一种在数字地球软件平台上模拟和显示全球地壳结构的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及地球空间信息技术领域中的数字地球技术，具体地说是一种在数字地 球软件平台上模拟和显示全球地壳结构信息的方法，该方法针对全球地壳内部结构信息进 行处理，能够解决在数字地球软件平台上模拟、显示和分析全球地壳内部结构过程中所遇 到的各种难题。
【背景技术】
[0002] 作为地球固体圈层的最外层，地壳是联系、参与和控制大气圈与地球深部交互过 程的关键一环。在全球尺度上，地壳具有相对复杂的形态结构与物质组成。地壳内部各个 亚层的物质组成与形态结构变化，显著地影响着地球磁场与重力场的空间变化。全球尺度 的地壳结构信息有着非常广泛的应用。近年来，学术界提出了一系列不同细节层次的全球 地壳结构模型，如3SMAC、CRUST 5. UCRUST 2.0、CRUST 1.0以及LITH01.0。其中，应用最 为广泛的是CRUST 5. 1及其派生的CRUST 2. 0和CRUST 1. 0。这些全球地壳结构模型对理 解和界定全球地幔结构地震层析成像、壳幔物质循环以及区域地震监测都具有重要意义。
[0003] 目前，常见的全球地壳模型多是以计算机程序和数据文件的形式进行表达和分 发，如：CRUST 5. UCRUST 2.0和CRUST 1.0均提供Fortran源程序和明码格式的模型文件 (XYZ文件）供用户使用。基于这些程序和模型文件，用户需开发专用的计算机程序或系统 进行后续的显示与分析。这种模型提供方式非常适合于地球科学家（特别是地质学家和地 球物理学家）将全球地壳模型应用于专业的地质与地球物理研宄。然而，随着人类对全球 变化的深入研宄，越来越多的人群（包括大气科学家、教育学家、政府管理人员甚至社会公 众）对地壳的结构与组成产生了兴趣。他们不仅需要详细精确的全球地壳模型，而且对地 壳模型的可视化表达与分发提出了更高的要求。他们希望能用直观、形象的三维图形图像 来表达地壳单元的空间分布特征及其内部属性特征的空间分布规律，实现地壳结构从二维 表达形式向三维甚至四维表达形式的升华，将以往仅仅蕴涵于地球科学家脑海中的地壳结 构，直观、形象的展现在地质工作者、研宄学习者乃至非地质专业的社会公众面前。这不仅 能使地球科学家在研宄过程中非常容易的表达、评估、验证、修改和迭代自己建立的地壳模 型，而且能够在地壳模型上进行定量的可视化空间分析和专业应用，最大限度的增强地质 分析的直观性和准确性，做出符合全球地壳分布规律的地质与地球物理应用，为深入研宄 与表达大气圈与地球深部交互活动提供依据。显然，传统的使用计算机源程序或数据文件 来表达全球地壳模型的方法，很难满足这些应用的需要。因此，亟需开发一个更为友好、通 用的方式来表达和分析全球尺度的地壳模型。
[0004] 近20年来，"数字地球"科学概念的提出以及地理信息系统、计算机网络、三维可视 化等应用技术的发展，为全球地壳模型的可视化表达提供了新的机遇。特别是近10年来， 数字地球技术飞速发展，涌现出了以Google Earth为代表的一系列技术成熟、功能强大的 数字地球软件平台。这些数字地球平台，不仅可用于浏览、分析全球范围内的地理位置、地 形地貌和遥感影像，还可作为集成、展示和分析地球空间模型的基础平台。近年来，学术界 开展了在数字地球平台中进行三维地球空间信息模拟与可视化方面的探索。一些研宄和应 用表明：以Google Earth为代表的数字地球平台，具有"界面友好、通用、直观，模型交互性 强、可视化效果好"的优点，它们为地球空间信息的模拟与可视化表达提供了新的技术手段 和支撑平台。但是，现有的研宄工作仅涉及特定专业地学数据和局部区域地下模型的可视 化，尚未涉及全球尺度的地壳模型的模拟与可视化，这在一定程度上限制了数字地球技术 在地球科学应用中的作用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种在数字地球软件平台上模拟和显示全球地壳结构的方 法，用于在一个统一的地球空间框架内管理、模拟、可视化以及集成、共享全球地壳及其内 部各个亚层的空间位置和属性信息。该方法能够快速、自动的将全球地壳及其内部各个亚 层的空间位置和形态结构在三维空间中重构出来，并加载到数字地球软件平台上进行可视 化及查询、分析。
[0006] 本发明在CRUST 1.0全球地壳模型（简称CRUST 1.0)的基础上重构全球地壳结 构。CRUST I. 0是美国加利福尼亚大学地球物理学与行星物理学研宄所的Laske Gabi等人 于2013年7月发布的全球地壳模型。CRUST I. 0融合了最新的全球数字地形、海水深度、冰 层厚度、沉积物厚度和地壳厚度数据，有望成为今后一段时间内容最为详尽、应用最为广泛 的全球地壳模型。CRUST 1.0在水平方向上将全球划分为64800个Γ ΧΓ的经炜网格 单元。在纵向上，每个网格单元包括8个地球物理层（即亚层），分别为：水层（water);冰 层（ice);上沉积层（upper sediments);中沉积层（middle sediments);下沉积层（lower sediments);上地壳（upper crust);中地壳（middle crust)和下地壳（lower crust)。 CRUST 1.0提供了各个亚层的几何边界和物理属性信息（密度P、压缩波速Vp和剪切波速 Vs)，用来尽量精确的刻画地壳内部各个地球物理层的几何结构特征以及属性参数的空间 变化规律。
[0007] 本发明要解决的技术问题可分解为三个方面：要解决全球地壳网格单元空间位置 与属性信息获取问题；要解决地壳网格单元顶面模型和地壳内部地球物理层三维实体模型 的重构问题；要解决全球地壳模型的多尺度表达问题。
[0008] 本发明所采用的具体技术方案是：一种在数字地球软件平台上模拟和显示全球地 壳结构的方法，该方法首先从CRUST I. 0全球地壳模型中导出全球地壳网格单元的空间位 置与属性信息，接着将地壳网格组织成KML (Keyhole Markup Language)格式的地壳网格单 元顶面模型及其内部地球物理层三维实体模型，然后构建基于L0D(Level of detail，细节 层次模型）的全球地壳模型多尺度表达机制，最后将这些模型加载到数字地球软件平台中 进行三维可视化及查询、分析操作。
[0009] 本发明的具体工作步骤如下：
[0010] 第一步从CRUST 1.0中导出地壳网格单元的空间位置与属性信息
[0011] 首先从CRUST 1.0中导出各个地壳网格单元及其内部各个地球物理层的空间位 置与属性信息，为后续的模型生成与可视化提供初始数据。
[0012] 对于每个Γ ΧΓ的地壳网格单元，需要从CRUST 1. 0中导出其中心点坐标（经 度和炜度）、网格单元内部各层的平均厚度和平均属性（密度P、压缩波速Vp和剪切波速 Vs)，统一存储到一个文件中，记作"地壳网格单元信息表"。
[0013] 对于地壳网格内部的各个地球物理层，本发明使用六面体模型进行表达。因此，需 要从CRUST I. 0中导出构建六面体的8个结点的三维坐标（经度、炜度和高程），以及各个 结点位置的物理属性信息（P、\和V s)，统一存储到一个文件中，记作"地壳网格结点信息 表"。
[0014] 第二步生成地壳网格单元顶面模型
[0015] 本发明使用KML多边形地标元素（〈Placemark〉）来