一种地球重力场数据的三维可视化方法与流程

本发明涉及地理信息处理领域，特别涉及一种地球重力场数据的三维可视化方法。

背景技术：

可视化技术是指运用计算机图形图像处理技术，将复杂的科学现象、自然景观以及十分抽象的概念图形化以便理解现象、发现规律和传播知识。美国自然科学基金会于1987年提出了一份优先支持科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing，VISC)的报告，将以往十几年发展中普遍碰到但概念不十分清晰的这一主题，界定在科学计算可视化的范围内：“可视化是一种将抽象符号转化为几何图形的计算方法，以便研究者能够观察其模拟和计算的过程和结果。科学计算可视化的含义非常广泛，它不仅包括科学计算的可视化，而且包括工程计算数据的可视化、测绘数据的可视化即空间信息的可视化。

空间信息可视化是地理信息系统不可缺少的组成部分，空间信息可视化是运用计算机图形学，地图学和图像处理技术，将空间信息输入、处理、查询、分析以及预测的数据和结果，用符号、图形、图像，结合图表、文字、表格、视频等可视化形式显示，并进行交互处理的理论、方法和技术。

在现代大地测量学发展中，地球重力场的理论与应用研究是最活跃的学科领域之一。地球重力场是反应地球物质分布特征的物理场，制约地球及其空间任何物体的运动，与空间技术发展密切相关。

目前关于针对重力场信息管理的软件国内有总参测绘信息总站开发研制全球重力信息系统(GGFIS)和美国的数据处理软件(GAMIT)，然而这两套软件都侧重于数据处理，仅能生成简单的图形，数据成果的形象表达功能不强大，所以有必要对重力场数据可视化做更深入的研究。

从目前的国内外文献中可以发现，地球重力场可视化是一个比较新的研究领域。重力场数据是一种专题地理信息，与地球的空间分布有较强的相关性，但是又不同于数字高程模型、数字地表模型等表示地形起伏变化的空间尺度数据，因此对于地形数据可视化所用的方法不能适用于重力场数据。

技术实现要素：

鉴于现有方案存在的问题，为了克服上述现有技术方案的不足，本发明提出了一种地球重力场数据的三维可视化方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种地球重力场数据的三维可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：多源重力场数据清洗与融合，形成标准的地球重力场应用数据集；对标准的地球重力场应用数据进行有效的存储、组织和管理，建立图形图像数据的无缝组织和分块组织的存储方式；以及对标准的地球重力场应用数据进行可视化展示，实现重力数据图幅拼接、等值线的绘制及构面。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

提出了重力场数据的三维可视化系统，包括数据组织与管理、重力场数据索引方式，重力场数据文件生成，重力场数据可视化表现形式。能够对用户对重力场数据有个明确的认识。

附图说明

图1为本发明实施例地球重力场数据的三维可视化方法的流程图；

图2为图1中步骤S1的流程图；

图3为图1中步骤过S2的具体流程示意图。

具体实施方式

本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

在本说明书中，下述用于描述本发明原理的各种实施例只是说明，不应该以任何方式解释为限制发明的范围。参照附图的下述描述用于帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本发明的示例性实施例。下述描述包括多种具体细节来帮助理解，但这些细节应认为仅仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员应认识到，在不悖离本发明的范围和精神的情况下，可以对本文中描述的实施例进行多种改变和修改。此外，为了清楚和简洁起见，省略了公知功能和结构的描述。此外，贯穿附图，相同附图标记用于相似功能和操作。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种地球重力场数据的三维可视化方法，研究了重力数据的格式和处理方式，由原始重力场数据生成可视化图形图像文件，即系统的文件格式转换功能，提出了图形图像文件的分块组织问题，及数据调度策略，讨论了数据内插方法及数据切割技术，实现了重力数据图幅拼接、等值线的绘制及构面，最终实现重力数据的显示与应用。

图1示出了本发明实施例地球重力场数据的三维可视化方法的流程图，请参照图1，本方法实施例中的地球重力场数据的三维可视化方法具体包括：

S1、多源重力场数据清洗与融合，形成标准的地球重力场应用数据集；

具体的，根据不同机构或部门提供的多源重力场数据，研究了多源数据的格式和处理方法，形成标准的地球重力场应用数据集。

清洗融合通过多种来源的重力场应用数据，依据地球重力场模型(EGM96)，将重力测量获取得到原始数据经过处理后生成以规则网格形式存储的重力异常数据、垂线偏差数据(包括南北分量和东西分量)。根据数据内容查看是否完整、数据格式是否标准。

重力场数据通常有等值线、数字重力异常模型(包括规则网格和不规则三角网)和数字垂线偏差模型(包括规则格网和不规则三角网)等表示方法。

重力场数据的数学语言描述如下：

对X-Y平面域D进行划分∑之后，得到一个平面区域的集合R＝{r₁，r₂，…，r_n}和定义在R上的一个连续函数F。

z＝f_i(x，y)，i＝1，2，…，m，组成的二元组(∑，F)

若r_i与r_j相邻，则在公共边界处有f_i＝f_j。

我们称数字地形的面为每个f_i函数的图，数字地形的边与节点为每个函数f_i对划分∑的边与节点的约束。

其中“∑”符号是表示平面域的划分结果，F是函数族，即所有f的集合，z表示某点(x，y)处的重力场大小。

S1包括以下具体步骤，如图2所示：

S101连接所需多源数据库并获取相关数据；

具体地，重力场数据特点之一是来源广泛，除了通过传统的陆地及海洋重力加密测量获得的重力测量数据外，还有通过航空、卫星手段测得的重力数据及结合多种数据计算的可供直接使用模型数据、格网化数据，需要连接所需多源数据库并获取相关数据。

S102研究和理解所获得的数据；

具体地，确定在数据库中存储的数据项，对各种来源、类型及应用的重力场源数据进行分类，研究各类数据的内容及属性，研究各类重力场数据的应用。

S103梳理和清洗数据；

具体地，多数据结构也是海量重力场数据的特点之一，重力场信息类型多样，例如离散数据、格网数据等，故无法用一种数据结构表达，其组织与存储也需要不同模式。

S104数据转换和建立数据库结构；

具体地，依据各类数据内容与属性，设计多元重力场信息数据库，以关系数据库为依托对重力场数据进行存储。

S105数据组合；

具体地，合并去除冗余的数据表示，整合不同数据集。

S106建立分析数据集；

具体地，依据各类数据内容与属性，设计多元重力场信息数据库，以关系数据库为依托对重力场数据进行存储。

S2、对标准的地球重力场应用数据进行有效的存储、组织和管理，建立图形图像数据的无缝组织和分块组织的存储方式。

由于空间信息的海量特征，无论哪类数据，如果不进行分割而集中存放，会受到诸多因素的限制，诸如磁盘容量限制、数据维护问题等。为了解决上述问题，常用的方法是按照地图分幅的方式，即按照分块的方式组织数据，从而把每次处理的工作局限在一个较小的范围之内。当需要跨越多块数据时，利用软件功能自动地将一块数据拼接起来。

分块数据的无缝连接主要有两种不同的操作方式，如图3所示：第一种是对数据直接进行读取显示，如作为背景的影像数据；第二种方式是对数据进行必要的处理，如矢量数据，有时对其进行一系列的空间分析，因而要将可视范围内所涉及的数据块进行几何接边与逻辑接边，使可视范围内的数据成为有机的无缝的整体。尤其是对于拓扑型的矢量数据，为了保证拓扑结构的完整性，增加了数据组织和管理的复杂性。因此对图像文件采用分块组织管理，对矢量数据采用无缝组织管理。

无论哪种数据组织方式都要建立索引机制，分块数据组织一般建立分块索引，无缝数据组织空间索引主要时用索引内存中空间实体的筛选，采取格网型空间索引。

具体包括以下步骤：

S201、对于图像文件采用分块组织管理并采用四叉树索引机制；

具体地，分块组织是将某一区域的空间信息按照某种分块方式，分割成多个数据块，以文件或表的形式存放在不同的目录或数据库中。分块的方式主要有：标准经纬度分块、矩形分块和任意区域多边形分块。

标准经纬度分块是根据经纬线将空间数据划分成多个数据块；

矩形分块是按照一定大小的矩形将空间数据划分成多个数据块；

任意区域多边形分块顾名思义就是按任意多边形将空间数据划分为多个数据块。

四叉树索引机制是将地理空间递归划分为不同层次的树结构。它将已知范围的空间等分成四个相等的子空间，如此递归下去，直至树的层次达到一定深度或者满足某种要求后停止分割。

对图像文件采用分块组织管理基于颜色映射图像文件的生成。

空间信息可视化的一个重要手段就是将空间数据生成彩色图像，其主要技术手段就是用颜色来表达空间数据的数量与质量特征，即在颜色与要素特征(地理数据)之间建立一一对应的映射关系。此图像是对地理空间现象的科学表达。

S202、对于矢量数据采用无缝组织管理采用网格型空间索引机制；

具体地，无缝组织管理是将空间实体完整地保存在文件中，当进行检索查询时将处于可视范围内的空间实体全部读出显示，再进行检索与空间分析，由于这种组织管理方式不存在逻辑接边问题，因而操作效率大大提高。

网格型空间索引机制是将研究区域用横竖线条划分大小相等或不等的格网，对格网进行编码，并且记录每一个格网所包含的空间实体。

对于矢量数据采用无缝组织管理等值线文件的生成。

等值线图是一种应用极广的图形，它是二维平面上把一种空间分布现象中具有相同数值的点连接而成的图形。根据数据源情况本发明采用的等值线生成方法是基于规则网格的。

等值线生成的理论基础如下：

在等值线分析中，一般我们这样描述那些已知的数据点：

P(x，y，value)

其中x为点P的x坐标值，y为点P的y坐标值，value为这一点上的属性值。等值线生成程序的理论基础是计算机图形学的空间插值理论，其基本假设是：空间位置上越靠近的点，越有可能具有相似的特征值；而距离越远的点，其特征值相似的可能性越小。并认为这些特征值的空间变化是平滑的，且服从某种分布概率和统计稳定性关系。

S3、对标准的地球重力场应用数据进行可视化展示，实现重力数据图幅拼接、等值线的绘制及构面。

由于重力异常、高程异常和垂线偏差等重力场数据类型均采用格网形式组织数据文件。格网通常以等间隔经纬线进行划分，进行图幅数据的拼接所需要参考的数据种类有：重力网格覆盖分辨率、所使用比例尺大小的图幅经纬度范围、图幅编号。找到对应经纬度范围的不同图片进行拼接。

等值线构面，重力异常、高程异常和垂线偏差的值是相对于某一点的，但在实际适用时是针对某区域的，因此需要由等值线构成区域，以面域的形式显示给用户。

前面的附图中所描绘的进程或方法可通过包括硬件(例如，电路、专用逻辑等)、固件、软件(例如，被承载在非瞬态计算机可读介质上的软件)，或两者的组合的处理逻辑来执行。虽然上文按照某些顺序操作描述了进程或方法，但是，应该理解，所描述的某些操作能以不同顺序来执行。此外，可并行地而非顺序地执行一些操作。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。