、屬性要素的三維展布、地球空間內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行可視化的模擬與分析。
20世紀(jì)70年代以來，隨著一系列地球觀測(cè)計(jì)劃和深部探測(cè)計(jì)劃相繼啟動(dòng)，人類對(duì)地球的認(rèn)知與活動(dòng)范圍已擴(kuò)展到整個(gè)地球空間，包括地表、地下、大氣層和電離層等。第一代數(shù)字地球模型的缺陷使三維地球空間信息的有效表達(dá)與可視處理受到嚴(yán)重的制約，也使其在地質(zhì)、地球物理、海洋、氣象等眾多領(lǐng)域中的深入應(yīng)用受到很大的限制?，F(xiàn)代地球科學(xué)研究迫切需要對(duì)具有真三維特性的地球空間實(shí)體和現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)一的組織、表達(dá)、管理、建模、可視化、分析和應(yīng)用，構(gòu)建空間維度完整、空間分析功能完善、能顯示和分析具有多源、異構(gòu)、海量特性的三維地球空間信息的新一代全空間數(shù)字地球模型顯得極為必要。

發(fā)明內(nèi)容
數(shù)字地球模型是一個(gè)以地球坐標(biāo)為依據(jù)的、具有多分辨率的海量數(shù)據(jù)和多維顯示的虛擬地球模型，它需要將地球空間內(nèi)的所有信息都進(jìn)行數(shù)字化。以地球表面為界，地球空間可劃分為外圈層和內(nèi)圈層兩部分。地球的外圈層主要由大氣組成，稱作大氣空間。地球的內(nèi)圈層是指地表以下的固體地球部分，稱作地質(zhì)空間。地球的內(nèi)外兩個(gè)圈層具有明顯不同的結(jié)構(gòu)特征和物理化學(xué)性質(zhì)，需要使用不同的數(shù)值模型和計(jì)算方法來擬合各個(gè)圈層及其亞層的控制界面和屬性參數(shù)特征。所謂全空間三維數(shù)字地球模型，是指在一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo) 系支撐下，將地球內(nèi)外圈層的幾何結(jié)構(gòu)特征模型和物理化學(xué)屬性特征模型放置在一個(gè)統(tǒng)一的橢球體地球空間中，并將這些模型以三維可視化的形式在計(jì)算機(jī)顯示屏上展現(xiàn)出來，以支持專業(yè)的三維分析及應(yīng)用。本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有數(shù)字地球模型構(gòu)建技術(shù)的不足而提供一種使用地球空間探測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)構(gòu)建全空間三維數(shù)字地球模型的方法，該方法能夠快速、自動(dòng)的將包含內(nèi)外圈層的地球空間實(shí)體模型在三維空間中重構(gòu)出來，然后在計(jì)算機(jī)顯示屏上展現(xiàn)出來并支持專業(yè)的三維空間分析。其要解決的技術(shù)問題可分解為四個(gè)方面要解決地球表面數(shù)字高程模型的插值擬合問題；要解決地球空間內(nèi)外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型的插值擬合問題；要解決地球空間內(nèi)外圈層屬性要素三維分布模型的插值擬合問題；要解決地球空間三維模型的多尺度表達(dá)問題。本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案是一種全空間三維數(shù)字地球模型的構(gòu)建方法，該方法首先建立基于CGCS2000中國(guó)大地坐標(biāo)系的橢球體地球空間數(shù)學(xué)模型，然后依次生成地球表面數(shù)字地形模型、地球空間內(nèi)外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型和地球空間內(nèi)外圈層屬性要素三維分布模型，接著將這些模型放置到地心空間三維直角坐標(biāo)系中，建立基于LOD (細(xì)節(jié)層次模型)的地球空間模型多尺度表達(dá)機(jī)制，以三維可視化的形式在計(jì)算機(jī)顯示屏上展現(xiàn)出來并進(jìn)行專業(yè)的三維空間分析。本發(fā)明的具體工作步驟如下第一步建立基于C GCS2000中國(guó)大地坐標(biāo)系的橢球體地球空間數(shù)學(xué)模型建模過程的第一步，就是基于一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系(CGCS2000中國(guó)大地坐標(biāo)系)定義一個(gè)統(tǒng)一的橢球體地球空間，以支持地球空間中任意一點(diǎn)的地理坐標(biāo)(地理緯度^地理經(jīng)度λ，高程H)與地心空間三維直角坐標(biāo)(X，Y，Ζ)的相互轉(zhuǎn)換。CGCS2000 (英文全名為 China Geodetic Coordinate System 2000)中國(guó)大地坐標(biāo)系是全球地心坐標(biāo)系在中國(guó)的具體體現(xiàn)，是中國(guó)當(dāng)前最新的國(guó)家大地坐標(biāo)系。CGCS2000的坐標(biāo)原點(diǎn)為包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量中心，Z軸由原點(diǎn)指向歷元2000. O的地球參考極的方向，該歷元的指向由國(guó)際時(shí)間局給定的歷元為1984. O的初始指向推算，定向的時(shí)間演化保證相對(duì)于地殼不產(chǎn)生殘余的全球旋轉(zhuǎn)，X軸由原點(diǎn)指向格林尼治參考子午線與地球赤道面(歷元2000. O)的交點(diǎn)，Y軸與Z軸、X軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。CGCS2000采用廣義相對(duì)論意義下的尺度。CGCS2000中國(guó)大地坐標(biāo)系采用的地球橢球參數(shù)如下地球長(zhǎng)半軸 a=6378137m ;地球短半徑 b=6356752. 31414m ;扁率 f = 1/298. 257222101 ;第一偏心率平方 e2=0. 00669438002290 ;地心引力常數(shù) GM = 3. 986004418X 1014m3s-2 ;自轉(zhuǎn)角速度 ω =7. 292115X 10_5rad s—1。第二步生成基于經(jīng)緯網(wǎng)格的地球表面剖分網(wǎng)格沿著地球橢球面上的經(jīng)線和緯線，按照固定的經(jīng)緯度間隔(5° Χ5°、1° Xl0、0.5° XO. 5°和0.1° XO. 1° )，分別對(duì)地球橢球體表面進(jìn)行剖分，生成具有4種細(xì)節(jié)層次(LOD, Level ofdetail)的地球表面網(wǎng)格,統(tǒng)一記為Mgrid。第三步內(nèi)插生成地球表面數(shù)字高程模型·以美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)維護(hù)的GT0P030全球地表數(shù)字高程模型中的地形數(shù)據(jù)集為基本樣本點(diǎn)，加入近年新獲取的實(shí)測(cè)地形高程控制點(diǎn)，形成一個(gè)散點(diǎn)數(shù)據(jù)集Psurt■，集合了地球表面高程插值擬合的樣本數(shù)據(jù)。使用Psurfare中的樣本點(diǎn)插值擬合地球表面剖分網(wǎng)格Mfid中各個(gè)結(jié)點(diǎn)的高程，生成具有4種細(xì)節(jié)層次(網(wǎng)格間隔分別為5° X5。、1° Xl0、O. 5° X0. 5°和O. 1° X0. 1° )的地球表面數(shù)字高程模型，統(tǒng)一記為Msmfara。GT0P030是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)開發(fā)維護(hù)的一個(gè)基于規(guī)則經(jīng)緯網(wǎng)格的全球地表數(shù)字高程模型，它采用的經(jīng)緯網(wǎng)格間距是30弧秒(O. 008333333333333°，大約I千米)，能滿足構(gòu)建精細(xì)的全球地表數(shù)字地形模型的需要。在進(jìn)行地形插值時(shí)，可使用距離反比加權(quán)法、最鄰近點(diǎn)法、自然鄰近點(diǎn)法、徑向基函數(shù)法或克里金(Kriging)法等常用的插值算法。第四步插值擬合地球空間內(nèi)外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型以地球表面為界，地球空間可劃分為外圈層和內(nèi)圈層兩部分。地球的外圈層主要由大氣組成，稱作大氣空間。地球的內(nèi)圈層是指地表以下的固體地球部分，稱作地質(zhì)空間。地球的內(nèi)外兩個(gè)圈層具有明顯不同的結(jié)構(gòu)特征和物理化學(xué)性質(zhì)，需要使用不同的模型和方法來擬合各個(gè)圈層及其亞層的控制界面和屬性參數(shù)特征，下面分別描述。(I)地球內(nèi)圈層對(duì)于地球的內(nèi)圈層，可劃分為地殼、地幔、地核等三個(gè)基本圈層，并可進(jìn)一步細(xì)分為若干亞層，如全球地殼可劃分為7個(gè)亞層，包括冰、水、軟沉積層、硬沉積層、上地殼、中地殼和下地殼；地幔可分為上地幔和下地幔兩個(gè)亞層；地核可分為外核和內(nèi)核兩個(gè)亞層。為了從宏觀上定量的描述地球內(nèi)圈層的幾何結(jié)構(gòu)特征，地球科學(xué)家編制了一系列的地球分層模型(如布倫模型、初步地球參考模型PREM)。基于這些現(xiàn)有的地球內(nèi)部圈層分層模型，本發(fā)明首先通過內(nèi)插的方式計(jì)算出內(nèi)圈層控制界面上各個(gè)結(jié)點(diǎn)(這些結(jié)點(diǎn)與地球表面剖分網(wǎng)格M#id的結(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng))的理論高程值；然后在實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的約束下對(duì)理論高程值進(jìn)行修正，擬合出內(nèi)圈層控制界面的幾何形態(tài)；最后將所有的內(nèi)圈層控制界面自上而下堆疊起來，生成具有4種細(xì)節(jié)層次(網(wǎng)格間隔分別為5° Χ5°、1° Xl0、0. 5° X0. 5°和O. 1° X0. 1° )的地球內(nèi)圈層幾何結(jié)構(gòu)模型，統(tǒng)一記為Mg_etay_innOT。由于地球內(nèi)圈層的頂面(即地殼的頂面)與地球表面重合，地球內(nèi)圈層幾何結(jié)構(gòu)模型Mg_&y_innOT頂面結(jié)點(diǎn)的高程應(yīng)與地球表面數(shù)字高程模型Msmf.對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)的高程完全一致。如果兩者不一致，則逐個(gè)修改Mg___innOT頂面結(jié)點(diǎn)的高程，使其與Msurfara對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)的高程完全相同。(2)地球外圈層根據(jù)氣溫變化及密度情況，地球的外圈層(大氣圈)自下而上分為對(duì)流層、平流層、中間層、熱成層、外逸層等五個(gè)基本圈層，各層結(jié)構(gòu)形態(tài)比較簡(jiǎn)單，層間具有連續(xù)的分界面?；谶@種大氣空間分層模型，本發(fā)明通過內(nèi)插的方式計(jì)算出外圈層控制界面上各個(gè)結(jié)點(diǎn)(這些結(jié)點(diǎn)與地球表面剖分網(wǎng)格M#id的結(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng))的理論高程值；然后在實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的約束下對(duì)理論高程值進(jìn)行修正，擬合出外圈層控制界面的幾何形態(tài)；最后將所有的外圈層控制界面自上而下堆疊起來，生成具有4種細(xì)節(jié)層次(網(wǎng)格間隔分別為5° X5。、1° Xl°、0.5° X0.5°和0.1° X0. 1° )的地球外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型，統(tǒng)一記為M geometry-outer°由于地球外圈層的底面(即對(duì)流層的底面)與地球表面重合，地球外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型底面結(jié)點(diǎn)的高程應(yīng)與地球表面數(shù)字高程模型Msmf.對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)的高程完全一致。如果兩者不一致，則逐個(gè)修改底面結(jié)點(diǎn)的高程，使其與Msurfara對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)的高程完全相同。第五步生成基于地質(zhì)晶胞(Geocellular)的地球內(nèi)外圈層三維體元網(wǎng)格對(duì)于地球的內(nèi)圈層，本發(fā)明以內(nèi)圈層幾何結(jié)構(gòu)模型Mg_&y_innOT中自上而下堆疊起來的正方形網(wǎng)格(網(wǎng)格間隔為0.1° X0. 1° )為空間基準(zhǔn)，使用三維空間離散化方法對(duì)各個(gè)亞層頂面正方形網(wǎng)格和底面正方形網(wǎng)格所圍成的空間進(jìn)行剖分，生成用地質(zhì)晶胞(Geocellular)體元充填的三維實(shí)體模型；然后對(duì)三維實(shí)體模型在縱向上進(jìn)行細(xì)分加密，生成逼近實(shí)際控制界面的地球內(nèi)圈層三維體元網(wǎng)格對(duì)于地球的外圈層，本發(fā)明以外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型中自上而下堆疊起來的正方形網(wǎng)格(網(wǎng)格間隔為0.1° Χ0. 1° )為空間基準(zhǔn)，使用三維空間離散化方法對(duì)各個(gè)亞層頂面正方形網(wǎng)格和底面正方形網(wǎng)格所圍成的空間進(jìn)行剖分，生成用地質(zhì)晶胞(Geocellular)體元充填的三維實(shí)體模型；然后對(duì)三維實(shí)體模型在縱向上進(jìn)行細(xì)分加密，生成逼近實(shí)際控制界面的地球外圈層三維體元網(wǎng)格Μ—,μ。第六步插值擬合地球空間內(nèi)外圈層屬性要素三維分布模型地球圈層內(nèi)部不僅具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形態(tài)，還蘊(yùn)含著隨空間位置變化的屬性特征要素，如描述地球外部圈層大氣空間環(huán)境要素屬性的大氣密度、溫度、壓力、成分及變化等，描述地球內(nèi)部物理化學(xué)屬性的地震波反射速度、彈性模量、重力分布等。為了從宏觀上定量的描述地球空間屬性要素的平均分布狀態(tài)，地球科學(xué)家編制了各種空間屬性要素分布的數(shù)值模式，如描述地球內(nèi)圈層屬性要素分布的初步地球參考模型PREM ;描述地球外圈層電離層等離子體的IRI2001模式；描述外圈層中性大氣的MSIS2000模式等。本發(fā)明基于這些數(shù)值模式生成地球空間內(nèi)外圈層屬性要素三維分布模型?；诂F(xiàn)有的地球空間屬性要素分布數(shù)值模式，本發(fā)明首先使用內(nèi)插的方式計(jì)算出地球內(nèi)外圈層三維體元網(wǎng)格(包括MTOlume_innOT和Mvtjlunrate)上各個(gè)地質(zhì)晶胞結(jié)點(diǎn)的屬性要素理論值；然后在實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的約束下對(duì)屬性要素理論值進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化，擬合出各個(gè)體元網(wǎng)格位置處的屬性要素值，生成地球空間內(nèi)外圈層屬性要素三維分布模型(分別記為Mproperty-inner和MpropertyIto),以反映各種屬性要素在三維地球空間內(nèi)的變化特征。在進(jìn)行屬性要素插值時(shí)，同樣可選用距離反比加權(quán)法、最鄰近點(diǎn)法、自然鄰近點(diǎn)法、徑向基函數(shù)法或Kriging法等常用的插值算法。第七步將地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地心空間三維直角坐標(biāo)按照前述步驟生成的地球表面數(shù)字高程模型Msurf■、內(nèi)圈層幾何結(jié)構(gòu)模型Mge.tty-imer、外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型、內(nèi)圈層屬性要素三維分布模型MpMperty_imOT和夕卜圈層屬性要素三維分布模型Μρμρ__?！鋷缀巫鴺?biāo)數(shù)據(jù)都是基于 地理坐標(biāo)的，需要將這些地理坐標(biāo)變換為地心空間三維直角坐標(biāo)。在CGCS2000中國(guó)大地坐標(biāo)系下，由地理坐標(biāo)(地理緯度P，地理經(jīng)度λ，高程H)變換為地心空間三維直角坐標(biāo)(X，Y，Ζ)，可由以下公式計(jì)算
X=co%(p cos/.
} - (Λ7+//) cos sin/；
Z=|s—式中N為東西圓曲率半徑/(l-e2sin^ )1/2;a為地球長(zhǎng)半軸，a=6378137m ;e2為第一偏心率平方，e2=0. 00669438002290。本發(fā)明使用上述公式，將地球表面數(shù)字高程模型Msurf■、內(nèi)圈層幾何結(jié)構(gòu)模型Mge.tty-imer、外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型、內(nèi)圈層屬性要素三維分布模型MpMperty_imOT和外圈層屬性要素三維分布模型MpMperty_wte的幾何坐標(biāo)逐一變換為地心空間三維直角坐標(biāo)，變換后的模型分別記為M ‘
surface、M geometry-inner、M geometry-outer、M property-inner 矛口 M property-outer 0第八步構(gòu)建基于LOD的地球空間模型多尺度表達(dá)機(jī)制經(jīng)過第七步坐標(biāo)變換后的地球空間模型(包括M‘·faee、M ‘ge_ry-imer、M ‘g—ter、M ‘propCTty-ima·和M ‘pMpe；rty-outa·)都是二維模型。這些二維模型可分為兩類一類是二維矢量模型(包括M ‘
surface、M geometry-inner 矛口 M geometry-outer
);一類是三維體元模型(包括M ‘
property-inner
和M ^p.ope.t.-outer) 這些模型的幾何形狀復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大，在現(xiàn)有的微型計(jì)算機(jī)平臺(tái)下，地球空間三維模型的快速存取、及時(shí)更新、實(shí)時(shí)渲染等各個(gè)環(huán)節(jié)都面臨著很大的考驗(yàn)。為了提高三維地球空間模型的存取效率、顯示速度，減少模型繪制時(shí)間，增強(qiáng)三維數(shù)字地球模型與用戶交互的實(shí)時(shí)性，本發(fā)明借鑒多尺度表達(dá)的思想，將復(fù)雜的三維模型進(jìn)行不同程度的簡(jiǎn)化并存儲(chǔ)到服務(wù)器端的空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后再采用LOD (Level of detail，細(xì)節(jié)層次模型)方法進(jìn)行管理，通過部署在服務(wù)器端的Web服務(wù)來處理客戶端發(fā)送的地球空間模型傳輸和可視化請(qǐng)求。LOD是指生成或繪制細(xì)節(jié)程度逐漸變化的一組目標(biāo)模型。LOD模型可分為兩類靜態(tài)LOD模型和動(dòng)態(tài)LOD模型。由于三維地球空間模型的復(fù)雜性，本發(fā)明針對(duì)三維矢量模型和三維體元模型這兩類模型的不同特點(diǎn)，分別使用靜態(tài)LOD與動(dòng)態(tài)LOD這兩種方法。對(duì)于三維矢量模型(包括M ‘
surface、M geometry-inner 矛口 M本發(fā)明使用靜
態(tài)LOD方法，在服務(wù)器端的空間數(shù)據(jù)庫(kù)保存三維矢量模型的4個(gè)副本，每一副本對(duì)應(yīng)某一特定的分辨率(網(wǎng)格間隔分別為5° Χ5°、1° ΧΓ、0. 5° X0. 5°和0.1° X0. 1° )，所有副本構(gòu)成一個(gè)金字塔結(jié)構(gòu)；在數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)顯示時(shí)，根據(jù)當(dāng)前的場(chǎng)景條件(如模型到視點(diǎn)的距離、投影后的模型在圖像空間所占的像素面積及光照強(qiáng)弱等)選用合適的細(xì)節(jié)層次模型。三維體元模型(包括M ‘property-inner和M ‘ρΜρ_-。—)可以方便的進(jìn)行簡(jiǎn)化操作。因此，本發(fā)明首先在服務(wù)器端的空間數(shù)據(jù)庫(kù)中保存一個(gè)全細(xì)節(jié)的體元模型(網(wǎng)格間隔為0.1° X0. 1° )，然后從這個(gè)全細(xì)節(jié)的體元模型出發(fā)，使用動(dòng)態(tài)LOD方法中的漸進(jìn)網(wǎng)格法進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，在服務(wù)器端實(shí)時(shí)生成不同尺度的低細(xì)節(jié)程度的模型。在模型網(wǎng)絡(luò)傳輸和可視化時(shí)，根據(jù)模型中心與視點(diǎn)的距離大小確定調(diào)用具有何種層次細(xì)節(jié)的模型，而不必每次都選用全細(xì)節(jié)的三維體元模型。這樣可以極大的降低數(shù)據(jù)傳輸流量和場(chǎng)景中的體元數(shù)量，而且能夠保證模型幾何數(shù)據(jù)的一致性和視覺的連續(xù)性，可以實(shí)現(xiàn)相鄰LOD模型間的平滑過渡。第九步三維可視化 經(jīng)過第八步處理后的地球空間模型(包括三維體元模型和三維矢量模型兩類)統(tǒng)一存儲(chǔ)在服務(wù)器端的空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，其中三維體元模型在數(shù)據(jù)庫(kù)中只存儲(chǔ)單一尺度(網(wǎng)格間隔為0.1° X0. 1° )的高精度模型，三維矢量模型在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)4個(gè)細(xì)節(jié)層次的模型。這些模型最終需要在客戶端的顯示器上進(jìn)行可視化與分析?；赪eb服務(wù)，服務(wù)器接收到客戶端發(fā)送的地球空間模型請(qǐng)求；然后根據(jù)客戶端提供的空間參數(shù)(包括場(chǎng)景范圍和視點(diǎn)位置)通過LOD-Rree空間索引進(jìn)行模型檢索，獲取特定范圍和細(xì)節(jié)程度的模型數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)絡(luò)漸進(jìn)傳輸?shù)娇蛻舳耍豢蛻舳私?shù)據(jù)緩存，在計(jì)算機(jī)顯示器上繪制出地球空間模型，以不同的顏色和亮度代表不同的圈層和屬性要素。在客戶端進(jìn)行三維地球空間模型的可視化時(shí)，為了完整、連續(xù)的顯示海量三維地球空間信息，增強(qiáng)用戶對(duì)大規(guī)模地球空間信息的理解，本發(fā)明使用“焦點(diǎn)+場(chǎng)景”(Focus-context)可視化技術(shù),讓用戶不僅可以看到其感興趣的對(duì)象的幾何細(xì)節(jié)，同時(shí)還可以看到其周圍信息的一個(gè)整體印象。第十步查詢地球空間位置在客戶端，可利用鼠標(biāo)來查詢地球空間任意位置處的空間坐標(biāo)。由于通過計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)拾取捕捉到的空間坐標(biāo)是基于地心空間三維直角坐標(biāo)系的，而地心空間三維直角坐標(biāo)不便于理解和交流，故需要將其變換為地理坐標(biāo)。在CGCS2000中國(guó)大地坐標(biāo)系下，由地心空間三維直角坐標(biāo)(X，Y，Z)變換為地理坐標(biāo)(地理緯度…地理經(jīng)度λ，高程H)，可由以下公式計(jì)算λ = tg—1 (Y/X)；
J Z + (efbsm3e)
乂 P — e .α cos θ式中a為地球長(zhǎng)半軸，a=6378137m ；b為地球短半徑，b=6356752. 31414m ；N為東西圓曲率半徑，Ν=α Ι(\-ε2 ι\-φ)υ2·, e2為第一偏心率平方，e2=0. 00669438002290 ；(e，)2= (a2-b2)/b2 ；P= (X2+Y2)1/2 ； θ =tg_1 (Za/Pb)。
第^^一步進(jìn)行三維空間分析在客戶端，可通過鼠標(biāo)和鍵盤等傳統(tǒng)的交互設(shè)備對(duì)顯示器上顯示的地球空間模型進(jìn)行常規(guī)的可視化展示與專業(yè)的三維分析，如三維觀察、交互定位、屬性查詢、模型剖切、隧洞開挖、體積量算、虛擬漫游與內(nèi)外圈層無縫切換等。通過這些操作，可為全方位、多角度的認(rèn)識(shí)和理解地球空間內(nèi)外圈層結(jié)構(gòu)特征與屬性變化規(guī)律提供強(qiáng)有力的支持。本發(fā)明能夠快速、自動(dòng)的將包含內(nèi)外圈層的地球空間實(shí)體模型在三維空間中重構(gòu)出來，并以三維可視化的形式在計(jì)算機(jī)顯示屏上展現(xiàn)出來，同時(shí)支持各種專業(yè)的三維空間分析。與背景技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是自動(dòng)性高，能充分挖掘地球空間探測(cè)數(shù)據(jù)所揭示、隱含的地球空間信息，自動(dòng)利用現(xiàn)有的全球數(shù)字高程模型、地球空間幾何結(jié)構(gòu)模型以及地球空間屬性要素分布數(shù)值模式，自動(dòng)生成地球表面數(shù)字高程模型、地球空間內(nèi)外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型和地球空間內(nèi)外圈層屬性要素三維分布模型，從而達(dá)到自動(dòng)構(gòu)建三維數(shù)字地球模型的目的；本發(fā)明的適應(yīng)性強(qiáng)，不僅具有地球表面地形建模分析的功能，還可進(jìn)行地球 內(nèi)外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型與屬性要素場(chǎng)模型的三維重建與可視化分析，能夠進(jìn)行地球內(nèi)外圈層與地球表面的無縫集成與可視化。


圖I是本發(fā)明流程示意圖；圖2是本發(fā)明按照5° X5。的經(jīng)緯度間隔對(duì)地球表面進(jìn)行剖分后生成的地球表面剖分網(wǎng)格；圖3是本發(fā)明實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的全空間三維數(shù)字地球模型全貌在計(jì)算機(jī)上展示的效果截圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的地球表面數(shù)字高程模型與地表遙感影像疊加顯示的效果截圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的地球內(nèi)圈層幾何結(jié)構(gòu)模型與地表三維模型疊加顯示的效果截圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的地球內(nèi)圈層屬性要素(縱波波速)三維分布模型剖切顯示的效果截圖；圖7是本發(fā)明實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的地球內(nèi)部虛擬漫游與空間屬性查詢效果截圖；圖8是本發(fā)明實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的地球內(nèi)外圈層模型疊加并進(jìn)行剖切的效果截圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。參閱圖I所示，本發(fā)明首先建立基于CGCS2000中國(guó)大地坐標(biāo)系的橢球體地球空間數(shù)學(xué)模型，然后依次生成地球表面數(shù)字地形模型、地球空間內(nèi)外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型和地球空間內(nèi)外圈層屬性要素三維分布模型，接著將這些模型放置到地心空間三維直角坐標(biāo)系中，建立基于LOD的地球空間模型多尺度表達(dá)機(jī)制，以三維可視化的形式在計(jì)算機(jī)顯示屏上展現(xiàn)出來并進(jìn)行專業(yè)的三維空間分析。本發(fā)明可在微機(jī)平臺(tái)、OpenGL圖形庫(kù)下采用Microsoft Visual C++語(yǔ)言開發(fā)實(shí)現(xiàn),具體實(shí)施方式
如下第一步建立基于CGCS2000中國(guó)大地坐標(biāo)系的橢球體地球空間數(shù)學(xué)模型
建模過程的第一步，就是基于一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系(CGCS2000中國(guó)大地坐標(biāo)系)定義一個(gè)統(tǒng)一的橢球體地球空間，以支持地球空間中任意一點(diǎn)的地理坐標(biāo)(地理緯度￠)，地理經(jīng)度λ，高程H)與地心空間三維直角坐標(biāo)(X，Y，Ζ)的相互轉(zhuǎn)換。CGCS2000 (英文全名為 China Geodetic Coordinate System 2000)中國(guó)大地坐標(biāo)系是全球地心坐標(biāo)系在中國(guó)的具體體現(xiàn)，是中國(guó)當(dāng)前最新的國(guó)家大地坐標(biāo)系。CGCS2000的坐標(biāo)原點(diǎn)為包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量中心，Z軸由原點(diǎn)指向歷元2000. O的地球參考極的方向，該歷元的指向由國(guó)際時(shí)間局給定的歷元為1984. O的初始指向推算，定向的時(shí)間演化保證相對(duì)于地殼不產(chǎn)生殘余的全球旋轉(zhuǎn)，X軸由原點(diǎn)指向格林尼治參考子午線與地球赤道面(歷元2000. O)的交點(diǎn)，Y軸與Z軸、X軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。CGCS2000采用廣義相對(duì)論意義下的尺度。CGCS2000中國(guó)大地坐標(biāo)系采用的地球橢球參數(shù)如下地球長(zhǎng)半軸 a=6378137m ;地球短半徑 b=6356752. 31414m ;扁率 f = 1/298. 257222101 ;第一偏心率平方 e2=0. 00669438002290 ;地心引力常數(shù) GM = 3. 986004418 X 1014m3s-2 ;自轉(zhuǎn)角速度 ω =
7.292115X 10_5rad s—1。 第二步生成基于經(jīng)緯網(wǎng)格的地球表面剖分網(wǎng)格沿著地球橢球面上的經(jīng)線和緯線，按照固定的經(jīng)緯度間隔(5° Χ5°、1° Xl0、
0.5° X0. 5°和0.1° X0. 1° )，分別對(duì)地球橢球體表面進(jìn)行剖分，生成具有4種細(xì)節(jié)層次(LOD, Level ofdetail)的地球表面網(wǎng)格,統(tǒng)一記為Mgrid。圖2是按照5° X5°的經(jīng)緯度間隔對(duì)地球表面進(jìn)行剖分后生成的地球表面剖分網(wǎng)格，其它3種細(xì)節(jié)層次的地球表面網(wǎng)格(經(jīng)緯度間隔分別是5° X5。、1° Xl0、
0.5° X0.5°和0.1° X0. 1° )可視作是對(duì)圖2網(wǎng)格的細(xì)分。第三步內(nèi)插生成地球表面數(shù)字高程模型以美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)維護(hù)的GT0P030全球地表數(shù)字高程模型中的地形數(shù)據(jù)集為基本樣本點(diǎn)，加入近年新獲取的實(shí)測(cè)地形高程控制點(diǎn)，形成一個(gè)散點(diǎn)數(shù)據(jù)集Psurt■，集合了地球表面高程插值擬合的樣本數(shù)據(jù)。使用Psurfare中的樣本點(diǎn)插值擬合地球表面剖分網(wǎng)格M#id中各個(gè)結(jié)點(diǎn)的高程，生成具有4種細(xì)節(jié)層次(網(wǎng)格間隔分別為5° X5。、1° Xl0、
0.5° X0. 5°和0. 1° X0. 1° )的地球表面數(shù)字高程模型，統(tǒng)一記為Msmfara。GT0P030是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)開發(fā)維護(hù)的一個(gè)基于規(guī)則經(jīng)緯網(wǎng)格的全球地表數(shù)字高程模型，它采用的經(jīng)緯網(wǎng)格間距是30弧秒(0. 008333333333333°，大約I千米)，能滿足構(gòu)建精細(xì)的全球地表數(shù)字地形模型的需要。在進(jìn)行地形插值時(shí)，可使用距離反比加權(quán)法、最鄰近點(diǎn)法、自然鄰近點(diǎn)法、徑向基函數(shù)法或Kriging法等常用的插值算法。第四步插值擬合地球空間內(nèi)外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型以地球表面為界，地球空間可劃分為外圈層和內(nèi)圈層兩部分。地球的外圈層主要由大氣組成，稱作大氣空間。地球的內(nèi)圈層是指地表以下的固體地球部分，稱作地質(zhì)空間。地球的內(nèi)外兩個(gè)圈層具有明顯不同的結(jié)構(gòu)特征和物理化學(xué)性質(zhì)，需要使用不同的模型和方法來擬合各個(gè)圈層及其亞層的控制界面和屬性參數(shù)特征，下面分別描述。(I)地球內(nèi)圈層對(duì)于地球的內(nèi)圈層，可劃分為地殼、地幔、地核等三個(gè)基本圈層，并可進(jìn)一步細(xì)分為若干亞層，如全球地殼可劃分為7個(gè)亞層，包括冰、水、軟沉積層、硬沉積層、上地殼、中地殼和下地殼；地?？煞譃樯系蒯：拖碌蒯蓚€(gè)亞層；地核可分為外核和內(nèi)核兩個(gè)亞層。為了從宏觀上定量的描述地球內(nèi)圈層的幾何結(jié)構(gòu)特征，地球科學(xué)家編制了一系列的地球分層模型(如布倫模型、初步地球參考模型PREM)。基于這些現(xiàn)有的地球內(nèi)部圈層分層模型，本發(fā)明首先通過內(nèi)插的方式計(jì)算出內(nèi)圈層控制界面上各個(gè)結(jié)點(diǎn)(這些結(jié)點(diǎn)與地球表面剖分網(wǎng)格M#id的結(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng))的理論高程值；然后在實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的約束下對(duì)理論高程值進(jìn)行修正，擬合出內(nèi)圈層控制界面的幾何形態(tài)；最后將所有的內(nèi)圈層控制界面自上而下堆疊起來，生成具有4種細(xì)節(jié)層次(網(wǎng)格間隔分別為5° Χ5°、1° Xl0、0. 5° XO. 5°和
O.1° X0. 1° )的地球內(nèi)圈層幾何結(jié)構(gòu)模型，統(tǒng)一記為Mg_etay_innOT。由于地球內(nèi)圈層的頂面(即地殼的頂面)與地球表面重合，地球內(nèi)圈層幾何結(jié)構(gòu)模型Mg_&y_innOT頂面結(jié)點(diǎn)的高程應(yīng)與地球表面數(shù)字高程模型Msmf.對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)的高程完全一致。如果兩者不一致，則逐個(gè)修改Mg___innOT頂面結(jié)點(diǎn)的高程，使其與Msurfara對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)的高程完全相同。(2)地球外圈層 根據(jù)氣溫變化及密度情況，地球的外圈層(大氣圈)自下而上分為對(duì)流層、平流層、中間層、熱成層、外逸層等五個(gè)基本圈層，各層結(jié)構(gòu)形態(tài)比較簡(jiǎn)單，層間具有連續(xù)的分界面。基于這種大氣空間分層模型，本發(fā)明通過內(nèi)插的方式計(jì)算出外圈層控制界面上各個(gè)結(jié)點(diǎn)(這些結(jié)點(diǎn)與地球表面剖分網(wǎng)格M#id的結(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng))的理論高程值；然后在實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的約束下對(duì)理論高程值進(jìn)行修正，擬合出外圈層控制界面的幾何形態(tài)；最后將所有的外圈層控制界面自上而下堆疊起來，生成具有4種細(xì)節(jié)層次(網(wǎng)格間隔分別為5° X5。、1° Xl°、0.5° X0.5°和0.1° X0. 1° )的地球外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型，統(tǒng)一記為M
geometry-outer°由于地球外圈層的底面(即對(duì)流層的底面)與地球表面重合，地球外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型底面結(jié)點(diǎn)的高程應(yīng)與地球表面數(shù)字高程模型Msmf.對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)的高程完全一致。如果兩者不一致，則逐個(gè)修改底面結(jié)點(diǎn)的高程，使其與Msurfara對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)的高程完全相同。第五步生成基于地質(zhì)晶胞(Geocellular)的地球內(nèi)外圈層三維體元網(wǎng)格對(duì)于地球的內(nèi)圈層，本發(fā)明以內(nèi)圈層幾何結(jié)構(gòu)模型Mg_&y_innOT中自上而下堆疊起來的正方形網(wǎng)格(網(wǎng)格間隔為0.1° X0. 1° )為空間基準(zhǔn)，使用三維空間離散化方法對(duì)各個(gè)亞層頂面正方形網(wǎng)格和底面正方形網(wǎng)格所圍成的空間進(jìn)行剖分，生成用地質(zhì)晶胞(Geocellular)體元充填的三維實(shí)體模型；然后對(duì)三維實(shí)體模型在縱向上進(jìn)行細(xì)分加密，生成逼近實(shí)際控制界面的地球內(nèi)圈層三維體元網(wǎng)格對(duì)于地球的外圈層，本發(fā)明以外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型中自上而下堆疊起來的正方形網(wǎng)格(網(wǎng)格間隔為0.1° Χ0. 1° )為空間基準(zhǔn)，使用三維空間離散化方法對(duì)各個(gè)亞層頂面正方形網(wǎng)格和底面正方形網(wǎng)格所圍成的空間進(jìn)行剖分，生成用地質(zhì)晶胞(Geocellular)體元充填的三維實(shí)體模型；然后對(duì)三維實(shí)體模型在縱向上進(jìn)行細(xì)分加密，生成逼近實(shí)際控制界面的地球外圈層三維體元網(wǎng)格Μ—,μ。第六步插值擬合地球空間內(nèi)外圈層屬性要素三維分布模型地球圈層內(nèi)部不僅具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形態(tài)，還蘊(yùn)含著隨空間位置變化的屬性特征要素，如描述地球外部圈層大氣空間環(huán)境要素屬性的大氣密度、溫度、壓力、成分及變化等，描述地球內(nèi)部物理化學(xué)屬性的地震波反射速度、彈性模量、重力分布等。為了從宏觀上定量的描述地球空間屬性要素的平均分布狀態(tài)，地球科學(xué)家編制了各種空間屬性要素分布的數(shù)值模式，如描述地球內(nèi)圈層屬性要素分布的初步地球參考模型PREM ;描述地球外圈層電離層等離子體的IRI2001模式；描述外圈層中性大氣的MSIS2000模式等。本發(fā)明基于這些數(shù)值模式生成地球空間內(nèi)外圈層屬性要素三維分布模型。基于現(xiàn)有的地球空間屬性要素分布數(shù)值模式，本發(fā)明首先使用內(nèi)插的方式計(jì)算出地球內(nèi)外圈層三維體元網(wǎng)格(包括MTOlume_innOT和Mvtjlunrate)上各個(gè)地質(zhì)晶胞結(jié)點(diǎn)的屬性要素理論值；然后在實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的約束下對(duì)屬性要素理論值進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化，擬合出各個(gè)體元網(wǎng)格位置處的屬性要素值，生成地球空間內(nèi)外圈層屬性要素三維分布模型(分別記為Mproperty-inner和)，以反映各種屬性要素在三維地球空間內(nèi)的變化特征。在進(jìn)行屬性要素插值時(shí)，同樣可選用距離反比加權(quán)法、最鄰近點(diǎn)法、自然鄰近點(diǎn)法、徑向基函數(shù)法或Kriging法等常用的插值算法。第七步將地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地心空間三維直角坐標(biāo)·
按照前述步驟生成的地球表面數(shù)字高程模型Msurf■、內(nèi)圈層幾何結(jié)構(gòu)模型Mge.tty-imer、外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型、內(nèi)圈層屬性要素三維分布模型MpMperty_imOT和夕卜圈層屬性要素三維分布模型Μρμρ__?！鋷缀巫鴺?biāo)數(shù)據(jù)都是基于地理坐標(biāo)的，需要將這些地理坐標(biāo)變換為地心空間三維直角坐標(biāo)。在CGCS2000中國(guó)大地坐標(biāo)系下，由地理坐標(biāo)(地理緯度地理經(jīng)度λ，高程H)變換為地心空間三維直角坐標(biāo)(X，Y，Ζ)，可由以下公式計(jì)算
A=cos(,o cos/.I
Y= (N+H) cos(p s ηλ；
Z=[Ml-cr)+//] sinw；式中N為東西圓曲率半徑/Oe2SiirV)172; a為地球長(zhǎng)半軸，a=6378137m ;e2為第一偏心率平方，e2=0. 00669438002290。本發(fā)明使用上述公式，將地球表面數(shù)字高程模型Msurfaee、內(nèi)圈層幾何結(jié)構(gòu)模型Mge.tty-imer、外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型、內(nèi)圈層屬性要素三維分布模型MpMperty_imOT和外圈層屬性要素三維分布模型MpMperty_wte的幾何坐標(biāo)逐一變換為地心空間三維直角坐標(biāo)，變換后的模型分別記為M ‘
surface、M geometry-inner、M geometry-outer、M property-inner 矛口 M property-outer 0第八步構(gòu)建基于LOD的地球空間模型多尺度表達(dá)機(jī)制經(jīng)過第七步坐標(biāo)變換后的地球空間模型(包括Mfaee、M ‘ge_ry-imOT、M ‘g—te、M ‘propCTty-ima·和M ‘pMpe；rty-outa·)都是二維模型。這些二維模型可分為兩類一類是二維矢量模型(包括M ‘
surface、M geometry-inner 矛口 M geometry-outer
);一類是三維體元模型(包括M ‘
property-inner
和M ^p.ope.t.-outer) 這些模型的幾何形狀復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大，在現(xiàn)有的微型計(jì)算機(jī)平臺(tái)下，地球空間三維模型的快速存取、及時(shí)更新、實(shí)時(shí)渲染等各個(gè)環(huán)節(jié)都面臨著很大的考驗(yàn)。為了提高三維地球空間模型的存取效率、顯示速度，減少模型繪制時(shí)間，增強(qiáng)三維數(shù)字地球模型與用戶交互的實(shí)時(shí)性，本發(fā)明借鑒多尺度表達(dá)的思想，將復(fù)雜的三維模型進(jìn)行不同程度的簡(jiǎn)化并存儲(chǔ)到服務(wù)器端的空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后再采用LOD (Level of detail，細(xì)節(jié)層次模型)方法進(jìn)行管理，通過部署在服務(wù)器端的Web服務(wù)來處理客戶端發(fā)送的地球空間模型傳輸和可視化請(qǐng)求。LOD是指生成或繪制細(xì)節(jié)程度逐漸變化的一組目標(biāo)模型。LOD模型可分為兩類靜態(tài)LOD模型和動(dòng)態(tài)LOD模型。由于三維地球空間模型的復(fù)雜性，本發(fā)明針對(duì)三維矢量模型和三維體元模型這兩類模型的不同特點(diǎn)，分別使用靜態(tài)LOD與動(dòng)態(tài)LOD這兩種方法。對(duì)于三維矢量模型(包括M ‘
surface、M geometry-inner 矛口 M geometry—outer )
因?yàn)槠湓诜糯蠛?br> 縮小的過程中允許有跳躍的出現(xiàn)，本發(fā)明使用靜態(tài)LOD方法，在服務(wù)器端的空間數(shù)據(jù)庫(kù)保存三維矢量模型的4個(gè)副本，每一副本對(duì)應(yīng)某一特定的分辨率(網(wǎng)格間隔分別為5° X5。、1° Xl0 >0.5° X0. 5°和0.1° X0. 1° )，所有副本構(gòu)成一個(gè)金字塔結(jié)構(gòu)；在數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)顯示時(shí)，根據(jù)當(dāng)前的場(chǎng)景條件(如模型到視點(diǎn)的距離、投影后的模型在圖像空間所占的像素面積及光照強(qiáng)弱等)選用合適的細(xì)節(jié)層次模型。三維體元模型(包括M ‘pMperty-innCT和M ‘ΡΜΡ_-?！?可以方便的進(jìn)行各種簡(jiǎn)化或細(xì)分操作。因此，本發(fā)明首先在服務(wù)器端的空間數(shù)據(jù)庫(kù)中保存一個(gè)全細(xì)節(jié)的體元模型(網(wǎng)格間隔為0.1° Χ0. 1° )，然后從這個(gè)全細(xì)節(jié)的體元模型出發(fā)，使用動(dòng)態(tài)LOD方法中的漸進(jìn)網(wǎng)格法進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，在服務(wù)器端實(shí)時(shí)生成不同尺度的低細(xì)節(jié)程度的模型。在模型網(wǎng)絡(luò)傳輸和可視化時(shí)，根據(jù)模型中心與視點(diǎn)的距離大小確定調(diào)用具有何種層次細(xì)節(jié)的模型，而不必每次都選用全細(xì)節(jié)的三維體元模型。這樣可以極大的降低數(shù)據(jù)傳輸流量和場(chǎng)景中的體元數(shù)量，而且能夠保證模型幾何數(shù)據(jù)的一致性和視覺的連續(xù)性，可以實(shí)現(xiàn)相鄰LOD模型間的平滑過渡。第九步三維可視化經(jīng)過第八步處理后的地球空間模型(包括三維體元模型和三維矢量模型兩類)統(tǒng)一存儲(chǔ)在服務(wù)器端的空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，其中三維體元模型在數(shù)據(jù)庫(kù)中只存儲(chǔ)單一尺度(網(wǎng)格間隔為0.1° Χ0. 1° )的高精度模型，三維矢量模型在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)4個(gè)細(xì)節(jié)層次的模型。這些模型最終需要在客戶端的顯示器上進(jìn)行可視化與分析?；赪eb服務(wù)，服務(wù)器接收到客戶端發(fā)送的地球空間模型請(qǐng)求；然后根據(jù)客戶端提供的空間參數(shù)(包括場(chǎng)景范圍和視點(diǎn)位置)通過LOD-Rree空間索引進(jìn)行模型檢索，獲取特定范圍和細(xì)節(jié)程度的模型數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)絡(luò)漸進(jìn)傳輸?shù)娇蛻舳耍豢蛻舳私?shù)據(jù)緩存，在計(jì)算機(jī)顯示器上繪制出地球空間模型，以不同的顏色和亮度代表不同的圈層和屬性要素。
在客戶端進(jìn)行三維地球空間模型的可視化時(shí)，為了完整、連續(xù)的顯示海量三維地球空間信息，增強(qiáng)用戶對(duì)大規(guī)模地球空間信息的理解，本發(fā)明使用“焦點(diǎn)+場(chǎng)景”(Focus-context)可視化技術(shù),讓用戶不僅可以看到其感興趣的對(duì)象的幾何細(xì)節(jié)，同時(shí)還可以看到其周圍信息的一個(gè)整體印象。第十步查詢地球空間位置在客戶端，可利用鼠標(biāo)來查詢地球空間任意位置處的空間坐標(biāo)。由于通過計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)拾取捕捉到的空間坐標(biāo)是基于地心空間三維直角坐標(biāo)系的，而地心空間三維直角坐標(biāo)不便于理解和交流，故需要將其變換為地理坐標(biāo)。在CGCS2000中國(guó)大地坐標(biāo)系下，由地心空間三維直角坐標(biāo)(X，Y，Z)變換為地理坐標(biāo)(地理緯度*地理經(jīng)度λ，高程H)，可由以下公式計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種全空間三維數(shù)字地球模型的構(gòu)建方法，其特征在于建立基于CGCS2000中國(guó)大地坐標(biāo)系的橢球體地球空間數(shù)學(xué)模型,依次生成地球表面數(shù)字地形模型、地球空間內(nèi)外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型和地球空間內(nèi)外圈層屬性要素三維分布模型，然后將這些模型放置到地心空間三維直角坐標(biāo)系中，建立基于細(xì)節(jié)層次模型的地球空間模型多尺度表達(dá)機(jī)制，以三維可視化的形式在計(jì)算機(jī)顯示屏上展現(xiàn)出來并進(jìn)行專業(yè)的三維空間分析；其具體步驟是 步驟I、建立基于CGCS2000中國(guó)大地坐標(biāo)系的橢球體地球空間數(shù)學(xué)模型 基于一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系即CGCS2000中國(guó)大地坐標(biāo)系定義一個(gè)統(tǒng)一的橢球體地球空間，以支持地球空間中任意一點(diǎn)的地理坐標(biāo)即地理緯度P、地理經(jīng)度λ、高程H與地心空間三維直角坐標(biāo)X、Y、Z的相互轉(zhuǎn)換； 步驟2、生成基于經(jīng)緯網(wǎng)格的地球表面剖分網(wǎng)格 沿著地球橢球面上的經(jīng)線和緯線，按照固定的經(jīng)緯度間隔5° Χ5。、1° Xl0、.0.5° Χ0.5°和O. 1° Χ0. 1°，分別對(duì)地球橢球體表面進(jìn)行剖分，生成具有4種細(xì)節(jié)層次的地球表面網(wǎng)格,統(tǒng)一記為MgHd ； 步驟3、內(nèi)插生成地球表面數(shù)字高程模型 以美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)維護(hù)的GT0P030全球地表數(shù)字高程模型中的地形數(shù)據(jù)集為基本樣本點(diǎn)，加入近年新獲取的實(shí)測(cè)地形高程控制點(diǎn)，形成一個(gè)散點(diǎn)數(shù)據(jù)集Psmfare，集合了地球表面高程插值擬合的樣本數(shù)據(jù)；使用Psmfara中的樣本點(diǎn)插值擬合地球表面剖分網(wǎng)格Mgm中各個(gè)結(jié)點(diǎn)的高程，生成具有4種細(xì)節(jié)層次即網(wǎng)格間隔分別為5° X5。、Γ ΧΓ、O. 5° X0. 5°和O. 1° X0. 1°的地球表面數(shù)字高程模型，統(tǒng)一記為Msurfare ;在進(jìn)行地形插值時(shí)，使用距離反比加權(quán)法、最鄰近點(diǎn)法、自然鄰近點(diǎn)法、徑向基函數(shù)法或克里金法； 步驟4、插值擬合地球空間內(nèi)外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型 地球的內(nèi)外兩個(gè)圈層具有明顯不同的結(jié)構(gòu)特征和物理化學(xué)性質(zhì)，需要使用不同的模型和方法來擬合各個(gè)圈層及其亞層的控制界面和屬性參數(shù)特征； (1)地球內(nèi)圈層 地球的內(nèi)圈層可劃分為地殼、地幔、地核三個(gè)基本圈層，并可進(jìn)一步細(xì)分為若干亞層；基于現(xiàn)有的地球內(nèi)部圈層分層模型，首先通過內(nèi)插的方式計(jì)算出內(nèi)圈層控制界面上各個(gè)結(jié)點(diǎn)的理論高程值，其各個(gè)結(jié)點(diǎn)與地球表面剖分網(wǎng)格M#id的結(jié)點(diǎn)——對(duì)應(yīng)；然后在實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的約束下對(duì)理論高程值進(jìn)行修正，擬合出內(nèi)圈層控制界面的幾何形態(tài)；最后將所有的內(nèi)圈層控制界面自上而下堆疊起來，生成具有4種細(xì)節(jié)層次即網(wǎng)格間隔分別為5° Χ5°、1° ΧΓ、0. 5° X0. 5°和0.1° X0. 1°的地球內(nèi)圈層幾何結(jié)構(gòu)模型，統(tǒng)一記M.^geometry-inner * 由于地球內(nèi)圈層的頂面即地殼的頂面與地球表面重合，地球內(nèi)圈層幾何結(jié)構(gòu)模型Mge0metry-inner頂面結(jié)點(diǎn)的高程應(yīng)與地球表面數(shù)字高程模型Msurfara對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)的高程完全一致；如果兩者不一致，則逐個(gè)修改Mg___innOT頂面結(jié)點(diǎn)的高程，使其與Msurtara對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)的高程完全相同； (2)地球外圈層 根據(jù)氣溫變化及密度情況，地球的外圈層即大氣圈自下而上分為對(duì)流層、平流層、中間層、熱成層、外逸層五個(gè)基本圈層，各層結(jié)構(gòu)形態(tài)比較簡(jiǎn)單，層間具有連續(xù)的分界面；基于這種大氣空間分層模型，通過內(nèi)插的方式計(jì)算出外圈層控制界面上各個(gè)結(jié)點(diǎn)的理論高程值，其各個(gè)結(jié)點(diǎn)與地球表面剖分網(wǎng)格MgHd的結(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)；然后在實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的約束下對(duì)理論高程值進(jìn)行修正，擬合出外圈層控制界面的幾何形態(tài)；最后將所有的外圈層控制界面自上而下堆疊起來，生成具有4種細(xì)節(jié)層次即網(wǎng)格間隔分別為5° X5。、1° Xl0、O. 5° XO. 5°和O. 1° X0. 1°的地球外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型，統(tǒng)一記為Mg_rtry- tOT ； 由于地球外圈層的底面即對(duì)流層的底面與地球表面重合，地球外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型Mgeometry-OUter底面結(jié)點(diǎn)的高程應(yīng)與地球表面數(shù)字高程模型Msurfara對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)的高程完全一致；如果兩者不一致，則逐個(gè)修改Mg___wtCT底面結(jié)點(diǎn)的高程，使其與Msmf.對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)的高程完全相同； 步驟5、生成基于地質(zhì)晶胞的地球內(nèi)外圈層三維體元網(wǎng)格 對(duì)于地球的內(nèi)圈層，以內(nèi)圈層幾何結(jié)構(gòu)模型Mge_tay_im 中自上而下堆疊起來的間隔為.0.1° X0. 1°的正方形網(wǎng)格為空間基準(zhǔn)，使用三維空間離散化方法對(duì)各個(gè)亞層頂面正方形網(wǎng)格和底面正方形網(wǎng)格所圍成的空間進(jìn)行剖分，生成用地質(zhì)晶胞體元充填的三維實(shí)體模型；然后對(duì)三維實(shí)體模型在縱向上進(jìn)行細(xì)分加密，生成逼近實(shí)際控制界面的地球內(nèi)圈層三維體元網(wǎng)格Mvolume_inner ； 對(duì)于地球的外圈層，以外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型中自上而下堆疊起來的間隔為.0.1° Χ0. 1°的正方形網(wǎng)格為空間基準(zhǔn)，使用三維空間離散化方法對(duì)各個(gè)亞層頂面正方形網(wǎng)格和底面正方形網(wǎng)格所圍成的空間進(jìn)行剖分，生成用地質(zhì)晶胞體元充填的三維實(shí)體模型；然后對(duì)三維實(shí)體模型在縱向上進(jìn)行細(xì)分加密，生成逼近實(shí)際控制界面的地球外圈層三維體元網(wǎng)格Mvolume-outer步驟6、插值擬合地球空間內(nèi)外圈層屬性要素三維分布模型 基于現(xiàn)有的地球空間屬性要素分布數(shù)值模式，首先使用內(nèi)插的方式計(jì)算出地球內(nèi)外圈層三維體元網(wǎng)格MV()lume_imOT和Mvtjlmratw上各個(gè)地質(zhì)晶胞結(jié)點(diǎn)的屬性要素理論值；然后在實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的約束下對(duì)屬性要素理論值進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化，擬合出各個(gè)體元網(wǎng)格位置處的屬性要素值，生成地球空間內(nèi)外圈層屬性要素三維分布模型，分別記為Mp_ ty_imOT和Mproperty-OUterj以反映各種屬性要素在三維地球空間內(nèi)的變化特征；在進(jìn)行屬性要素插值時(shí)，選用距離反比加權(quán)法、最鄰近點(diǎn)法、自然鄰近點(diǎn)法、徑向基函數(shù)法或克里金法； 步驟7、將地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地心空間三維直角坐標(biāo) 按照前述步驟生成的地球表面數(shù)字高程模型Msurf·、內(nèi)圈層幾何結(jié)構(gòu)模型MgraMretay_inn 、外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型Μ#·#。—、內(nèi)圈層屬性要素三維分布模型MpMperty_imOT和外圈層屬性要素三維分布模型，其幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)都是基于地理坐標(biāo)的，將這些地理坐標(biāo)變換為地心空間三維直角坐標(biāo)；在CGCS2000中國(guó)大地坐標(biāo)系下，由地理坐標(biāo)即地理緯度P、地理經(jīng)度λ、高程H變換為地心空間三維直角坐標(biāo)X、Y、Ζ,由以下公式計(jì)算Ar= (NjTH) coscp cos/.Y= (AM-//) cos爐 sin/；Z= [ iV(l-e2)+^] sill的 式中N為東西圓曲率半徑，iV=fl /(l-e2sin2P)1/2;a為地球長(zhǎng)半軸，a=6378137m ;e2為第一偏心率平方，e2=0. 00669438002290 ； 使用上述公式，將地球表面數(shù)字高程模型內(nèi)圈層幾何結(jié)構(gòu)模型Mg_&y_imOT、夕卜 圈層幾何結(jié)構(gòu)模型Mgranretl7Iuter、內(nèi)圈層屬性要素三維分布模型MpMpOTty_imer和外圈層屬性要素三維分布模型Mpr-rtputer的幾何坐標(biāo)逐一變換為地心空間三維直角坐標(biāo)，變換后的模型分別記為M ‘ surface、M geometry-inner、M geometry-outer、M property-inner 矛口 M property-outer步驟8、構(gòu)建基于細(xì)節(jié)層次模型的地球空間模型多尺度表達(dá)機(jī)制 經(jīng)過步驟7坐標(biāo)變換后的地球空間模型可分為兩類一類是三維矢量模型即M ‘—6、M geometry-inner 矛口 M geometry-outer 一類是三維體元模型即M 'property-inner 矛口 M property-outer 需要使用細(xì)節(jié)層次模型方法對(duì)這些復(fù)雜的三維模型進(jìn)行不同程度的簡(jiǎn)化，然后存儲(chǔ)到服務(wù)器端的空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過部署在服務(wù)器端的Web服務(wù)來處理客戶端發(fā)送的地球空間模型傳輸和可視化請(qǐng)求； 對(duì)于三維矢量模型Msurface、M geometry-inner 和M ^geometry-OUterj使用靜態(tài)LOD方法，在服務(wù)器端的空間數(shù)據(jù)庫(kù)保存三維矢量模型的4個(gè)副本，每一副本對(duì)應(yīng)某一特定的分辨率即網(wǎng)格間隔分別為5° Χ5°、1° ΧΓ、0. 5° XO. 5°和0.1° XO. 1°，所有副本構(gòu)成一個(gè)金字塔結(jié)構(gòu)；在數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)顯示時(shí)，根據(jù)當(dāng)前的場(chǎng)景條件如模型到視點(diǎn)的距離、投影后的模型在圖像空間所占的像素面積及光照強(qiáng)弱選用合適的細(xì)節(jié)層次模型； 對(duì)于三維體兀模型M 'property-inner和M，首先在服務(wù)器端的空間數(shù)據(jù)庫(kù)中保存一個(gè)網(wǎng)格間隔為0.1° X0. 1°的全細(xì)節(jié)的體元模型，然后從這個(gè)全細(xì)節(jié)的體元模型出發(fā)，使用漸進(jìn)網(wǎng)格法進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，在服務(wù)器端實(shí)時(shí)生成不同尺度的低細(xì)節(jié)程度的模型； 步驟9、三維可視化 經(jīng)過步驟8處理后的地球空間模型統(tǒng)一存儲(chǔ)在服務(wù)器端的空間數(shù)據(jù)庫(kù)中；基于Web服務(wù)，服務(wù)器接收到客戶端發(fā)送的地球空間模型請(qǐng)求；然后根據(jù)客戶端提供的空間參數(shù)，通過LOD-Rree空間索引進(jìn)行模型檢索，獲取特定范圍和細(xì)節(jié)程度的模型數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)絡(luò)漸進(jìn)傳輸?shù)娇蛻舳?；客戶端建立?shù)據(jù)緩存，在計(jì)算機(jī)顯示器上繪制出地球空間模型，以不同的顏色和亮度代表不同的圈層和屬性要素； 步驟10、查詢地球空間位置 在客戶端，利用鼠標(biāo)來查詢地球空間任意位置處的空間坐標(biāo)；由于通過計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)拾取捕捉到的空間坐標(biāo)是基于地心空間三維直角坐標(biāo)系的，而地心空間三維直角坐標(biāo)不便于理解和交流，故需要將其變換為地理坐標(biāo)；在CGCS2000中國(guó)大地坐標(biāo)系下，由地心空間三維直角坐標(biāo)X、Y、Z變換為地理坐標(biāo)即地理緯度…地理經(jīng)度λ、高程H，由以下公式計(jì)算
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全空間三維數(shù)字地球模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟建立基于CGCS2000中國(guó)大地坐標(biāo)系的橢球體地球空間數(shù)學(xué)模型；生成基于經(jīng)緯網(wǎng)格的地球表面剖分網(wǎng)格；內(nèi)插生成地球表面數(shù)字高程模型；插值擬合地球空間內(nèi)外圈層幾何結(jié)構(gòu)模型；生成基于地質(zhì)晶胞的地球內(nèi)外圈層三維體元網(wǎng)格；插值擬合地球空間內(nèi)外圈層屬性要素三維分布模型；將地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地心空間三維直角坐標(biāo)；構(gòu)建基于LOD的地球空間模型多尺度表達(dá)機(jī)制；三維可視化；查詢地球空間位置；進(jìn)行三維空間分析。本發(fā)明的自動(dòng)性高、適應(yīng)性強(qiáng)，能夠快速、自動(dòng)的將包含內(nèi)外圈層的地球空間實(shí)體模型在三維空間中重構(gòu)出來，以三維可視化的形式在計(jì)算機(jī)顯示屏上展現(xiàn)出來并支持各種專業(yè)的空間分析。
文檔編號(hào)G06T17/05GK102945570SQ201210480368
公開日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者朱良峰, 潘信, 孫建中 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)