CN114627258B - 一种重力场双体球同构建模方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重力场双体球同构建模方法与系统，具体涉及双体球建模技术领域，包括以下步骤：S1、获取重力场数据，获取全球切片数据；S2、构建双体球内核模型；一种重力场双体球同构建模方法的系统，包括：数据获取模块、地球体模型构建模块、重力场球体模型构建模块、重力场双体球可视化模块。本发明：可以对全球范围多种格式的重力场数据进行快速三维建模，在开源的基础上实现地球体和重力场球体的三维高效叠加显示，在不影响重力场数据表达效果的基础上正常显示地球体模型，占用内存小、传输快、效率高。

Description

一种重力场双体球同构建模方法与系统

技术领域

本发明涉及双体球建模技术领域，具体涉及一种重力场双体球同构建模方法与系统。

背景技术

地球重力场是地球最重要的物理特性，是表征重力在地球内部、表面或外部空间分布的一个物理场，反映了地球系统的物质分布、运动和变化状态，是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及国防安全的重要战略数据。构建重力场模型成为目前确定地球重力场的主要方法之一。由于所需要的重力场参数都可从地球重力场模型导出，使地球重力场模型在重力场研究和应用中具有很高的理论和应用价值。

从国内外文献中可以发现，地球重力场三维建模是一个比较新的研究领域，对重力场三维建模技术研究主要通过第三方制图软件和利用OpenGL或WebGL技术进行重力场数据显示，同时也存在一些问题，比如建模内容、技术、显示效果等等；传统的重力场数据表达多采用二维形式，其直观性差，不能充分揭示重力场的空间变化规律；而重力场三维模型主要采用局域模型、单层球模型建模技术进行构建。金银龙等人利用VC++并结合三维建模技术实现海量重力场数据的管理以及基础的三维地图功能；孙腾科等人基于绘图软件构建重力场数据模型，获得全球和局部地区重力场相关的各种专题图；唐建军等人利用多进制小波快速变换实现重力场多尺度模型构建，建立了一个局部小范围的重力场数据模型显示系统。传统的局域、单层球模型和系统已不能满足更高的重力场表达和分析需求，亟需对重力场双体球同构建模方法与系统进行研究，改变传统重力场信息表示方式，实现重力场数据成果的强大、形象表达功能，便于用户视觉地理清重力场数据中的内在关系，得到更直观、有效的重力场快速显示效果。

目前，虽然第三方制图软件在重力场建模方面有其独特的优势，但是其缺点也不可忽视，会出现表达形式简单、表现效果不直观等问题，且不利于二次开发；开源的OpenGL技术虽具有一个跨平台的特性和优秀的三维渲染效果，但对于移动端的支持还是比较欠缺；WebGL技术可以实现真正跨平台，它不依赖于任何操作系统，能够完成大量的计算，并实现复杂的实时渲染，但采用该技术多进行重力场的局域三维建模，在全球范围重力场三维建模方面，其应用还不够成熟；采用单层球模型虽然可以有效表达全球范围重力场数据，但由于在地球模型上直接渲染重力场模型，造成了地球模型和重力场模型不能分别显示的问题，且存在结构复杂、建模速度慢、效率低、适用性差等问题，随着重力场模型夸张系数的变大，地球模型也随之变大，即不能在具备重力场表达效果的同时直观地显示地球体模型，同时不利于叠加地形数据、专题数据等开展专业分析工作。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种重力场双体球同构建模方法与系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种重力场双体球同构建模方法，包括以下步骤：

S1、获取重力场数据(支持读取GDF、GRD、NC等格式的重力场数据)，获取全球切片数据；

S2、构建双体球内核模型；

S3、构建双体球外核模型；

S4、将重力场球体模型加载至三维地球体模型，结合颜色渲染器，对分别创建生成的地球体、重力场球体模型进行叠加显示即实现双体球同构(内核模型、外核模型)模型可视化；

S5、重力场双体球同构模型在不影响重力场数据表达效果的基础上正常显示地球体模型，按照实际需求，对外核模型透明度、夸张系数、色带进行调整；

S6、根据具体研究任务，选取和叠加地形专题数据，构建重力场双体球同构模型。

优选的，所述步骤S2获取重力场数据的具体步骤为：

S2.1、在Cesium上采用层次细节模型技术构建地球体模型；

S2.2、当计算机生成场景时，根据该物体位置与视点远近关系的不同，分别使用不同精细程度的模型。

优选的，所述步骤S3构建双体球外核模型的具体步骤为：

S3.1、将读取的重力场数据采用双线性插值算法进行重采样；

S3.2、然后将规则格网格式的重力场数据转换为三角网格式；

S3.3、通过坐标转换将其从源数据坐标系统转换至基于Cesium的重力场三维坐标系，获得的三角网格式的重力场数据包含四个要素，即坐标点(X，Y，Z)、三角网索引(坐标点序列)、顶点法向量、重力场值；

S3.4、基于三角网格式的重力场数据以及色带、透明度、值域范围(重力场值的范围)，并结合变形算法，实现重力场球体模型构建；

S3.5、其中，变形算法的公式为：

T_h＝(T+r)xS

r＝0-T_min

S＝R/(T_max-T_min)/100×S_r

式中，T_h为变形后的重力值，T为原始重力值，r为偏移量，S为缩放系数，T_max为重力值最大值，T_min为重力值最小值，R为地球半径，S_r为当前缩放系数。

优选的，所述步骤S4中：前端显示采用WebGL技术。

优选的，所述步骤S5还包括以下步骤：在片元着色器中修改透明度，可实时调整模型透明度；通过改变夸张系数，可改变重力数据的形变程度；将直方图拉伸算法应用于重力场数据，使重力数据在色带上均匀分布，使每个色素值具有同等色彩宽度渲染，极大的提高了视觉效果，通过修改色带常量，改变模型的渲染颜色。

一种重力场双体球同构建模方法的系统，包括：数据获取模块、地球体模型构建模块、重力场球体模型构建模块、重力场双体球可视化模块、重力场双体球同构模型调整模块和专题应用模块。

优选的，所述数据获取模块：用于获取重力场数据、全球切片数据；

所述地球体模型构建模块：全球切片数据作为该模块的输入数据，数据输入后在Cesium上采用LOD技术构建双体球内核模型，即地球体模型的三维建模；

所述重力场球体模型构建模块：重力场数据作为该模块的输入数据，数据输入后采用双线性插值算法、三角网生成算法和坐标转换方法得到三角网格式的具有世界坐标系的重力场数据，并基于该数据以及色带、透明度、值域范围，结合变形算法，构建双体球外核模型，即重力场球体模型的三维建模；

所述重力场双体球可视化模块：地球体模型构建模块、重力场球体模型构建模块作为该模块的输入模块，将内外核模型进行叠加显示，结合颜色渲染器，实现双体球模型可视化；

所述重力场双体球同构模型调整模块：重力场双体球可视化模块作为该模块的输入模块，实现重力场双体球外核模型透明度、夸张系数、色带调整；

所述专题应用模块：重力场双体球同构模型调整模块作为该模块的输入模块，可叠加地形数据等专题数据，完成专题应用。

本发明的有益效果为：

本发明可以对全球范围多种格式的重力场数据进行快速三维建模，在开源的基础上实现地球体和重力场球体的三维高效叠加显示，在不影响重力场数据表达效果的基础上正常显示地球体模型，占用内存小、传输快、效率高。用户能够实时调整模型透明度和改变渲染颜色，增强用户与数据、模型之间的交互操作性能，体现了系统的人性化设计。生成的重力场双体球模型具备更直观的可视化展示效果，具有结构简单、建模速度快等优势，有利于叠加地形数据等开展后续应用，成果表达更形象、美观，为重力场双体球同构建模提供了有效的解决方法。

附图说明

图1为本发明的地球体模型显示效果图；

图2为本发明的大地水准面三维模型效果图；

图3为本发明的重力异常三维模型效果图；

图4为本发明的渲染流程图；

图5为本发明的大地水准面双体球模型效果图；

图6为本发明的重力异常双体球模型效果图；

图7为本发明的陆地水储量变化分析；

图8为本发明的流程图；

图9为本发明的系统图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

参照图1-9，一种重力场双体球同构建模方法，包括如下步骤：

步骤一、如图1所示，获取重力场数据(支持读取GRD、GDF、NC重力场数据)，获取全球切片数据(支持静态切片和符合OGC标准的动态切片)。

步骤二、构建双体球内核模型(地球模型)，在Cesium上采用层次细节模型技术构建地球体模型，当计算机生成场景时，根据该物体位置与视点远近关系的不同，分别使用不同精细程度的模型。该模型用于表达地球体，可添加地形数据、专题数据、倾斜模型数据、单体模型(如导弹、卫星)等要素。

步骤三、如图2和图3所示，构建双体球外核模型(重力场球体模型)。该模型用于表现重力场球体，表达内容包括重力异常数据、大地水准面数据、垂线偏差数据、连续时变场数据，可叠加等值线等要素。首先，将读取的重力场数据(支持读取GDF、GRD、NC等格式重力场数据)采用双线性插值算法进行重采样，然后将规则格网格式的重力场数据转换为三角网格式，再通过坐标转换将其从源数据坐标系统转换至基于Cesium的重力场三维坐标系，获得的三角网格式的重力场数据包含四个要素，即坐标点(X，Y，Z)、三角网索引(坐标点序列)、顶点法向量、重力场值；最后，基于三角网格式的重力场数据以及色带、透明度、值域范围(重力场值的范围)，并结合变形算法，实现重力场球体模型构建。

其中，变形算法的公式为：

T_h＝(T+r)xS

r＝0-T_min

S＝R/(T_max-T_min)/100×S_r

式中，T_h为变形后的重力值，T为原始重力值，r为偏移量，S为缩放系数，T_max为重力值最大值，T_min为重力值最小值，R为地球半径，S_r为当前缩放系数。

步骤四、将重力场球体模型加载至三维地球体模型，结合颜色渲染器，对分别创建生成的地球体、重力场球体模型进行叠加显示即实现双体球模型(内核模型、外核模型)可视化。前端显示采用WebGL技术，其可视化渲染流程如下图4。

步骤五、如图5和图6所示，重力场双体球同构模型在不影响重力场数据表达效果的基础上正常显示地球体模型，按照实际需求，对外核模型透明度、夸张系数、色带进行调整，实现交互操作。在片元着色器中修改透明度，可实时调整模型透明度；通过改变夸张系数，可改变重力数据的形变程度；将直方图拉伸算法应用于重力场数据，使重力数据在色带上均匀分布，使每个色素值具有同等色彩宽度渲染，极大的提高了视觉效果，通过修改色带常量，能够改变模型的渲染颜色。

步骤六、如图7所示，根据具体研究任务，选取和叠加地形专题数据等，基于构建的重力场双体球同构模型，实现模型分析应用。

综上所述：可以对全球范围多种格式的重力场数据进行快速三维建模，在开源的基础上实现地球体和重力场球体的三维高效叠加显示，在不影响重力场数据表达效果的基础上正常显示地球体模型，占用内存小、传输快、效率高。用户能够实时调整模型透明度和改变渲染颜色，增强用户与数据、模型之间的交互操作性能，体现了系统的人性化设计。生成的重力场双体球模型具备更直观的可视化展示效果，具有结构简单、建模速度快等优势，有利于叠加地形数据等开展后续应用，成果表达更形象、美观，为重力场双体球同构建模提供了有效的解决方法。

在Cesium上获取重力场数据(地球体模型)；将读取的重力场数据利用插值算法、三角网生成算法和坐标转换方法得到三角网格式的具有世界坐标系的重力场数据，并基于该数据以及色带、透明度、值域范围(重力场值的范围)，结合变形算法，构建双体球外核模型(重力场球体模型)；将重力场球体模型加载至三维地球体模型，利用WebGL技术对分别创建生成的内核模型、外核模型进行叠加显示；可对模型透明度、夸张系数、色带进行设置，支持叠加地形专题数据等要素，实现重力场双体球模型(地球体、重力场球体)可视化建模。

如图9所示：一种重力场双体球同构建模方法的系统，包括：数据获取模块、地球体模型构建模块、重力场球体模型构建模块、重力场双体球可视化模块、重力场双体球同构模型调整模块和专题应用模块。

数据获取模块：用于获取重力场数据、全球切片数据。从卫星接收的数据格式(GRD、GDF、NC等)，通过DataReader功能组件读取并转换成GeoTiff多通道栅格地理数据影像文件，该地理影像文件按重力场时间序列管理。全球切片数据来源于基础地理空间数据。重力场数据、全球切片数据为后续模块提供WMS、WCS、WMTS、terrain等数据服务接口；

地球体模型构建模块：全球切片数据作为该模块的输入数据，数据输入后在Cesium上采用LOD技术构建双体球内核模型，即地球体模型的三维建模；

重力场球体模型构建模块：重力场数据作为该模块的输入数据，数据输入后利用插值算法、三角网生成算法和坐标转换方法得到三角网格式的具有世界坐标系的重力场数据，并基于该数据以及色带、透明度、值域范围，结合变形算法，构建双体球外核模型，即重力场球体模型的三维建模；

重力场双体球可视化模块：地球体模型构建模块、重力场球体模型构建模块作为该模块的输入模块，将内外核模型进行叠加显示，结合颜色渲染器，实现双体球模型可视化。根据用户指定的区域范围对重力场数据查询统计，并输出报表或重力场局部图件；

重力场双体球同构模型调整模块：重力场双体球可视化模块作为该模块的输入模块，实现重力场双体球外核模型透明度、夸张系数、色带调整；

专题应用模块：重力场双体球同构模型调整模块作为该模块的输入模块，可叠加地形数据等专题数据，完成专题应用。

数据获取模块与地球体模型构建模块和重力场球体模型构建模块电信号连接，地球体模型构建模块和重力场球体模型构建模块与重力场双体球可视化模块电信号连接，重力场双体球可视化模块与重力场双体球同构模型调整模块电信号连接，重力场双体球同构模型调整模块与专题应用模块电信号连接。

同时上述方案中使用双线性插值算法，本发明不进行限定。

上述方案中使用三角网生成算法，本发明不进行限定。

上述方案中使用坐标转换算法，本发明不进行限定。

上述方案中使用变形算法，本发明不进行限定。

上述方案中使用直方图拉伸算法，本发明不进行限定。

如上，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本实施例，但其不得解释为对本实施例自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实施例的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (3)

1.一种重力场双体球同构建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取重力场数据，获取全球切片数据；

S2、构建双体球内核模型；

S3、构建双体球外核模型；

S4、将重力场球体模型加载至三维地球体模型，结合颜色渲染器，对分别创建生成的地球体、重力场球体模型进行叠加显示即实现双体球同构模型可视化；

S5、重力场双体球同构模型在不影响重力场数据表达效果的基础上正常显示地球体模型，按照实际需求，对外核模型透明度、夸张系数、色带进行调整；

S6、根据具体研究任务，选取和叠加地形专题数据，构建重力场双体球同构模型；

所述步骤S2构建双体球内核模型的具体步骤为：

S2.1、在Cesium上采用层次细节模型技术构建地球体模型；

S2.2、当计算机生成场景时，根据物体位置与视点远近关系的不

同，分别使用不同精细程度的模型；

所述步骤S3构建双体球外核模型的具体步骤为：

S3.1、将读取的重力场数据采用双线性插值算法进行重采样；S3.2、然后将规则格网格式的重力场数据转换为三角网格式；

S3.3、通过坐标转换将其从源数据坐标系统转换至基于Cesium的重力场三维坐标系，获得的三角网格式的重力场数据包含四个要素，即坐标点(X，Y，Z)、三角网索引、顶点法向量、重力场值；

S3.4、基于三角网格式的重力场数据以及色带、透明度、值域范围，并结合变形算法，实现重力场球体模型构建；

S3.5、其中，变形算法的公式为：

式中，Th为变形后的重力值，T为原始重力值，r为偏移量，S为缩放系数，Tmax为重力值最大值，Tmin为重力值最小值，R为地球半径，Sr为当前缩放系数；

所述步骤S4步骤中：前端显示采用WebGL技术；

所述步骤S5还包括以下步骤：在片元着色器中修改透明度，可实时调整模型透明度；通过改变夸张系数，可改变重力数据的形变程度；将直方图拉伸算法应用于重力场数据，使重力数据在色带上均匀分布，通过修改色带常量，改变模型的渲染颜色。

2.一种重力场双体球同构建模方法的系统，使用了根据权利要求1所述的一种重力场双体球同构建模方法，其特征在于，包括：数据获取模块、地球体模型构建模块、重力场球体模型构建模块、重力场双体球可视化模块、重力场双体球同构模型调整模块和专题应用模块。

3.根据权利要求2所述的一种重力场双体球同构建模方法的系统，其特征在于：

所述数据获取模块：用于获取重力场数据、全球切片数据；

所述地球体模型构建模块：全球切片数据作为该模块的输入数据，数据输入后在Cesium上采用LOD(LevelofDetail)技术构建双体球内核模型，即地球体模型的三维建模；

所述重力场球体模型构建模块：重力场数据作为该模块的输入数据，数据输入后采用双线性插值算法、三角网生成算法和坐标转换方法得到三角网格式的具有世界坐标系的重力场数据，并基于该数据以及色带、透明度、值域范围，结合变形算法，构建双体球外核模型，即重力场球体模型的三维建模；

所述重力场双体球可视化模块：地球体模型构建模块、重力场球体模型构建模块作为该模块的输入模块，将内外核模型进行叠加显示，结合颜色渲染器，实现双体球模型可视化；

所述重力场双体球同构模型调整模块：重力场双体球可视化模块作为该模块的输入模块，实现重力场双体球外核模型透明度、夸张系数、色带调整；

所述专题应用模块：重力场双体球同构模型调整模块作为该模块的输入模块，可叠加地形专题数据，完成专题应用。

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