一种全空间三维数字地球模型的构建方法

摘要

本发明公开了一种全空间三维数字地球模型的构建方法，包括以下步骤：建立基于CGCS2000大地坐标系的椭球体地球空间数学模型；生成基于经纬网格的地球表面剖分网格；内插生成地球表面数字高程模型；插值拟合地球空间内外圈层几何结构模型；生成基于地质晶胞的地球内外圈层三维体元网格；插值拟合地球空间内外圈层属性要素三维分布模型；将地理坐标转换为地心空间三维直角坐标；构建基于LOD的地球空间模型多尺度表达机制；三维可视化；查询地球空间位置；进行三维空间分析。本发明的自动性高、适应性强，能够快速、自动的将包含内外圈层的地球空间实体模型在三维空间中重构出来，以三维可视化的形式在计算机显示屏上展现出来并支持各种专业的空间分析。

主权项

1.一种全空间三维数字地球模型的构建方法，其特征在于：建立基于CGCS2000中国大地坐标系的椭球体地球空间数学模型，依次生成地球表面数字地形模型、地球空间内外圈层几何结构模型和地球空间内外圈层属性要素三维分布模型，然后将这些模型放置到地心空间三维直角坐标系中，建立基于细节层次模型的地球空间模型多尺度表达机制，以三维可视化的形式在计算机显示屏上展现出来并进行专业的三维空间分析；其具体步骤是：步骤1、建立基于CGCS2000中国大地坐标系的椭球体地球空间数学模型基于一个统一的坐标系即CGCS2000中国大地坐标系定义一个统一的椭球体地球空间，以支持地球空间中任意一点的地理坐标即地理纬度φ、地理经度λ、高程H与地心空间三维直角坐标X、Y、Z的相互转换；步骤2、生成基于经纬网格的地球表面剖分网格沿着地球椭球面上的经线和纬线，按照固定的经纬度间隔5°×5°、1°×1°、0.5°×0.5°和0.1°×0.1°，分别对地球椭球体表面进行剖分，生成具有4种细节层次的地球表面网格，统一记为M_grid；步骤3、内插生成地球表面数字高程模型以美国地质调查局开发维护的GTOPO30全球地表数字高程模型中的地形数据集为基本样本点，加入近年新获取的实测地形高程控制点，形成一个散点数据集P_surface，集合了地球表面高程插值拟合的样本数据；使用P_surface中的样本点插值拟合地球表面剖分网格M_grid中各个结点的高程，生成具有4种细节层次即网格间隔分别为5°×5°、1°×1°、0.5°×0.5°和0.1°×0.1°的地球表面数字高程模型，统一记为M_surface；在进行地形插值时，使用距离反比加权法、最邻近点法、自然邻近点法、径向基函数法或克里金法；步骤4、插值拟合地球空间内外圈层几何结构模型地球的内外两个圈层具有明显不同的结构特征和物理化学性质，需要使用不同的模型和方法来拟合各个圈层及其亚层的控制界面和属性参数特征；（1）地球内圈层地球的内圈层可划分为地壳、地幔、地核三个基本圈层，并可进一步细分为若干亚层；基于现有的地球内部圈层分层模型，首先通过内插的方式计算出内圈层控制界面上各个结点的理论高程值，其各个结点与地球表面剖分网格M_grid的结点一一对应；然后在实际观测数据的约束下对理论高程值进行修正，拟合出内圈层控制界面的几何形态；最后将所有的内圈层控制界面自上而下堆叠起来，生成具有4种细节层次即网格间隔分别为5°×5°、1°×1°、0.5°×0.5°和0.1°×0.1°的地球内圈层几何结构模型，统一记为M_{geometry-inner}；由于地球内圈层的顶面即地壳的顶面与地球表面重合，地球内圈层几何结构模型M_{geometry-inner}顶面结点的高程应与地球表面数字高程模型M_surface对应结点的高程完全一致；如果两者不一致，则逐个修改M_{geometry-inner}顶面结点的高程，使其与M_surface对应结点的高程完全相同；（2）地球外圈层根据气温变化及密度情况，地球的外圈层即大气圈自下而上分为对流层、平流层、中间层、热成层、外逸层五个基本圈层，各层结构形态比较简单，层间具有连续的分界面；基于这种大气空间分层模型，通过内插的方式计算出外圈层控制界面上各个结点的理论高程值，其各个结点与地球表面剖分网格M_grid的结点一一对应；然后在实际观测数据的约束下对理论高程值进行修正，拟合出外圈层控制界面的几何形态；最后将所有的外圈层控制界面自上而下堆叠起来，生成具有4种细节层次即网格间隔分别为5°×5°、1°×1°、0.5°×0.5°和0.1°×0.1°的地球外圈层几何结构模型，统一记为M_{geometry-outer}；由于地球外圈层的底面即对流层的底面与地球表面重合，地球外圈层几何结构模型M_{geometry-outer}底面结点的高程应与地球表面数字高程模型M_surface对应结点的高程完全一致；如果两者不一致，则逐个修改M_{geometry-outer}底面结点的高程，使其与M_surface对应结点的高程完全相同；步骤5、生成基于地质晶胞的地球内外圈层三维体元网格对于地球的内圈层，以内圈层几何结构模型M_{geometry-inner}中自上而下堆叠起来的间隔为0.1°×0.1°的正方形网格为空间基准，使用三维空间离散化方法对各个亚层顶面正方形网格和底面正方形网格所围成的空间进行剖分，生成用地质晶胞体元充填的三维实体模型；然后对三维实体模型在纵向上进行细分加密，生成逼近实际控制界面的地球内圈层三维体元网格M_volume-inner；对于地球的外圈层，以外圈层几何结构模型M_{geometry-outer}中自上而下堆叠起来的间隔为0.1°×0.1°的正方形网格为空间基准，使用三维空间离散化方法对各个亚层顶面正方形网格和底面正方形网格所围成的空间进行剖分，生成用地质晶胞体元充填的三维实体模型；然后对三维实体模型在纵向上进行细分加密，生成逼近实际控制界面的地球外圈层三维体元网格M_volume-outer；步骤6、插值拟合地球空间内外圈层属性要素三维分布模型基于现有的地球空间属性要素分布数值模式，首先使用内插的方式计算出地球内外圈层三维体元网格M_volume-inner和M_volume-outer上各个地质晶胞结点的属性要素理论值；然后在实际观测数据的约束下对属性要素理论值进行调整、优化，拟合出各个体元网格位置处的属性要素值，生成地球空间内外圈层属性要素三维分布模型，分别记为M_{property-inner}和M_{property-outer}，以反映各种属性要素在三维地球空间内的变化特征；在进行属性要素插值时，选用距离反比加权法、最邻近点法、自然邻近点法、径向基函数法或克里金法；步骤7、将地理坐标转换为地心空间三维直角坐标按照前述步骤生成的地球表面数字高程模型M_surface、内圈层几何结构模型M_{geometry-inner}、外圈层几何结构模型M_{geometry-outer}、内圈层属性要素三维分布模型M_{property-inner}和外圈层属性要素三维分布模型M_{property-outer}，其几何坐标数据都是基于地理坐标的，将这些地理坐标变换为地心空间三维直角坐标；在CGCS2000中国大地坐标系下，由地理坐标即地理纬度φ、地理经度λ、高程H变换为地心空间三维直角坐标X、Y、Z，由以下公式计算：X= (N+H) cosφcosλ；Y= (N+H) cosφ sinλ；Z= [ N(1-e²)+H ] sinφ；式中：N为东西圆曲率半径，N=a /(1-e²sin²φ)^1/2；a为地球长半轴，a=6378137m； e²为第一偏心率平方，e²=0.00669438002290；使用上述公式，将地球表面数字高程模型M_surface、内圈层几何结构模型M_{geometry-inner}、外圈层几何结构模型M_{geometry-outer}、内圈层属性要素三维分布模型M_{property-inner}和外圈层属性要素三维分布模型M_{property-outer}的几何坐标逐一变换为地心空间三维直角坐标，变换后的模型分别记为M^‘_surface、M^‘_{geometry-inner}、M^‘_{geometry-outer}、M^‘_{property-inner}和M^‘_{property-outer}；步骤8、构建基于细节层次模型的地球空间模型多尺度表达机制经过步骤7坐标变换后的地球空间模型可分为两类：一类是三维矢量模型即M^‘_surface、M^‘_{geometry-inner}和M^‘_{geometry-outer}；一类是三维体元模型即M^‘_{property-inner}和M^‘_{property-outer}；需要使用细节层次模型方法对这些复杂的三维模型进行不同程度的简化，然后存储到服务器端的空间数据库中，通过部署在服务器端的Web服务来处理客户端发送的地球空间模型传输和可视化请求；对于三维矢量模型M^‘_surface、M^‘_{geometry-inner}和M^‘_{geometry-outer}，使用静态LOD方法，在服务器端的空间数据库保存三维矢量模型的4个副本，每一副本对应某一特定的分辨率即网格间隔分别为5°×5°、1°×1°、0.5°×0.5°和0.1°×0.1°，所有副本构成一个金字塔结构；在数据传输和实时显示时，根据当前的场景条件如模型到视点的距离、投影后的模型在图像空间所占的像素面积及光照强弱选用合适的细节层次模型；对于三维体元模型M^‘_{property-inner}和M^‘_{property-outer}，首先在服务器端的空间数据库中保存一个网格间隔为0.1°×0.1°的全细节的体元模型，然后从这个全细节的体元模型出发，使用渐进网格法进行模型简化，在服务器端实时生成不同尺度的低细节程度的模型；步骤9、三维可视化经过步骤8处理后的地球空间模型统一存储在服务器端的空间数据库中；基于Web服务，服务器接收到客户端发送的地球空间模型请求；然后根据客户端提供的空间参数，通过LOD-Rree空间索引进行模型检索，获取特定范围和细节程度的模型数据，然后通过网络渐进传输到客户端；客户端建立数据缓存，在计算机显示器上绘制出地球空间模型，以不同的颜色和亮度代表不同的圈层和属性要素；步骤10、查询地球空间位置在客户端，利用鼠标来查询地球空间任意位置处的空间坐标；由于通过计算机鼠标拾取捕捉到的空间坐标是基于地心空间三维直角坐标系的，而地心空间三维直角坐标不便于理解和交流，故需要将其变换为地理坐标；在CGCS2000中国大地坐标系下，由地心空间三维直角坐标X、Y、Z变换为地理坐标即地理纬度φ、地理经度λ、高程H，由以下公式计算：H=P/cosφ– N；λ=tg^-1(Y/X)；；式中：a为地球长半轴，a=6378137m；b为地球短半径，b=6356752.31414m；N为东西圆曲率半径，N=a /(1-e²sin²φ)^1/2；e²为第一偏心率平方，e²=0.00669438002290；(e’)² = (a² - b²) / b²；P = (X² + Y² )^1/2；θ = tg ^-1 (Za/Pb)；步骤11、进行三维空间分析在客户端，通过鼠标和键盘传统的交互设备对显示器上显示的地球空间模型进行常规的可视化展示与专业的三维分析，包括三维观察、交互定位、属性查询、模型剖切、隧洞开挖、体积量算、虚拟漫游与内外圈层无缝切换。