一種全空間三維數字地球模型的構建方法技術

本發明專利技術公開了一種全空間三維數字地球模型的構建方法，包括以下步驟：建立基于CGCS2000中國大地坐標系的橢球體地球空間數學模型；生成基于經緯網格的地球表面剖分網格；內插生成地球表面數字高程模型；插值擬合地球空間內外圈層幾何結構模型；生成基于地質晶胞的地球內外圈層三維體元網格；插值擬合地球空間內外圈層屬性要素三維分布模型；將地理坐標轉換為地心空間三維直角坐標；構建基于LOD的地球空間模型多尺度表達機制；三維可視化；查詢地球空間位置；進行三維空間分析。本發明專利技術的自動性高、適應性強，能夠快速、自動的將包含內外圈層的地球空間實體模型在三維空間中重構出來，以三維可視化的形式在計算機顯示屏上展現出來并支持各種專業的空間分析。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及地球空間信息
中的數字地球技術，具體地說是，該方法針對地球空間探測數據進行處理，能夠解決包含地球內外圈層的三維數字地球模型重構和分析過程中所遇到的各種難題。
技術介紹
自1998年時任美國副總統的Al Gore在加利福尼亞科學中心首次提出“數字地球”的概念并勾繪出其遠景目標以來，數字地球的基礎理論及實現技術在全球范圍內取得了重要進展，涌現出一系列技術成熟、功能強大的數字地球軟件系統，如Google Earth、NASA World ffind> Microsoft Virtual Earth、ESRI ArcGIS Explorer 等。作為第一代數字地球系統的典范，這些系統不僅具有瀏覽、查詢、發現空間對象和空間現象的功能，還為 地學研究和教育提供了一個探索、發現、分析、交流的平臺，具有增強科學的能力。目前，數字地球模型已廣泛融入社會大眾的日常生活、科學家的科學研究與學術交流、教育工作者的教學實踐之中。以Google Earth為代表的第一代數字地球模型只能提供并可視化展示地球表層信息模型，它們對以地理空間實體為研究對象的地理科學研究具有很大的幫助。但是，當將這些現有的數字地球模型應用到地球科學其它學科(如氣象學、地質學、地球物理學等)研究或進行地球系統多學科綜合集成研究時，會發現其在模型設計和功能實現上存在著很大的不足。主要問題涉及以下兩個方面(I)現有的數字地球模型對地球空間的表達存在著維度缺陷，難以全面的描述和表達真三維的地球空間信息。第一代數字地球模型都是建立在對地球表面的格網剖分這一空間數據模型基礎上的，它們對地球空間的剖分基準是地球表面，認為地球表面可看作是由不同級別、不斷細分的格網鑲嵌套合、無縫連接而成，在每個格網單元上都可疊置對應的圖形、圖像、模型等空間實體。這種地球空間表達方式實質上只是一種二維剖分表達，僅停留在地球表面，主要是針對地理空間實體的建模、可視化及分析來設計的，未涉及地表以上的大氣空間和地表以下的地質空間，很難應用于地球內外圈層空間中三維實體的建模與分析，無法滿足航空航天、氣候氣象、地質礦產、大型工程建設等領域的需求。(2)現有的數字地球模型的三維可視化與空間分析能力較弱，無法對真三維地球空間實體進行高級體視化展示和專業的三維空間分析。利用空間信息的多尺度表達與自適應可視化技術，第一代數字地球系統能高效的進行2維矢量圖形、柵格影像、2. 5維數字高程模型、3維矢量模型的網絡傳輸和可視化，但難以進行大規模三維體元數據的快速傳輸與可視化。三維體元數據廣泛應用于地質空間和大氣空間物理化學屬性要素的建模與分析。另外，第一代數字地球模型大多不具備現代地球科學研究所亟需的真三維空間分析功能，無法對大氣空間和地質空間內的三維體元模型進行瀏覽、查詢、剖切、鉆探等操作，難以對地球空間對象的時空關系、屬性要素的三維展布、地球空間內的流體運動等進行可視化的模擬與分析。20世紀70年代以來，隨著一系列地球觀測計劃和深部探測計劃相繼啟動，人類對地球的認知與活動范圍已擴展到整個地球空間，包括地表、地下、大氣層和電離層等。第一代數字地球模型的缺陷使三維地球空間信息的有效表達與可視處理受到嚴重的制約，也使其在地質、地球物理、海洋、氣象等眾多領域中的深入應用受到很大的限制。現代地球科學研究迫切需要對具有真三維特性的地球空間實體和現象進行統一的組織、表達、管理、建模、可視化、分析和應用，構建空間維度完整、空間分析功能完善、能顯示和分析具有多源、異構、海量特性的三維地球空間信息的新一代全空間數字地球模型顯得極為必要。
技術實現思路
數字地球模型是一個以地球坐標為依據的、具有多分辨率的海量數據和多維顯示的虛擬地球模型，它需要將地球空間內的所有信息都進行數字化。以地球表面為界，地球空間可劃分為外圈層和內圈層兩部分。地球的外圈層主要由大氣組成，稱作大氣空間。地球的內圈層是指地表以下的固體地球部分，稱作地質空間。地球的內外兩個圈層具有明顯不同的結構特征和物理化學性質，需要使用不同的數值模型和計算方法來擬合各個圈層及其亞層的控制界面和屬性參數特征。所謂全空間三維數字地球模型，是指在一個統一的坐標 系支撐下，將地球內外圈層的幾何結構特征模型和物理化學屬性特征模型放置在一個統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算機顯示屏上展現出來，以支持專業的三維分析及應用。本專利技術的目的是針對現有數字地球模型構建技術的不足而提供一種使用地球空間探測數據自動構建全空間三維數字地球模型的方法，該方法能夠快速、自動的將包含內外圈層的地球空間實體模型在三維空間中重構出來，然后在計算機顯示屏上展現出來并支持專業的三維空間分析。其要解決的技術問題可分解為四個方面要解決地球表面數字高程模型的插值擬合問題；要解決地球空間內外圈層幾何結構模型的插值擬合問題；要解決地球空間內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問題。本專利技術所采用的具體技術方案是，該方法首先建立基于CGCS2000中國大地坐標系的橢球體地球空間數學模型，然后依次生成地球表面數字地形模型、地球空間內外圈層幾何結構模型和地球空間內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系中，建立基于LOD (細節層次模型)的地球空間模型多尺度表達機制，以三維可視化的形式在計算機顯示屏上展現出來并進行專業的三維空間分析。本專利技術的具體工作步驟如下第一步建立基于C GCS2000中國大地坐標系的橢球體地球空間數學模型建模過程的第一步，就是基于一個統一的坐標系(CGCS2000中國大地坐標系)定義一個統一的橢球體地球空間，以支持地球空間中任意一點的地理坐標(地理緯度^地理經度λ，高程H)與地心空間三維直角坐標(X，Y，Ζ)的相互轉換。CGCS2000 (英文全名為 China Geodetic Coordinate System 2000)中國大地坐標系是全球地心坐標系在中國的具體體現，是中國當前最新的國家大地坐標系。CGCS2000的坐標原點為包括海洋和大氣的整個地球的質量中心，Z軸由原點指向歷元2000. O的地球參考極的方向，該歷元的指向由國際時間局給定的歷元為1984. O的初始指向推算，定向的時間演化保證相對于地殼不產生殘余的全球旋轉，X軸由原點指向格林尼治參考子午線與地球赤道面(歷元2000. O)的交點，Y軸與Z軸、X軸構成右手正交坐標系。CGCS2000采用廣義相對論意義下的尺度。CGCS2000中國大地坐標系采用的地球橢球參數如下地球長半軸 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 GM = 3. 986004418X 1014m3s-2 ;自轉角速度 ω =7. 292115X 10_5rad s—1。第二步生成基于經緯網格的地球表面剖分網格沿著地球橢球面上的經線和緯線，按照固定的經緯度間隔(5° Χ5°、1° Xl0、0.5° XO. 5°和0.1° XO. 1° )，分別對地球橢球體表面進行剖分，生成具有4種細節層次(LOD本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種全空間三維數字地球模型的構建方法，其特征在于：建立基于CGCS2000中國大地坐標系的橢球體地球空間數學模型，依次生成地球表面數字地形模型、地球空間內外圈層幾何結構模型和地球空間內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系中，建立基于細節層次模型的地球空間模型多尺度表達機制，以三維可視化的形式在計算機顯示屏上展現出來并進行專業的三維空間分析；其具體步驟是：步驟1、建立基于CGCS2000中國大地坐標系的橢球體地球空間數學模型基于一個統一的坐標系即CGCS2000中國大地坐標系定義一個統一的橢球體地球空間，以支持地球空間中任意一點的地理坐標即地理緯度地理經度λ、高程H與地心空間三維直角坐標X、Y、Z的相互轉換；步驟2、生成基于經緯網格的地球表面剖分網格沿著地球橢球面上的經線和緯線，按照固定的經緯度間隔5°×5°、1°×1°、0.5°×0.5°和0.1°×0.1°，分別對地球橢球體表面進行剖分，生成具有4種細節層次的地球表面網格，統一記為Mgrid；步驟3、內插生成地球表面數字高程模型以美國地質調查局開發維護的GTOPO30全球地表數字高程模型中的地形數據集為基本樣本點，加入近年新獲取的實測地形高程控制點，形成一個散點數據集Psurface，集合了地球表面高程插值擬合的樣本數據；使用Psurface中的樣本點插值擬合地球表面剖分網格Mgrid中各個結點的高程，生成具有4種細節層次即網格間隔分別為5°×5°、1°×1°、0.5°×0.5°和0.1°×0.1°的地球表面數字高程模型，統一記為Msurface；在進行地形插值時，使用距離反比加權法、最鄰近點法、自然鄰近點法、徑向基函數法或克里金法；步驟4、插值擬合地球空間內外圈層幾何結構模型地球的內外兩個圈層具有明顯不同的結構特征和物理化學性質，需要使用不同的模型和方法來擬合各個圈層及其亞層的控制界面和屬性參數特征；（1）地球內圈層地球的內圈層可劃分為地殼、地幔、地核三個基本圈層，并可進一步細分為若干亞層；基于現有的地球內部圈層分層模型，首先通過內插的方式計算出內圈層控制界面上各個結點的理論高程值，其各個結點與地球表面剖分網格Mgrid的結點一一對應；然后在實際觀測數據的約束下對理論高程值進行修正，擬合出內圈層控制界面的幾何形態；最后將所有的內圈層控制界面自上而下堆疊起來，生成具有4種細節層次即網格間隔分別為5°×5°、1°×1°、0.5°×0.5°和0.1°×0.1°的地球內圈層幾何結構模型，統一記為Mgeometry?inner；由于地球內圈層的頂面即地殼的頂面與地球表面重合，地球內圈層幾何結構模型 Mgeometry?inner頂面結點的高程應與地球表面數字高程模型Msurface對應結點的高程完全一致；如果兩者不一致，則逐個修改Mgeometry?inner頂面結點的高程，使其與Msurface對應結點的高程完全相同；（2）地球外圈層根據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流層、平流層、中間層、熱成層、外逸層五個基本圈層，各層結構形態比較簡單，層間具有連續的分界面；基于這種大氣空間分層模型，通過內插的方式計算出外圈層控制界面上各個結點的理論高程值，其各個結點與地球表面剖分網格Mgrid的結點一一對應；然后在實際觀測數據的約束下對理論高程值進行修正，擬合出外圈層控制界面的幾何形態；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種細節層次即網格間隔分別為5°×5°、1°×1°、0.5°×0.5°和0.1°×0.1°的地球外圈層幾何結構模型，統一記為Mgeometry?outer；由于地球外圈層的底面即對流層的底面與地球表面重合，地球外圈層幾何結構模型Mgeometry?outer底面結點的高程應與地球表面數字高程模型Msurface對應結點的高程完全一致；如果兩者不一致，則逐個修改Mgeometry?outer底面結點的高程，使其與Msurface對應結點的高程完全相同；步驟5、生成基于地質晶胞的地球內外圈層三維體元網格對于地球的內圈層，以內圈層幾何結構模型Mgeometry?inner中自上而下堆疊起來的間隔為0.1°×0.1°的正方形網格為空間基準，使用三維空間離散化方法對各個亞層頂面正方形網格和底面正方形網格所圍成的空間進行剖分，生成用地質晶胞體元充填的三維實體模型；然后對三維實體模型在縱向上進行細分加密，生成逼近實際控制界面的地球內圈層三維體元網格Mvolume?inner；對于地球的外圈層，以外圈層幾何結構模型Mg...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：朱良峰，潘信，孫建中，
申請(專利權)人：華東師范大學，
類型：發明
國別省市：