2015年格網(wǎng)模型-GIS理論及方法

1、2015年格網(wǎng)模型-GIS理論及方法第一頁，共102頁。信息發(fā)展需求存在問題？產(chǎn)生背景格網(wǎng)概念與特征0 導(dǎo)言第二頁，共102頁?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)成果統(tǒng)計(jì)1、信息發(fā)展需求數(shù)據(jù)成果分類數(shù)據(jù)量（TB)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)在線數(shù)據(jù)成果16GIS/RS文件數(shù)據(jù)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（Oracle8i+SDE）近線數(shù)據(jù)成果5.1RS文件數(shù)據(jù)庫（ASM近線存儲(chǔ)系統(tǒng)）離線數(shù)據(jù)成果37GIS/RS文件類型（磁帶庫、磁帶機(jī)）合 計(jì)58.1TB。截止到2006年11月初1995年底0.5GB1996年底10GB1998年底200GB2003年底5TB2006年底16TB第三頁，共102頁。時(shí)間數(shù)據(jù)量19950199820032006

2、100GB200GB19961000GB2TB4TB6TB16TB增長快速!11年增長了32000倍增長突發(fā)!1996、1998、2003、20061、信息發(fā)展需求第四頁，共102頁。硬件環(huán)境 1995年和1996年 SUN Diak Array 102(1)，可用存儲(chǔ)空間30GB。1998年 SUN Diak Array 102(1)、SUN A5000(2) 可用存儲(chǔ)空間200GB。1998年 SUN Diak Array 102(1)、SUN A5000(4) 可用存儲(chǔ)空間220GB。2003年 SUN Diak Array 102、SUN A5000(4) 、DELL NAS(1)、

3、STK 9176(1)、D178(1)可用存儲(chǔ)空間9000GB。2006年 SUN A5000(4) 、DELL NAS (1)、DELL SE220(1)、3510(1)、 STK 9176(1)、D178(1)、HDS AMS200(2)可用存儲(chǔ)空間28000GB。增長快速!11年增長了933倍DAS（SCSI）NAS（SCSI）SAN（FC）在線、近線和離線共存1、信息發(fā)展需求第五頁，共102頁?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步迅速地改變著人類生存環(huán)境與交流方式，在經(jīng)濟(jì)、文化、科學(xué)、教育和軍事各領(lǐng)域逐漸出現(xiàn)了一些新的信息需求。 1、信息發(fā)展需求第六頁，共102頁。身居不同地點(diǎn)的多個(gè)人可以在一個(gè)虛擬環(huán)境中相

4、聚，一起討論、交流共同關(guān)心的問題。這個(gè)環(huán)境是互感知的(眼下還是以視、聽為主)和互操作的。這種超越時(shí)空限制的環(huán)境已在虛擬會(huì)場、遠(yuǎn)程教育和異地診斷、治療甚至是手術(shù)等方面獲得較為成功的應(yīng)用。 協(xié)作環(huán)境 (Collaboration Environment) 第七頁，共102頁。綜合集成的概念是上世紀(jì)90年代初智能計(jì)算機(jī)研究受阻的形勢下提出的。在軍事指揮領(lǐng)域，曾寄希望于以智能計(jì)算機(jī)代替人的大腦實(shí)現(xiàn)指揮自動(dòng)化的愿望當(dāng)然也就不可能在可預(yù)見的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。于是提出“走綜合集成之路”的指導(dǎo)思想(錢學(xué)森 1990，王錘 等 1993)。綜合集成有三個(gè)主要特點(diǎn):(1)系統(tǒng)是巨型的;(2)多學(xué)科交叉;(3)人一機(jī)協(xié)作

5、。軍事信息化作戰(zhàn)系統(tǒng) (例如美國的C4ISR系統(tǒng)就是較為成功的一個(gè)，但由于集成度不夠，還有賴于下面談到的網(wǎng)格方法來補(bǔ)救)。在巨系統(tǒng)中提供良好的人機(jī)交互環(huán)境是發(fā)揮人的主導(dǎo)作用的關(guān)鍵在大型指揮決策系統(tǒng)中提供電子地圖、公用態(tài)勢圖、虛擬環(huán)境等可視化的保障能力，成為檢驗(yàn)系統(tǒng)能否實(shí)用的指標(biāo)。作為一個(gè)工程任務(wù)的綜合集成難度非常之大，是因?yàn)樗嵌鄬W(xué)科、多技術(shù)的融合與滲透而不是簡單的設(shè)備和功能的集成;更煩人的是它要觸動(dòng)傳統(tǒng)的管理體制和指揮體系。 綜合集成工程(Meta-synthetic Engineering)第八頁，共102頁。精細(xì)化或精確化是人類認(rèn)識(shí)和改造客觀存在的深化，也是發(fā)展的必然趨勢。精細(xì)農(nóng)業(yè)可以充

6、分利用資源，有效提高產(chǎn)量;精確感知是制定政策和優(yōu)化決策的基礎(chǔ);精確打擊是信息化作戰(zhàn)的重要特色，它以很少的代價(jià)充分發(fā)揚(yáng)火力，有效打擊對(duì)手，減少不必要傷亡;精密工業(yè)則減少能源消耗、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量。精細(xì)化給人類帶來巨大的利益。海量數(shù)據(jù)的快速處理伴隨龐大的科學(xué)工程和精細(xì)、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)計(jì)算任務(wù)的增加，對(duì)高效能計(jì)算機(jī)的需求也日益增長，但巨型計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)總是趕不上需求的增長，同時(shí)分散于各地的中小型計(jì)算機(jī)又因開工不足而大量閑置。如何像電力網(wǎng)一樣充分發(fā)揮計(jì)算資源的作用，是當(dāng)前急需解決的問題? 認(rèn)知和行為的精細(xì)化 第九頁，共102頁。能準(zhǔn)確預(yù)測災(zāi)害(自然災(zāi)害、突發(fā)傳染病、恐怖行為等等)發(fā)生的地點(diǎn)、時(shí)間和趨勢

7、，并有效地組織御防和救護(hù)，是當(dāng)前各國十分關(guān)注的大事。災(zāi)害的全球性趨勢日益明顯，突發(fā)性加大，現(xiàn)有的各種信息系統(tǒng)、定位搜索技術(shù)、防護(hù)裝備和應(yīng)急預(yù)案的制定等準(zhǔn)備工作雖有重大進(jìn)展，但仍然缺少整體的、實(shí)時(shí)的認(rèn)知、指揮和支援的能力。災(zāi)害預(yù)測和防護(hù) 第十頁，共102頁。這些新需求的共同特點(diǎn)是要將正確的信息，在準(zhǔn)確的時(shí)間，精確的地點(diǎn)，傳遞給被確認(rèn)的便用者。具體說，應(yīng)該具備下述的條件:有足夠詳細(xì)度并能及時(shí)更新的信息資源，包括地理空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和多種專題數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng);高效的寬帶網(wǎng)，解決視頻傳輸;基于全球的地理空間坐標(biāo)系(地理基礎(chǔ)框架);準(zhǔn)確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)(授時(shí)系統(tǒng));快速處理海量數(shù)據(jù)的計(jì)算環(huán)境;要求？第十一頁，

8、共102頁。但是我們現(xiàn)有的信息環(huán)境與保障能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這一要求，不論國內(nèi)國外都存在嚴(yán)重的缺陷:由于這5項(xiàng)最基礎(chǔ)性的信息環(huán)境的缺陷，導(dǎo)致全球性信息化建設(shè)進(jìn)程遲緩，煙囪林立，效能低下。下面我們僅以部分實(shí)例來說明現(xiàn)有的信息保障能力與環(huán)境。 2、存在問題？ 從地理空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)到個(gè)部門、行業(yè)、學(xué)科的專題數(shù)據(jù)嚴(yán)重不足，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容陳舊;網(wǎng)絡(luò)功能不強(qiáng)，系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn);沒有全球?yàn)榛A(chǔ)的地理坐標(biāo)系;時(shí)間尺度不一，隱含潛在的危險(xiǎn);計(jì)算能力有限，計(jì)算資源浪費(fèi)嚴(yán)重;第十二頁，共102頁。2002年因特網(wǎng)年會(huì)主題是“因特網(wǎng)的十字路口”。10年來，因特網(wǎng)的技術(shù)與管理之間的矛盾空前尖銳：一方面，它已成為信息的支

9、柱和生活的核心；但另一方面，它又成為混亂動(dòng)蕩的代名詞。因特網(wǎng)面臨的十大難題(Nelson 2002):身份識(shí)別;知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù);個(gè)人隱私保護(hù);新一代IP技術(shù);下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù);無線傳輸技術(shù);電話網(wǎng)和因特網(wǎng)融合技術(shù);視頻傳輸技術(shù);垃圾郵件過濾技術(shù);安全技術(shù)。 實(shí)例 1因特網(wǎng)第十三頁，共102頁。協(xié)調(diào)世界時(shí)民用計(jì)時(shí)的尺度，1972年以來己增加了32個(gè)閏秒。國際原子鐘時(shí)用于科學(xué)目的，比協(xié)調(diào)世界時(shí)快32秒。GPS時(shí)美國全球定位系統(tǒng)采用的時(shí)間尺度。它計(jì)入1980年前的閏秒但不計(jì)1980年后的閏秒，因此GPS對(duì)比協(xié)調(diào)世界時(shí)快13秒，比國際原子鐘慢19秒。 實(shí)例 2時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前我們不是用一種公認(rèn)的方式報(bào)時(shí)，而是

10、有幾種時(shí)間尺度同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，相差可以大到30多秒。因月球引力使地球速度放慢，不能像原子鐘那樣守時(shí)，所以我們的時(shí)鐘不時(shí)地要停1秒(稱為閏秒)，好讓地球趕上。第一個(gè)閏秒出現(xiàn)在1972年，最近增加的第32個(gè)閏秒是1998年12月31日。這說明地球旋轉(zhuǎn)正在逐步放慢的事實(shí)?，F(xiàn)有的幾種時(shí)間尺度:第十四頁，共102頁。美軍的各種對(duì)地觀測系統(tǒng)，特別是各種指控系統(tǒng)各自為政和缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀特別突出，不能互通的各種C3I系統(tǒng)就有128個(gè)。當(dāng)前在軌衛(wèi)星約700個(gè)，一半是美國的，其中110個(gè)為軍用，分別用于導(dǎo)航、通信、測地、偵察、預(yù)警等等，但互不通用。美國通信衛(wèi)星很多，海軍1個(gè)，空軍l個(gè)，國防部3個(gè)，試驗(yàn)衛(wèi)星l個(gè)，各軍

11、兵種之間不能通用，在近年美國發(fā)動(dòng)的兩場戰(zhàn)爭中充分暴露了問題的嚴(yán)重性。實(shí)例 3指揮系統(tǒng)(美軍)第十五頁，共102頁。實(shí)例 3指揮系統(tǒng)(美軍)1、當(dāng)前戰(zhàn)場情報(bào)和各種空間數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理、查詢和檢索功能沒有充分開發(fā)出來。還不能滿足作戰(zhàn)指揮在空間分析、預(yù)測預(yù)報(bào)、決策支持等方面的需求;2、初期的指揮系統(tǒng)尚不能實(shí)時(shí)提供結(jié)論性專題數(shù)據(jù)及結(jié)論性專題圖像，而這些信息對(duì)作戰(zhàn)、指揮的保障是十分重要的。3、由于部門利益和市場利潤的影響，各種系統(tǒng)都有各自的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，都建立自己的軟件體系，它們通用功能相似，專用功能不強(qiáng)，且難于互通和二次開發(fā)。4、戰(zhàn)場態(tài)勢信息和空間信息本質(zhì)上是隨機(jī)的、分散的。它由各地區(qū)各部門來收集和管

12、理，異地互相傳輸、計(jì)算、分析這些資源成為必然的要求。但受目前的計(jì)算能力、網(wǎng)絡(luò)帶寬、數(shù)據(jù)融合技術(shù)的限制，各指揮系統(tǒng)還不能勝任這些工作。第十六頁，共102頁。網(wǎng)格就是在這樣的背景下提出的。它是想用一種術(shù)語來概括信息時(shí)代的一種環(huán)境，一種技術(shù)的也是人文的環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中，多元/源信息可以超越時(shí)/空的限制而為用戶提供最滿意的服務(wù)。它將所有的數(shù)據(jù)、信息與空間地理位置聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)全球數(shù)據(jù)和信息的互連互通，實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)的遠(yuǎn)程互操作。這里的核心問題是一個(gè)為信息化服務(wù)的新環(huán)境或新平臺(tái)，因此起個(gè)什么名稱并不重要。3、產(chǎn)生背景我們?cè)x用過很多術(shù)語來表述一些最重要或最基礎(chǔ)性的東西，如框架(Frame)、基礎(chǔ)設(shè)施(In

13、frastructure)、系統(tǒng)(System)、網(wǎng)絡(luò)(Net)等等，但是為了突出這一新環(huán)境的特點(diǎn)選用了區(qū)別于以往的術(shù)語網(wǎng)格(Grid)。第十七頁，共102頁。地學(xué)領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中，網(wǎng)格的內(nèi)涵和研究內(nèi)容是不同的；計(jì)算機(jī)格網(wǎng)？地學(xué)格網(wǎng)？融合空間信息網(wǎng)格4、網(wǎng)格的概念與特征 第十八頁，共102頁。網(wǎng)格是構(gòu)建在互聯(lián)網(wǎng)上的一組新興技術(shù)，它將高速互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)、大型數(shù)據(jù)庫、傳感器、遠(yuǎn)程設(shè)備等融為一體 網(wǎng)格是一種基礎(chǔ)設(shè)施，資源共享是它的基本特征，而網(wǎng)格計(jì)算是在多個(gè)機(jī)構(gòu)組成的動(dòng)態(tài)虛擬組織（VO，Virtual Organization）間實(shí)現(xiàn)協(xié)作式資源共享和問題求解 計(jì)算機(jī)領(lǐng)域網(wǎng)格第十九頁，共102頁

14、。網(wǎng)格分類計(jì)算網(wǎng)格強(qiáng)調(diào)計(jì)算能力獲取、管理等的網(wǎng)格；數(shù)據(jù)網(wǎng)格強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、傳輸、處理的網(wǎng)格；信息網(wǎng)格強(qiáng)調(diào)信息存儲(chǔ)、管理、傳輸、處理的網(wǎng)格；服務(wù)網(wǎng)格強(qiáng)調(diào)應(yīng)用服務(wù)集成的網(wǎng)格；知識(shí)網(wǎng)格強(qiáng)調(diào)知識(shí)存儲(chǔ)、管理、傳輸、處理的網(wǎng)格；語義網(wǎng)格強(qiáng)調(diào)語義解析的網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)語義互操作；第二十頁，共102頁。知識(shí)網(wǎng)格是一體化的智能知識(shí)處理平臺(tái)，消除知識(shí)孤島 信息網(wǎng)格是一體化的智能信息處理平臺(tái)，消除信息孤島 計(jì)算網(wǎng)格是系統(tǒng)層，為信息網(wǎng)格和知識(shí)網(wǎng)格提供基礎(chǔ)設(shè)施第二十一頁，共102頁。1998年7月 Ian Foster出版GRID專著Blueprint for a New Computing Infrastructure

15、 1.關(guān)于網(wǎng)格2.計(jì)算網(wǎng)格I.應(yīng)用3.分布超級(jí)計(jì)算應(yīng)用4.實(shí)時(shí)廣域分布儀器系統(tǒng)5.數(shù)據(jù)密集計(jì)算6.遙沉浸（Teleimmersion）II.程序設(shè)計(jì)工具7.應(yīng)用性工具8.編譯器、語言、以及數(shù)據(jù)庫9.基于對(duì)象的途徑10.高性能塊件（Commodity）計(jì)算III.服務(wù)11.Globus系統(tǒng)12.高性能調(diào)度器13.高吞吐量的資源管理器14.儀器和測量15.性能分析和可視化16.安全、核算、和確保IV.基礎(chǔ)設(shè)施17.計(jì)算平臺(tái)18.網(wǎng)絡(luò)協(xié)議19.服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量20.操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)界面21.網(wǎng)絡(luò)設(shè)施22.從基礎(chǔ)研究到實(shí)際設(shè)施的測試環(huán)境GRID 網(wǎng)格新型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的藍(lán)圖第二十二頁，共102頁。 在計(jì)算

16、機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，網(wǎng)格計(jì)算（grid computing）把地理上廣泛分布的各種計(jì)算資源互連在一起，形成強(qiáng)大的計(jì)算資源網(wǎng)格計(jì)算 第二十三頁，共102頁。1800 Physicists, 150 Institutes, 32 Countries 100 PB of data by 2010; 50,000 CPUs?An Example Virtual Organization: CERNs Large Hadron Collider第二十四頁，共102頁。地理領(lǐng)域網(wǎng)格？網(wǎng)格通常是指對(duì)地理空間的劃分，有的稱為“地理格網(wǎng)”、“地理網(wǎng)格”、“空間網(wǎng)格”等。第二十五頁，共102頁。地理領(lǐng)域網(wǎng)格？1)基于多面

17、體劃分的地理網(wǎng)格 以整個(gè)地球表面為研究背景的網(wǎng)格劃分一般采用規(guī)則的劃分方式，基本方法是利用球體的內(nèi)接正多面體作為劃分的基礎(chǔ)2)基于地理坐標(biāo)劃分的地理網(wǎng)格 地理坐標(biāo)劃分方法簡單、方便，目前各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法都是基于經(jīng)緯度劃分設(shè)計(jì)的(Sahr，White等 2003)，下圖是采用1010網(wǎng)格對(duì)全球進(jìn)行經(jīng)緯度劃分的示意圖第二十六頁，共102頁。主要內(nèi)容 格網(wǎng)建模方法2 格網(wǎng)應(yīng)用計(jì)算 研究進(jìn)展交流31第二十七頁，共102頁。1、格網(wǎng)建模方法總結(jié)經(jīng)緯度模型多面體模型自適應(yīng)模型三維擴(kuò)展模型第二十八頁，共102頁。經(jīng)緯度模型 經(jīng)緯度格網(wǎng)是應(yīng)用最早的、最常規(guī)的科學(xué)查詢和空間剖分方法之一。它非常符合人們的習(xí)慣（

18、由于以經(jīng)緯度表示的坐標(biāo)系統(tǒng)已被人們廣泛采用），也便于用一般的顯示設(shè)備進(jìn)行制圖或表達(dá)。所以，現(xiàn)存的許多數(shù)據(jù)格式、處理算法和系統(tǒng)軟件大都是以經(jīng)緯度格網(wǎng)為基礎(chǔ)的。第二十九頁，共102頁。地圖投影劃分 一般情況下，地圖的分帶分幅都是以經(jīng)緯度格網(wǎng)框架為基礎(chǔ)進(jìn)行的，而大多數(shù)地圖投影都采用經(jīng)緯度坐標(biāo)作為球面上點(diǎn)位的參數(shù)，來建立與笛卡兒直角坐標(biāo)系相對(duì)應(yīng)的投影方程式。 跨帶之間的裂縫 跨帶換算 第三十頁，共102頁。基本特征 非均勻性從赤道到兩極，經(jīng)緯度格網(wǎng)在面積上的變化越來越大，致使同一層次格網(wǎng)的面積變化不在同一個(gè)量級(jí)上，影響了多分辨率空間數(shù)據(jù)操作的效率和準(zhǔn)確性；且這種面積和形狀變化沒有顧及空間數(shù)據(jù)的密度和大

19、小，必然產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余Sahr et al. 1998；奇異性在兩極地區(qū)第三十一頁，共102頁。 第三十二頁，共102頁。變間隔的經(jīng)緯網(wǎng)模型 剖分名稱研究者文獻(xiàn)來源數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)DTED美國國家圖像制圖局NIMA 2003變間隔經(jīng)緯網(wǎng)剖分挪威學(xué)者，美國加州大學(xué)Bjrke 2003；2004；Duncan 2006等面積經(jīng)緯網(wǎng)剖分Northern Michigan University中科院地理所Seong 2005；Paul 2006；周成虎等2009退化四叉樹中國礦業(yè)大學(xué)（北京）趙學(xué)勝等2007；2009等面積經(jīng)緯網(wǎng)剖分法國學(xué)者 Beckers & Beckers2010等面積經(jīng)緯網(wǎng)剖

20、分美國Simplex, LLC公司Bryan & Lisa 2013四元四邊網(wǎng)武漢大學(xué)Zhou等2013近年來，為了使同一層次經(jīng)緯網(wǎng)單元的面積近似相等（或限制在同一量級(jí)上），一些學(xué)者和應(yīng)用部門采用變間隔的經(jīng)緯網(wǎng)剖分方案：第三十三頁，共102頁。DTED數(shù)據(jù)的格網(wǎng)化分 基本原理是：在緯度不變（3“）的情況下，而經(jīng)度間隔從赤道到兩極逐漸增大，即在緯度:050之間，經(jīng)度間隔為3”；5070之間，間隔為6” ；7075之間，間隔為9”；7580之間，間隔為12”; 8090之間，間隔為18”.第三十四頁，共102頁。變緯度格網(wǎng)劃分Bjrke2003;Duncan 2005 第三十五頁，共102頁。 等

21、面積格網(wǎng)劃分 Seong 2005提出一個(gè)面積完全相等的變間隔經(jīng)緯網(wǎng)剖分方法；第三十六頁，共102頁。等面積格網(wǎng)劃分 直徑最小Paul 2006第三十七頁，共102頁。球面退化四叉樹a. 第一層 b. 第二層 c. 第三層 第三十八頁，共102頁。局部放大圖（a）喜瑪拉雅山脈西端 （b）南極區(qū)域第三十九頁，共102頁。 等面積格網(wǎng)劃分 Beckers & Beckers2010利用類似的經(jīng)緯度調(diào)整的方法實(shí)現(xiàn)了格網(wǎng)面積的近似相等；第四十頁，共102頁。 等面積格網(wǎng)劃分 Bryan & Lisa 2013提出一個(gè)變間隔經(jīng)緯網(wǎng)剖分方法；第四十一頁，共102頁。四元四邊網(wǎng)Zhou等2013針對(duì)退化四叉

22、樹格網(wǎng)格網(wǎng)類型不統(tǒng)一的缺陷（同時(shí)有三角形和四邊形）提出了一種改進(jìn)的格網(wǎng)（Quaternary quadrangle mesh），使全球所有格網(wǎng)均為四邊形。第四十二頁，共102頁。四元四邊網(wǎng)第四十三頁，共102頁。對(duì)比特征 與等經(jīng)緯度格網(wǎng)的方式相比，DTED的格網(wǎng)劃分方式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；Bjrke和Seong的格網(wǎng)雖然保證了絕大多數(shù)格網(wǎng)的面積相等，易于完成基于離散點(diǎn)的表面建模和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，但其格網(wǎng)單元的鄰近關(guān)系變得更加復(fù)雜，不利于空間索引和查詢Sahr et al. 2003。退化四叉樹基本上是球面“正方形”格網(wǎng)，單元大小比經(jīng)緯度格網(wǎng)均勻，便于聚類和統(tǒng)計(jì)分析

23、；具有徑向?qū)ΨQ、方向一致性，便于鄰近搜索和查詢操作；但退化區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但有規(guī)律。近期研究成果體現(xiàn)2個(gè)趨勢 ：1、等面積剖分 ；2、與經(jīng)緯度重合四邊形 第四十四頁，共102頁。自適應(yīng)格網(wǎng) 自適應(yīng)球面格網(wǎng)則是以球面上實(shí)體要素為基礎(chǔ)，并按實(shí)體的某種特征剖分球面單元系統(tǒng)名稱結(jié)構(gòu)模式文獻(xiàn)來源Hipparchus系統(tǒng)Voronoi剖分和TIN結(jié)構(gòu)Lukatela1997；2000MODEAP系統(tǒng)Voronoi剖分Watson 1994; 1998全球海量DEM數(shù)據(jù)的LOD模型Voronoi剖分和TIN結(jié)構(gòu)Kolar2003；2004全球海洋潮汐的流動(dòng)模擬模型Voronoi剖分Gold2000，Mosta

24、favi2004第四十五頁，共102頁。Hipparchus系統(tǒng) Lukatela1987；2000在其開發(fā)的Hipparchus系統(tǒng)中，利用球面Voronoi多邊形剖分（如圖a所示），建立了全球地形TIN模型（如圖b所示）。其中以Voronoi單元來構(gòu)建系統(tǒng)的高效索引機(jī)制，而球面Voronoi生長點(diǎn)（點(diǎn)集）的分布是根據(jù)不同應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)組合的，如數(shù)據(jù)密度分布、系統(tǒng)操作類型和最大最小單元限制等。在Hipparchus系統(tǒng)中，格網(wǎng)單元是根據(jù)實(shí)體數(shù)據(jù)的密度大小進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整的，即自適應(yīng)格網(wǎng)或不規(guī)則格網(wǎng)。第四十六頁，共102頁。（a）全球Voronoi剖分 （b）內(nèi)部TIN 結(jié)構(gòu)第四十七頁，共102頁。特

25、點(diǎn)或不足 基于全球Voronoi剖分的自適應(yīng)格網(wǎng)，比以前的規(guī)則或半規(guī)則剖分格網(wǎng)具有更大的靈活性。其格網(wǎng)的特殊形狀能為規(guī)則格網(wǎng)提供一個(gè)互補(bǔ)的剖分方案。但是，無論怎樣，Voronoi格網(wǎng)是很難進(jìn)行遞歸剖分的。從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上看，在這種不規(guī)則格網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，實(shí)體層次的維持是用顯式定義的實(shí)體關(guān)系而不是空間的遞歸劃分，當(dāng)空間實(shí)體在一個(gè)特定層次上變化時(shí)，這種變化就無法傳遞到鄰近層次。因而，適合單一應(yīng)用，很難進(jìn)行全球海量數(shù)據(jù)的多尺度關(guān)聯(lián)及其他操作。第四十八頁，共102頁。正多面體格網(wǎng)模型20世紀(jì)80年代末，為了有效地管理全球多分辨率空間數(shù)據(jù)，滿足不同的應(yīng)用需求，許多國內(nèi)外學(xué)者開始研究球面正多面體格網(wǎng)模型。基本方法是

26、把球體的內(nèi)接正多面體（正四面體、正六面體、正八面體、正十二面體、正二十面體）的邊投影到球面上作為大圓弧段，形成球面三角形（或四邊形、五邊形、六邊形）的邊覆蓋整個(gè)球面，作為全球剖分的基礎(chǔ)。然后對(duì)球面多邊形進(jìn)行遞歸細(xì)分，形成全球連續(xù)的、近似均勻的球面層次格網(wǎng)結(jié)構(gòu)。第四十九頁，共102頁。參考文獻(xiàn)基正多面體剖分單元轉(zhuǎn)換方法Alborzi & Samet 2000立方體球面三角形等面積投影Dutton 1999正八面體球面三角形直接球面劃分或ZOTGoodchild & Yang 1992正八面體球面三角形Plate Carree白建軍 等 2005，2011正八面體菱形直接球面劃分Bartholdi

27、 & Goldsman 2001正八面體或正二十面體球面三角形直接球面劃分Sahr et al. 2002；2008正二十面體或正八面體菱形不確定趙學(xué)勝等 2002；2005 正八面體球面三角形直接球面劃分侯妙樂等 2008；2009 正八面體球面三角形直接球面劃分Song et al. 2002正二十面體球面三角格網(wǎng)等面積小圓剖分Thuburn 1997正二十面體正六邊形直接球面劃分White et al. 1998正二十面體三角形或正六邊形直接球面劃分Sahr & White 1998正二十面體正六邊形ISEAHeikes et al. 1995扭曲的正二十面體正六邊形直接球面劃分Feke

28、te & Treinish 1990正二十面體球面三角形直接球面劃分袁文 等 2005；2011正二十面體或正八面體三角形EARP賁進(jìn) 等2006；童曉沖 2010正二十面體正六邊形ISEAVince 2006正八面體正六邊形等面積投影Leeuwen & Strebe 2006扭曲的正二十面體球面菱形等面積投影 Holhos & Rosca 2014正八面體球面三角形等面積投影剖分Amiri et al 2013 立方體球面四邊形等面積投影剖分第五十頁，共102頁。格網(wǎng)類型(a)三角型格網(wǎng) (b)菱形格網(wǎng) (c) 六邊形格網(wǎng)正八面體的球面格網(wǎng)單元類型第五十一頁，共102頁。三角形格網(wǎng)球面三角格

29、網(wǎng)具有層次性、近似均勻性和全球統(tǒng)一性特征，是最基本的球面格網(wǎng)。另外，球面三角形格網(wǎng)剖分單元更符合球面特性，尤其是在對(duì)南北兩極問題的處理上；而對(duì)于地學(xué)領(lǐng)域來講，球面三角形格網(wǎng)剖分單元更易于對(duì)地形進(jìn)行單點(diǎn)建模。所以，目前利用球面三角形格網(wǎng)進(jìn)行全球空間數(shù)據(jù)的索引、建模等應(yīng)用最多。但三角格網(wǎng)的幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其最大的缺點(diǎn)是方向的不確定性及不對(duì)稱性。第五十二頁，共102頁。三角形格網(wǎng) (a)32單元 (b)128單元 (c)512單元正八面體的球面層次遞歸剖分第五十三頁，共102頁。菱形格網(wǎng)菱形結(jié)構(gòu)類似正方形格網(wǎng)，要比六邊形或三角形的幾何結(jié)構(gòu)更簡單，具有一致的方向性、徑向?qū)ΨQ和平移相和性；可以直接利用

30、基于平面四叉樹的許多算法，因而在空間操作特別是鄰近搜索方面更容易實(shí)現(xiàn)。另外，由于菱形剖分是嵌套的，可以提供一種用于層級(jí)間數(shù)據(jù)集中與分散的預(yù)測模型（Kalman濾波模型）Huang and Cressie 1997。因而菱形系統(tǒng)也許應(yīng)該被認(rèn)為是最好的多重剖分鋪蓋系統(tǒng)White 2000。第五十四頁，共102頁。菱形格網(wǎng)菱形結(jié)構(gòu)類似正方形格網(wǎng)，要比六邊形或三角形的幾何結(jié)構(gòu)更簡單，具有一致的方向性、徑向?qū)ΨQ和平移相和性；第五十五頁，共102頁。菱形格網(wǎng)第五十六頁，共102頁。六邊形格網(wǎng)不同于菱形和三角格網(wǎng)剖分單元，六邊形剖分單元有著統(tǒng)一的鄰近關(guān)系；六邊形格網(wǎng)鋪蓋的空間覆蓋效率和角度分辨率最高,單元具

31、有鄰接一致性和最大單元兼容性賁進(jìn)等 2006，但是，一般的六邊形剖分不存在嵌套層，即上一級(jí)剖分中的六邊形沒有完全包含下一層次的六邊形。第五十七頁，共102頁。六邊形格網(wǎng)球面不可能只用六邊形將其完全鋪蓋，初始化剖分時(shí)的正多面體頂點(diǎn)就是個(gè)例外。對(duì)于八面體而言，每個(gè)頂點(diǎn)上都有直角多邊形，如圖所示，首次剖分中有12個(gè)六邊形和6個(gè)直角多邊形；而二十面體有12個(gè)五邊形，且隨著格網(wǎng)剖分層次的增加，直角多邊形和五邊形逐漸變小。第五十八頁，共102頁。六邊形格網(wǎng)圖a CI-A4類型的六邊形層次剖分圖b CII-A4類型的六邊形層次剖分圖c A3類型的六邊形層次剖分第五十九頁，共102頁。六邊形格網(wǎng) （a）CI-

32、A4類型 （b）CII-A4類型 （c）A3類型三種剖分形成不同的全球六邊形格網(wǎng)鋪蓋第六十頁，共102頁。六邊形格網(wǎng) 一般的六邊形剖分不存在嵌套層;只有Aperture-7的六邊形剖分才具有嵌套性;盡管A7是一種嵌套剖分，但是由于頂點(diǎn)奇異性的存在，在八面體、二十面體或四面體的表面上，是不可能用A7進(jìn)行六邊形完全覆蓋剖分的。第六十一頁，共102頁。相互關(guān)系分析六邊形剖分鋪蓋是一種雙重鋪蓋，它對(duì)應(yīng)于每一剖分層次的菱形鋪蓋，即菱形的頂點(diǎn)和邊的中點(diǎn)是六邊形的中心，六邊形的頂點(diǎn)是組成菱形的等邊三角形的中心；六邊形與菱形在3個(gè)層次上的對(duì)應(yīng)剖分第六十二頁，共102頁。相互關(guān)系分析菱形格網(wǎng)數(shù)據(jù)可以在任何情況下

33、，轉(zhuǎn)移至對(duì)應(yīng)的六邊形或三角形剖分鋪蓋上，并通過統(tǒng)計(jì)預(yù)測模型來操作交界處的單元。另外，三角格網(wǎng)單元的對(duì)偶是六邊形格網(wǎng)單元，菱形格網(wǎng)單元可以由上下兩個(gè)三角格網(wǎng)單元合并而成。所以，菱形和六邊形格網(wǎng)可以作為三角形格網(wǎng)的擴(kuò)展。第六十三頁，共102頁。總體特征基于正多面體的球面格網(wǎng)具有規(guī)則性、層次性和全球連續(xù)性特征，既有效避免了經(jīng)緯度格網(wǎng)的極點(diǎn)/變形問題），又克服了變間隔經(jīng)緯網(wǎng)和自適應(yīng)TIN格網(wǎng)的層次關(guān)聯(lián)缺陷；從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上看，多面體剖分模型（三角形、菱形和六邊形），而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出（屏幕和地圖）經(jīng)常是長方形的，部分輸入數(shù)據(jù)（如遙感影像）是正方形（柵格）的，這不利于充分利用原有數(shù)據(jù)資源和新舊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的接續(xù)，也

34、不利于多源數(shù)據(jù)之間的集成和實(shí)時(shí)更新。第六十四頁，共102頁。三維擴(kuò)展模型 自適應(yīng)格網(wǎng)專題數(shù)據(jù)(Sanford, 2009)第六十五頁，共102頁。全球退化八叉樹模型 球面退化八叉樹剖分及索引結(jié)構(gòu)余接情、吳立新等 2009；2010；2011(a)(b)0Morton Code (MC)Quadrant Code (QC)Begin bit flag 14Code elements第六十六頁，共102頁。全球退化八叉樹模型 球面退化八叉樹剖分及索引結(jié)構(gòu)余接情、吳立新等 2009；2010；2011第六十七頁，共102頁。球體八叉樹剖分模型 球體八叉樹剖分模型Wang 2014第六十八頁，共102

35、頁。地球圈層空間格網(wǎng)模型 地球圈層空間格網(wǎng)S3G模型曹學(xué)峰 2012第六十九頁，共102頁。地球圈層空間格網(wǎng)模型 地球圈層空間格網(wǎng)S3G模型曹學(xué)峰 2012第七十頁，共102頁。 地球圈層空間格網(wǎng)模型曹學(xué)峰 2012地球圈層空間格網(wǎng)模型第七十一頁，共102頁。主要內(nèi)容 格網(wǎng)建模方法 格網(wǎng)應(yīng)用計(jì)算 研究進(jìn)展交流312第七十二頁，共102頁。2、格網(wǎng)應(yīng)用計(jì)算單一專題應(yīng)用綜合應(yīng)用數(shù)據(jù)索引結(jié)構(gòu)框架平臺(tái)專題應(yīng)用可視化應(yīng)用綜合應(yīng)用第七十三頁，共102頁。 基于人口密度的Voronoi單元剖分Lukatela 1989 人口密度分析第七十四頁，共102頁。 球面插值計(jì)算Watson1988;1994;199

36、8和Brown 1994探討了利用Voronoi圖計(jì)算球面上的插值問題。其中Watson在其開發(fā)的MODEMAP系統(tǒng)主要解決了球面空間的自然鄰近插值，包括：球面距離和面積的計(jì)算、自然鄰近的三角劃分。 Voronoi自然鄰近劃分Watson 1998 第七十五頁，共102頁。 海洋潮汐流動(dòng)模型 (a)海岸線和海洋的動(dòng)態(tài)表達(dá); (b)基于5000個(gè)拓?fù)涫录某毕MMostafavi2004也利用球面Voronoi 自適應(yīng)格網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性特征，構(gòu)建了全球海洋潮汐的流動(dòng)模擬模型。第七十六頁，共102頁?？梢暬瘧?yīng)用 系統(tǒng)名稱開發(fā)應(yīng)用單位文獻(xiàn)來源虛擬行星探索工程VPEP NASAHitchner et

37、al. 1992NPSNET系統(tǒng)美國海軍研究生院Falby et al. 1993Virtual GIS美國喬治亞州技術(shù)學(xué)院Koller et al. 1995TerraVision地形瀏覽器美國SRI公司Reddy et al. 1999Would WindNASA, 2006Google EarthGoogle 2005Vitural EarthMicrosoft 2005第七十七頁，共102頁。 Kolar2003提出一個(gè)類似的格網(wǎng)剖分方案，用于建立全球海量DEM數(shù)據(jù)的LOD模型（如圖所示）基于六邊形地形可視化Ben et al. 2008。全球DEM可視化模型第七十八頁，共102頁。

38、三維可視化地殼溫度Yu et.al 2012第七十九頁，共102頁。地殼板塊Yu et.al 2012 三維可視化第八十頁，共102頁。World Wind World Wind是由NASA阿莫斯研究中心的科研人員開發(fā)的開放源代碼(Open Source)的三維可視化軟件；它可以利用Landsat 7、SRTM、MODIS、GLOBE、Landmark Set等多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，將Landsat衛(wèi)星的圖像和航天飛機(jī)雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，讓用戶體驗(yàn)三維地球遨游的感覺；World Wind用C#編寫，調(diào)用微軟SQL Server影像庫Terrain Server來進(jìn)行全球地形三維顯示；World

39、Wind支持SRTM 地形數(shù)據(jù)和.X三維模型數(shù)據(jù)。第八十一頁，共102頁。EV-Globe EV-Globe是北京國遙新天地信息技術(shù)有限公司開發(fā)的三維海量空間信息平臺(tái)。支持點(diǎn)、線、面、圖片、模型等各類KML三維地標(biāo)，方便的集成Supermap，ArcInfo等主流GIS軟件來進(jìn)行矢量和柵格數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示、查詢、分析等。第八十二頁，共102頁。GeoGlobe 2006年4月武漢武大吉奧公司推出了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下全球海量無縫空間數(shù)據(jù)組織、管理與可視化軟件GeoGlobe。該軟件可以良好支持的數(shù)據(jù)類型有：DEM：中國國家標(biāo)準(zhǔn)地球空間數(shù)據(jù)交換格式DOM、DRG：Erdas Image(*.img) Ge

40、oTiff(*.tif)；Bitmap+DOM (*.bmp) TIF+TFW(*.tif)DLG、地名：ESRI ArcInfor Export Format(*.e00)；ESRI ShapeFile Format(*.shp)；MapInfo Interchange Format(*.mif)中國國家標(biāo)準(zhǔn)地球空間數(shù)據(jù)交換格式CNSDTI-VCT(*.vct)三維模型：GeoModel導(dǎo)出格式G3D(*.g3d) 3DMax導(dǎo)出格式3DS(*.3ds) 主流三維文件格式(D3D 的.X格式、AutoCAD的.dwg格式和Shap3D格式等) 第八十三頁，共102頁。面積計(jì)算多尺度經(jīng)緯度格網(wǎng)

41、的面積計(jì)算Santini et al 2010； 第八十四頁，共102頁。綜合應(yīng)用 系統(tǒng)名稱開發(fā)應(yīng)用單位文獻(xiàn)來源Would WindNASA, 2006Google EarthGoogle 2005Vitural EarthMicrosoft 2005Geo-bean中科院遙感所芮小平等2003；張立強(qiáng)等2004Geo-globe武漢大學(xué) 2008EV-Globe國遙新天地 2010SkyLine美國SupMap超圖公司Arc/GlobeESRI第八十五頁，共102頁。綜合應(yīng)用 To the scientific community, virtual globes such as Google Earth, NASAs World Wind and ArcGIS Explorer are not only tools providing huge volumes of freely available images and 3D views of the Earth,