一種地球重力場數據的四維動態可視化分析方法

2023-05-04 08:39:06 1

專利名稱：一種地球重力場數據的四維動態可視化分析方法
技術領域：
本發明總的來說涉及地球重力場數據動態可視化分析方法，且更加具體地說，涉
及結合時空分析方法、數字圖像分析方法、多維可視化方法等對地球重力場數據進行可視 化及相關分析、理解和預測的方法。
背景技術：
地球重力場是地球上一切生物正常生存的和活動的最基本物理環境，是解釋許多 自然現象的基礎，也是人類在尋求達到更高文明的過程中必須探索的課題。地球重力場是 地球科學、空間技術、資源開發、環境災害、海洋開發等方面的基礎數據。1、地球重力場能反 映地球物質的空間分布、運動和變化，確定地球重力場的精細結構及其時間變化不僅是現 代大地測量的主要科學目標之一，而且也將為現代地球科學解決人類面臨的資源、環境和 災害等緊迫課題提供重要的基礎地球空間信息；2、高精度地球重力場有助於提高空間飛行 器的定位與定軌精度，為降低人造地球衛星的高度提供了可靠的理論與技術支持；3、高精 度地球重力場信息是全球統一的高程基準建設、區域性測繪垂直基準的統一，遠距離高程 控制，陸海、海洋與島嶼高程的高精度聯接的重要基礎數據。同時地球重力場在特殊區域的 定位導航具有特殊意義。 然而地球重力場不像其他可視物體，它是個"看不見，摸不著"但又確確實實"存 在"的物質。結合可視化技術發展地球重力場可視化技術和挖掘地球重力場有用信息具有 非常重要的意義。同時可視化技術大發展也為重力場可視化提供條件。 由於傳統的工作方法，長期以來製圖都是靜態的，我們從野外調查得到的類型圖、 分布圖等資料，或從統計數據描繪為圖形的過程，只稱為圖形化而不可稱為可視化。所謂可 視化，B. P. Buttenfield和W. A. Mackaness認為"可視化是為識別、傳輸和解譯模式或結構 目的而概要地表示信息的過程，它的研究領域包括了創建、組織和理解這表示的計算、認知 和圖形設計方面，表示可以被符號化、圖形化、形象化地解譯，而且區別於那些文字和公式 化的表述"。可視化的特點體現在動態性、交互探究性和多視角與多媒體結構。這裡的動態 性是指具嚴格有時間維信息的動態可視化。 通過設計符合人眼視覺特性的動態符號，可以表示如下三種信息空間定位、重力 場特徵、重力場特徵上的時態變化。前兩者為與時間戳無關的靜態特徵，主要通過動畫技術 加強靜態信息特徵的視覺感受，例如空間定位通常用符號的顏色、明度、密度和結構的變化 來突出描述；重力場特徵可通過符號節奏性變化、節奏變化頻率等來表達。後者才是動態符 號在動態特徵可視化上的真正應用。 具體實現過程中的圖形應用程式設計界面(API)主要包括0penGL和Direct 3D。 0penGL(全寫0pen Graphics Library)是個定義了一個跨程式語言、跨平臺的編程接口的 規格，它用於三維圖象(二維的亦可)。OpenGL是個專業的圖形程序接口，是一個功能強大， 調用方便的底層圖形庫。Direct 3D是基於微軟的通用對象模式COM (Common Object Mode) 的3D圖形API。它是由微軟(Microsoft) —手樹立的3DAPI規範，微軟公司擁有該庫版權，它所有的語法定義包含在微軟提供的程序開發組件的幫助文件、原始碼中。 從目前的國內外文獻中可以發現，地球重力場可視化是一個比較新的研究領域，
其動態可視化是一個重要的發展方向。同時也存在一些問題，比如可視化的內容、可視化的
平臺技術、可視化符號的設計與實現等等。

發明內容
—種地球重力場數據的四維動態可視化分析方法，其特徵在於，實現地球重力場數據的四維動態可視化與分析，該方法主要包括以下步驟 (1)對地球重力場數據進行清洗，即首先對不同機構或部門提供的地球重力場數據進行檢查，檢查內容包括點之記或點號標識、大地諱度、大地經度、高程或大地高、觀測時間、觀測基準和觀測值；其次對檢查後的數據進行基準統一併完成粗差剔除；最後將所有的重力場觀測數據轉換為統一格式的點值數據； (2)面向地球重力場數據的四維動態可視化應用數據集生成，即對步驟(1)中的統一格式的點值數據按不同時間節點進行觀測值時間同步處理，然後對每個時間節點的數據進行格網化處理，並對格網化數據進行時間戳標記，從而生成不同時間節點的地球重力場可視化數據集； (3)地球重力場可視化應用數據集動態顯示，即利用不同的時間節點地球重力場
可視化數據集，通過設置時間步長，對於設置的時間步長所對應的時間戳，沒有相應的觀測
數據，需要完成數據的內插，按照地表的平面位置，採用分層設色的方式，同時採用圖層疊
加的方式，疊加全球地形數據、地理格網數據、國界矢量數據和地名數據，採用0penGL或
Direct3D圖形應用程式設計界面(API)，利用動態地圖符號，實現動態顯示； (4)地球重力場可視化應用數據集的分析及預測，即首先對地球重力場可視化
數據集進一步處理，使之形成滿足不同要求的地球重力場可視化數據子集；其次利用步驟
(3)方法實現對地球重力場可視化數據子集的動態顯示，實現重力場數據的可視化分析過
程；最後對可視化子集數據進行統計分析，分析周期非周期變化規律，選擇合適的擬合函
數，預測後續數據子集的變化規律，並實現動態顯示，完成地球重力場可視化數據子集的可
視化預測。 步驟(2)中，時間步長設置優選不小於1個月。 步驟(3)中，動態顯示方法是在動態符號的視覺變量與實際變化的特徵之間建立映射關係，重力場的時態特徵和變化規律就可由符合動態符號的視覺變量體現出來。
步驟(4)中，對地球重力場可視化數據集進一步處理方法為球諧分析方法或高低通濾波方法。
具體實施例方式
本發明的主要目的在於提供一種完整的地球重力場數據的四維動態可視化分析方法，其能夠形成標準的地球重力場可視化應用數據集，實現多個時間節點的地球重力場可視化應用數據的表徵，為地球重力場觀測數據的相關分析、理解及預測提供必要的途徑和方法。該發明可方便地通過軟體平臺開發實現。
其具體實施方式
如下
1、對地球重力場數據進行清洗； 首先根據不同機構和部分提供的地球重力場數據，按照數據內容是否完整、基準 是否統一、數據格式是否標準等方面，對數據進行檢查；數據檢查的手段採用計算機編程自 動完成，即首先讀取待檢查的重力場數據，按照預先定義的數據檢查要求和內容，對待檢查 的重力場數據逐項進行檢查，檢查後可自動生成一份檢查報告，依據該檢查報告，能夠指導 完成地球重力場數據內容的完善；重力場數據檢查內容一般至少需要包括點之記或點號標 識、點位位置信息(如大地經度、大地緯度、高程)、觀測基準、對應點的觀測值以及觀測時 間；基於檢查合格的地球重力場數據，利用本專業領域熟知的方法進行基準統一處理(基 準統一處理主要包括重力基準，潮汐基準、高程基準與坐標基準等)，生成統一格式的點值 數據。 2、面向地球重力場數據的四維動態可視化應用數據集生成； 在對地球重力場數據清洗的基礎上，根據數據情況完成統一格式點值數據的時間 節點同步處理(本發明所指的同步，即根據重力時變規律，將某一時間測定的點值數據歸 算到另外一時間節點，將許多不同時間測定的點值數據全部歸算為同一時間節點，即完成 了時間節點同步處理)。採用標準的格式轉換技術，即利用數據格式轉換軟體，該軟體可自 行開發，也可以利用商業軟體ArcGIS的Toolbox轉換工具，將所有的重力場數據轉換為統 一格式的格網數據(此過程即為格網化處理)，時間節點可根據數據情況設定，從而生成不 同時間節點的地球重力場可視化數據集，並對轉換格式後的數據進行時間標識，即在數據 的頭文件中完成時間戳的標記。 3、地球重力場可視化應用數據集動態顯示； 地球重力場可視化應用數據集動態顯示的方法為利用不同的時間戳的地球重力 場可視化數據集，通過設置靈活的時間步長，按照地表的平面位置，採用分層設色的方式， 同時疊加全球地形數據(如SRTM數據、ASTER數據燈，這些全球地形數據都是可通過網絡 免費下載，SRTM數據的下載地址http:〃www2. jpl. nasa. gov/srtm， ASTER數據的下載地 址http:〃asterweb. jpl. nasa. gov/gdem. asp)、地理格網數據(對全球進行經諱度劃分， 一般可按照1度X 1度的格網大小)、國界矢量數據和地名數據(這些數據可以到國家基礎 地理信息中心索取)等，採用0penGL或Direct3D圖形應用程式設計界面(API)，利用動態 地圖符號，實現動態顯示。具體方法是在動態符號的視覺變量與實際變化的特徵之間建立 映射關係，重力場的時態特徵和變化規律就可由符合動態符號的視覺變量體現出來，例如 重力場在空間中生存的時間由符號的發生時長表達，位置移動、屬性變化的快慢由符號的 變化速率表達。在上述內容中，有關時間步長的設置，時間步長優選為不小於l個月。如果 設置的時間步長所對應的時間戳，沒有相應的觀測數據，需要完成數據的內插，數據內插的 方法有很多種，如最臨近內插法、雙線性內插法、拉格朗日內插法、高斯-克呂格插值法等。 本發明推薦採用的數據內插的方法為拉格朗日插值方法。任意時間點的地球重力場的觀測 值可由拉格朗日內插計算，具體方法如下
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formula see original document page 6 上式中，P(t)為待插值的重力場觀測值，P(tj)為已知的觀測值。 在上述內容中，重力場在空間表達中生存的時間由符號的發生時長表達，位置移
動、屬性變化的快慢由符號的變化速率表達。 具體方式如下式所示 Disp(i) = f(Data(i)， Sym(j)， time), i = 1， 2， 3…n，表示不同時間節點的時間戳；Sym(j)為設計各種動態符號，j = 1，2，3…k ; f(x，y，z)為一連續函數，用於擬合地球重力場各場量數據。擬合方法可以採用常
見的最小二乘、B樣條曲面擬合方法等，這些方法可參考一些數學類教材。 重力場觀測數據隨時間變化可以通過設計動態地圖符號來可視化表達。靜態地圖
符號設計原則是基於J. Bertin視覺變量體系建立起來的，依據符號的7個視覺變量一一形
狀、尺寸、方向、明度、密度、結構、顏色和位置來設計描述地理實體不同方面的性質特徵。顯
然，為了表達重力場的動態特徵，這一體系是有局限的，或者說它只能描述實體運行過程中
的一個快照或一個斷面，這就需要對地圖符號的變量進行擴展，引入動態特徵描述，可以通
過動態視覺變量——時間變量(包括變化速率、變化次序和節奏等變量)來可視化地表達
地理實體的動態特性。 (1)變化速率(rate of change):變化速率需要藉助於符號的其它靜態視覺變量來表現，描述符號狀態改變的速度，可以反映同一圖像在方向、明度、顏色等方面的變化速度，也可以反映圖像在尺寸、形狀或空間位置上的變化速度。變化速度描述符號"閃爍"的快慢。 (2)變化次序(order):時間是有序的，通過一種類似於二維空間中的前後、鄰接
關係的方式建立時間段之間的先後、相鄰拓撲關係。把符號狀態變化過程中各幀狀態按出
現的時間順序，離散化處理成各幀狀態值，使之漸次出現。它可用於任何有序量的可視化表
達，升序變化對應著特徵的顯著性增強，降序變化對應著特徵的顯著性減弱。 (3)節奏(rhythm):節奏是對符號周期性變化規律的描述，它是由發生時長、變化
速率等變量融合到一起而形成的複合變量，但它又表現出獨立的視覺意義。符號的節奏變
化可以用周期性函數表示。節奏變量主要用於描述周期性變化現象的重複性特徵。 在時間步長的控制下，基於變化速率、變化次序和節奏，可以設計出相應的一組重
力場可視化的動態符號，並加上相應電子地圖手段閃爍、跳躍和亮度變化等反映重力的方
向、大小、空間和時間變化特徵等。 4、地球重力場可視化應用數據集的分析及預測。 對地球重力場可視化數據集進一步處理(進一步處理方法很多，例如可以利用球諧分析方法，高低通濾波方法)，使之形成滿足不同要求的地球重力場可視化數據子集；其次利用步驟(3)方法實現對地球重力場可視化數據子集的動態顯示，通過動態顯示，可以從視覺化的角度觀測地球重力場可視化數據子集的變化規律，從而完成對可視化數據子集的直觀分析；最後對可視化子集數據進行統計分析，分析周期非周期變化規律，選擇合適的 擬合函數，預測後續數據子集的變化規律，並實現動態顯示，這樣可以完成地球重力場可視 化數據子集的可視化預測。例如通過本專業領域熟知的球諧分析方法生成可用於衛星軌道 確定的地球重力場可視化數據子集，並進行數據子集的動態顯示，這樣可以直觀地圖形化 分析其變化規律；同時又可利用統計分析方法提取重力場變化的周期和非周期變化信息， 選擇合適的擬合函數，實現對重力場的變化的預測，並完成動態顯示，從而實現對重力場數 據的圖形化直觀預測。此外，本發明中統一格式的點值數據可根據用戶需要自定義，但需要 包括點號、大地經度、大地緯度、高程或大地高、觀測值、觀測時間。如果收集到的是格網數 據，可以將該格網數據當作點值文件處理，但需標註時間。 本發明中統一格式的格網數據也可以自定義格式，也可借鑑已有格式定義，如 GeoTIFF格式。
權利要求
一種地球重力場數據的四維動態可視化分析方法，其特徵在於，實現地球重力場數據的四維動態可視化與分析，該方法主要包括以下步驟(1)對地球重力場數據進行清洗，即首先對不同機構或部門提供的地球重力場數據進行檢查，檢查內容包括點之記或點號標識、大地緯度、大地經度、高程或大地高、觀測時間、觀測基準和觀測值；其次對檢查後的數據進行基準統一併完成粗差剔除；最後將所有的重力場觀測數據轉換為統一格式的點值數據；(2)面向地球重力場數據的四維動態可視化應用數據集生成，即對步驟(1)中的統一格式的點值數據按不同時間節點進行觀測值時間同步處理，然後對每個時間節點的數據進行格網化處理，並對格網化數據進行時間戳標記，從而生成不同時間節點的地球重力場可視化數據集；(3)地球重力場可視化應用數據集動態顯示，即利用不同的時間節點地球重力場可視化數據集，通過設置時間步長，對於設置的時間步長所對應的時間戳，沒有相應的觀測數據，需要完成數據的內插，按照地表的平面位置，採用分層設色的方式，同時採用圖層疊加的方式，疊加全球地形數據、地理格網數據、國界矢量數據和地名數據，採用OpenGL或Direct3D圖形應用程式設計界面(API)，利用動態地圖符號，實現動態顯示；(4)地球重力場可視化應用數據集的分析及預測，即首先對地球重力場可視化數據集進一步處理，使之形成滿足不同要求的地球重力場可視化數據子集；其次利用步驟(3)方法實現對地球重力場可視化數據子集的動態顯示，實現重力場數據的可視化分析過程；最後對可視化子集數據進行統計分析，分析周期非周期變化規律，選擇合適的擬合函數，預測後續數據子集的變化規律，並實現動態顯示，完成地球重力場可視化數據子集的可視化預測。
2. 根據權利要求1所述的地球重力場數據的四維動態可視化分析方法，其特徵在於， 所述時間步長設置優選不小於1個月。
3. 根據權利要求1所述的地球重力場數據的四維動態可視化分析方法，其特徵在於， 動態顯示方法是在動態符號的視覺變量與實際變化的特徵之間建立映射關係，重力場的時 態特徵和變化規律就可由符合動態符號的視覺變量體現出來。
4. 根據權利要求1所述的地球重力場數據的四維動態可視化分析方法，其特徵在於， 步驟(4)中，對地球重力場可視化數據集進一步處理方法為球諧分析方法或高低通濾波方 法。
全文摘要
面向重力異常、擾動重力、高程異常、垂線偏差、重力梯度等地球重力場測量數據，提供了一種全球重力場可視化分析方法，包括步驟根據不同機構或部門提供的多源地球重力場數據，通過對數據進行清洗，形成標準的地球重力場可視化應用數據集；利用不同時間節點的地球重力場可視化應用數據集，結合全球地形數據，採用四維動態可視化的方法，實現多個時間節點的地球重力場可視化應用數據的表徵。該方法能夠利用大量觀測的原始數據，檢查數據資料的一致性，確定數據資料的可靠性，發現和提出有用異常，為地球重力場數據的相關分析、理解及預測提供必要的途徑和方法。
文檔編號G01V7/00GK101793976SQ20101011305
公開日2010年8月4日 申請日期2010年2月24日 優先權日2010年2月24日
發明者張利明, 洪志剛, 翟亮, 陳利奇 申請人:中國測繪科學研究院