CN101793976A - 一种地球重力场数据的四维动态可视化分析方法 - Google Patents

Abstract

面向重力异常、扰动重力、高程异常、垂线偏差、重力梯度等地球重力场测量数据，提供了一种全球重力场可视化分析方法，包括步骤：根据不同机构或部门提供的多源地球重力场数据，通过对数据进行清洗，形成标准的地球重力场可视化应用数据集；利用不同时间节点的地球重力场可视化应用数据集，结合全球地形数据，采用四维动态可视化的方法，实现多个时间节点的地球重力场可视化应用数据的表征。该方法能够利用大量观测的原始数据，检查数据资料的一致性，确定数据资料的可靠性，发现和提出有用异常，为地球重力场数据的相关分析、理解及预测提供必要的途径和方法。

Description

一种地球重力场数据的四维动态可视化分析方法

技术领域

本发明总的来说涉及地球重力场数据动态可视化分析方法，且更加具体地说，涉及结合时空分析方法、数字图像分析方法、多维可视化方法等对地球重力场数据进行可视化及相关分析、理解和预测的方法。

背景技术

地球重力场是地球上一切生物正常生存的和活动的最基本物理环境，是解释许多自然现象的基础，也是人类在寻求达到更高文明的过程中必须探索的课题。地球重力场是地球科学、空间技术、资源开发、环境灾害、海洋开发等方面的基础数据。1、地球重力场能反映地球物质的空间分布、运动和变化，确定地球重力场的精细结构及其时间变化不仅是现代大地测量的主要科学目标之一，而且也将为现代地球科学解决人类面临的资源、环境和灾害等紧迫课题提供重要的基础地球空间信息；2、高精度地球重力场有助于提高空间飞行器的定位与定轨精度，为降低人造地球卫星的高度提供了可靠的理论与技术支持；3、高精度地球重力场信息是全球统一的高程基准建设、区域性测绘垂直基准的统一，远距离高程控制，陆海、海洋与岛屿高程的高精度联接的重要基础数据。同时地球重力场在特殊区域的定位导航具有特殊意义。

然而地球重力场不像其他可视物体，它是个“看不见，摸不着”但又确确实实“存在”的物质。结合可视化技术发展地球重力场可视化技术和挖掘地球重力场有用信息具有非常重要的意义。同时可视化技术大发展也为重力场可视化提供条件。

由于传统的工作方法，长期以来制图都是静态的，我们从野外调查得到的类型图、分布图等资料，或从统计数据描绘为图形的过程，只称为图形化而不可称为可视化。所谓可视化，B.P.Buttenfield和W.A.Mackaness认为“可视化是为识别、传输和解译模式或结构目的而概要地表示信息的过程，它的研究领域包括了创建、组织和理解这表示的计算、认知和图形设计方面，表示可以被符号化、图形化、形象化地解译，而且区别于那些文字和公式化的表述”。可视化的特点体现在动态性、交互探究性和多视角与多媒体结构。这里的动态性是指具严格有时间维信息的动态可视化。

通过设计符合人眼视觉特性的动态符号，可以表示如下三种信息：空间定位、重力场特征、重力场特征上的时态变化。前两者为与时间戳无关的静态特征，主要通过动画技术加强静态信息特征的视觉感受，例如空间定位通常用符号的颜色、明度、密度和结构的变化来突出描述；重力场特征可通过符号节奏性变化、节奏变化频率等来表达。后者才是动态符号在动态特征可视化上的真正应用。

具体实现过程中的图形应用程序设计界面(API)主要包括OpenGL和Direct 3D。OpenGL(全写Open Graphics Library)是个定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口的规格，它用于三维图象(二维的亦可)。OpenGL是个专业的图形程序接口，是一个功能强大，调用方便的底层图形库。Direct 3D是基于微软的通用对象模式COM(Common Object Mode)的3D图形API。它是由微软(Microsoft)一手树立的3DAPI规范，微软公司拥有该库版权，它所有的语法定义包含在微软提供的程序开发组件的帮助文件、源代码中。

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，其动态可视化是一个重要的发展方向。同时也存在一些问题，比如可视化的内容、可视化的平台技术、可视化符号的设计与实现等等。

发明内容

一种地球重力场数据的四维动态可视化分析方法，其特征在于，实现地球重力场数据的四维动态可视化与分析，该方法主要包括以下步骤：

(1)对地球重力场数据进行清洗，即首先对不同机构或部门提供的地球重力场数据进行检查，检查内容包括点之记或点号标识、大地纬度、大地经度、高程或大地高、观测时间、观测基准和观测值；其次对检查后的数据进行基准统一并完成粗差剔除；最后将所有的重力场观测数据转换为统一格式的点值数据；

(2)面向地球重力场数据的四维动态可视化应用数据集生成，即对步骤(1)中的统一格式的点值数据按不同时间节点进行观测值时间同步处理，然后对每个时间节点的数据进行格网化处理，并对格网化数据进行时间戳标记，从而生成不同时间节点的地球重力场可视化数据集；

(3)地球重力场可视化应用数据集动态显示，即利用不同的时间节点地球重力场可视化数据集，通过设置时间步长，对于设置的时间步长所对应的时间戳，没有相应的观测数据，需要完成数据的内插，按照地表的平面位置，采用分层设色的方式，同时采用图层叠加的方式，叠加全球地形数据、地理格网数据、国界矢量数据和地名数据，采用OpenGL或Direct3D图形应用程序设计界面(API)，利用动态地图符号，实现动态显示；

(4)地球重力场可视化应用数据集的分析及预测，即首先对地球重力场可视化数据集进一步处理，使之形成满足不同要求的地球重力场可视化数据子集；其次利用步骤(3)方法实现对地球重力场可视化数据子集的动态显示，实现重力场数据的可视化分析过程；最后对可视化子集数据进行统计分析，分析周期非周期变化规律，选择合适的拟合函数，预测后续数据子集的变化规律，并实现动态显示，完成地球重力场可视化数据子集的可视化预测。

步骤(2)中，时间步长设置优选不小于1个月。

步骤(3)中，动态显示方法是在动态符号的视觉变量与实际变化的特征之间建立映射关系，重力场的时态特征和变化规律就可由符合动态符号的视觉变量体现出来。

步骤(4)中，对地球重力场可视化数据集进一步处理方法为球谐分析方法或高低通滤波方法。

具体实施方式

本发明的主要目的在于提供一种完整的地球重力场数据的四维动态可视化分析方法，其能够形成标准的地球重力场可视化应用数据集，实现多个时间节点的地球重力场可视化应用数据的表征，为地球重力场观测数据的相关分析、理解及预测提供必要的途径和方法。该发明可方便地通过软件平台开发实现。

其具体实施方式如下：

1、对地球重力场数据进行清洗；

首先根据不同机构和部分提供的地球重力场数据，按照数据内容是否完整、基准是否统一、数据格式是否标准等方面，对数据进行检查；数据检查的手段采用计算机编程自动完成，即首先读取待检查的重力场数据，按照预先定义的数据检查要求和内容，对待检查的重力场数据逐项进行检查，检查后可自动生成一份检查报告，依据该检查报告，能够指导完成地球重力场数据内容的完善；重力场数据检查内容一般至少需要包括点之记或点号标识、点位位置信息(如大地经度、大地纬度、高程)、观测基准、对应点的观测值以及观测时间；基于检查合格的地球重力场数据，利用本专业领域熟知的方法进行基准统一处理(基准统一处理主要包括重力基准，潮汐基准、高程基准与坐标基准等)，生成统一格式的点值数据。

2、面向地球重力场数据的四维动态可视化应用数据集生成；

在对地球重力场数据清洗的基础上，根据数据情况完成统一格式点值数据的时间节点同步处理(本发明所指的同步，即根据重力时变规律，将某一时间测定的点值数据归算到另外一时间节点，将许多不同时间测定的点值数据全部归算为同一时间节点，即完成了时间节点同步处理)。采用标准的格式转换技术，即利用数据格式转换软件，该软件可自行开发，也可以利用商业软件ArcGIS的Toolbox转换工具，将所有的重力场数据转换为统一格式的格网数据(此过程即为格网化处理)，时间节点可根据数据情况设定，从而生成不同时间节点的地球重力场可视化数据集，并对转换格式后的数据进行时间标识，即在数据的头文件中完成时间戳的标记。

3、地球重力场可视化应用数据集动态显示；

地球重力场可视化应用数据集动态显示的方法为：利用不同的时间戳的地球重力场可视化数据集，通过设置灵活的时间步长，按照地表的平面位置，采用分层设色的方式，同时叠加全球地形数据(如SRTM数据、ASTER数据灯，这些全球地形数据都是可通过网络免费下载，SRTM数据的下载地址：http://www2.jpl.nasa.gov/srtm，ASTER数据的下载地址：http://asterweb.jpl.nasa.gov/gdem.asp)、地理格网数据(对全球进行经纬度划分，一般可按照1度×1度的格网大小)、国界矢量数据和地名数据(这些数据可以到国家基础地理信息中心索取)等，采用OpenGL或Direct3D图形应用程序设计界面(API)，利用动态地图符号，实现动态显示。具体方法是：在动态符号的视觉变量与实际变化的特征之间建立映射关系，重力场的时态特征和变化规律就可由符合动态符号的视觉变量体现出来，例如重力场在空间中生存的时间由符号的发生时长表达，位置移动、属性变化的快慢由符号的变化速率表达。在上述内容中，有关时间步长的设置，时间步长优选为不小于1个月。如果设置的时间步长所对应的时间戳，没有相应的观测数据，需要完成数据的内插，数据内插的方法有很多种，如最临近内插法、双线性内插法、拉格朗日内插法、高斯-克吕格插值法等。本发明推荐采用的数据内插的方法为拉格朗日插值方法。任意时间点的地球重力场的观测值可由拉格朗日内插计算，具体方法如下：

$P\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}\frac{P\left(t_j\right)\×\underset{\underset{i\≠j}{i=1}}{\overset{8}{\mathrm{\Π}}}(t-t_i)}{\underset{\underset{i\≠j}{i=1}}{\overset{8}{\mathrm{\Π}}}(t_j-t_i)}$

上式中，P(t)为待插值的重力场观测值，P(t_j)为已知的观测值。

在上述内容中，重力场在空间表达中生存的时间由符号的发生时长表达，位置移动、属性变化的快慢由符号的变化速率表达。

具体方式如下式所示：

Disp(i)＝f(Data(i)，Sym(j)，time)，i＝1，2，3…n，表示不同时间节点的时间戳；Sym(j)为设计各种动态符号，j＝1，2，3…k；

f(x，y，z)为一连续函数，用于拟合地球重力场各场量数据。拟合方法可以采用常见的最小二乘、B样条曲面拟合方法等，这些方法可参考一些数学类教材。

重力场观测数据随时间变化可以通过设计动态地图符号来可视化表达。静态地图符号设计原则是基于J.Bertin视觉变量体系建立起来的，依据符号的7个视觉变量一一形状、尺寸、方向、明度、密度、结构、颜色和位置来设计描述地理实体不同方面的性质特征。显然，为了表达重力场的动态特征，这一体系是有局限的，或者说它只能描述实体运行过程中的一个快照或一个断面，这就需要对地图符号的变量进行扩展，引入动态特征描述，可以通过动态视觉变量——时间变量(包括变化速率、变化次序和节奏等变量)来可视化地表达地理实体的动态特性。

(1)变化速率(rate of change)：变化速率需要借助于符号的其它静态视觉变量来表现，描述符号状态改变的速度，可以反映同一图像在方向、明度、颜色等方面的变化速度，也可以反映图像在尺寸、形状或空间位置上的变化速度。变化速度描述符号“闪烁”的快慢。

(2)变化次序(order)：时间是有序的，通过一种类似于二维空间中的前后、邻接关系的方式建立时间段之间的先后、相邻拓扑关系。把符号状态变化过程中各帧状态按出现的时间顺序，离散化处理成各帧状态值，使之渐次出现。它可用于任何有序量的可视化表达，升序变化对应着特征的显著性增强，降序变化对应着特征的显著性减弱。

(3)节奏(rhythm)：节奏是对符号周期性变化规律的描述，它是由发生时长、变化速率等变量融合到一起而形成的复合变量，但它又表现出独立的视觉意义。符号的节奏变化可以用周期性函数表示。节奏变量主要用于描述周期性变化现象的重复性特征。

在时间步长的控制下，基于变化速率、变化次序和节奏，可以设计出相应的一组重力场可视化的动态符号，并加上相应电子地图手段：闪烁、跳跃和亮度变化等反映重力的方向、大小、空间和时间变化特征等。

4、地球重力场可视化应用数据集的分析及预测。

对地球重力场可视化数据集进一步处理(进一步处理方法很多，例如可以利用球谐分析方法，高低通滤波方法)，使之形成满足不同要求的地球重力场可视化数据子集；其次利用步骤(3)方法实现对地球重力场可视化数据子集的动态显示，通过动态显示，可以从视觉化的角度观测地球重力场可视化数据子集的变化规律，从而完成对可视化数据子集的直观分析；最后对可视化子集数据进行统计分析，分析周期非周期变化规律，选择合适的拟合函数，预测后续数据子集的变化规律，并实现动态显示，这样可以完成地球重力场可视化数据子集的可视化预测。例如通过本专业领域熟知的球谐分析方法生成可用于卫星轨道确定的地球重力场可视化数据子集，并进行数据子集的动态显示，这样可以直观地图形化分析其变化规律；同时又可利用统计分析方法提取重力场变化的周期和非周期变化信息，选择合适的拟合函数，实现对重力场的变化的预测，并完成动态显示，从而实现对重力场数据的图形化直观预测。此外，本发明中统一格式的点值数据可根据用户需要自定义，但需要包括点号、大地经度、大地纬度、高程或大地高、观测值、观测时间。如果收集到的是格网数据，可以将该格网数据当作点值文件处理，但需标注时间。

本发明中统一格式的格网数据也可以自定义格式，也可借鉴已有格式定义，如GeoTIFF格式。

Claims (4)

1.一种地球重力场数据的四维动态可视化分析方法，其特征在于，实现地球重力场数据的四维动态可视化与分析，该方法主要包括以下步骤：

(1)对地球重力场数据进行清洗，即首先对不同机构或部门提供的地球重力场数据进行检查，检查内容包括点之记或点号标识、大地纬度、大地经度、高程或大地高、观测时间、观测基准和观测值；其次对检查后的数据进行基准统一并完成粗差剔除；最后将所有的重力场观测数据转换为统一格式的点值数据；

(2)面向地球重力场数据的四维动态可视化应用数据集生成，即对步骤(1)中的统一格式的点值数据按不同时间节点进行观测值时间同步处理，然后对每个时间节点的数据进行格网化处理，并对格网化数据进行时间戳标记，从而生成不同时间节点的地球重力场可视化数据集；

(3)地球重力场可视化应用数据集动态显示，即利用不同的时间节点地球重力场可视化数据集，通过设置时间步长，对于设置的时间步长所对应的时间戳，没有相应的观测数据，需要完成数据的内插，按照地表的平面位置，采用分层设色的方式，同时采用图层叠加的方式，叠加全球地形数据、地理格网数据、国界矢量数据和地名数据，采用OpenGL或Direct3D图形应用程序设计界面(API)，利用动态地图符号，实现动态显示；

(4)地球重力场可视化应用数据集的分析及预测，即首先对地球重力场可视化数据集进一步处理，使之形成满足不同要求的地球重力场可视化数据子集；其次利用步骤(3)方法实现对地球重力场可视化数据子集的动态显示，实现重力场数据的可视化分析过程；最后对可视化子集数据进行统计分析，分析周期非周期变化规律，选择合适的拟合函数，预测后续数据子集的变化规律，并实现动态显示，完成地球重力场可视化数据子集的可视化预测。

2.根据权利要求1所述的地球重力场数据的四维动态可视化分析方法，其特征在于，所述时间步长设置优选不小于1个月。

3.根据权利要求1所述的地球重力场数据的四维动态可视化分析方法，其特征在于，动态显示方法是在动态符号的视觉变量与实际变化的特征之间建立映射关系，重力场的时态特征和变化规律就可由符合动态符号的视觉变量体现出来。

4.根据权利要求1所述的地球重力场数据的四维动态可视化分析方法，其特征在于，步骤(4)中，对地球重力场可视化数据集进一步处理方法为球谐分析方法或高低通滤波方法。