CN115801024B

CN115801024B - 局部等距性优化球面格网的编码方法、系统、装置及介质

Info

Publication number: CN115801024B
Application number: CN202211483877.1A
Authority: CN
Inventors: 罗富丽; 王新鹏; 陈爱梅; 王锲
Original assignee: Southwest Forestry University
Current assignee: Southwest Forestry University
Priority date: 2022-11-24
Filing date: 2022-11-24
Publication date: 2023-09-12
Anticipated expiration: 2042-11-24
Also published as: CN115801024A

Abstract

本发明公开了一种局部等距性优化球面格网的编码方法、系统、装置及介质，包括：根据Fuller格网模型编码规则，确定格网在优化前的编码。确定格网等距性优化编码。已知Fuller4H格网的等距性优化规则，建立格网等距性优化参数映射表；基于映射表确定格网等距性优化编码。以所得格网等距性优化编码为前缀、所得确定格网等距性优化编码为后缀，确定优化格网编码。本发明基于Fuller格网模型编码运算规则，设计了局部等距性优化格网编码与经纬度转换方法、编码查询方法。保证了基于全球离散格网编码的空间数据的快速索引及应用分析的高效计算。

Description

局部等距性优化球面格网的编码方法、系统、装置及介质

技术领域

本发明涉及全球离散格网编码技术领域，特别涉及一种面向局部等距性优化球面六边形格网的编码方法、系统、装置及介质。

背景技术

全球离散格网是基于球面的一种可以无限细分，但又不改变形状的地球体拟合格网，当细分到一定程度时，可以达到模拟地球表面的目的，有望从根本上解决平面模型在全球空间管理与多尺度操作上的数据断裂、几何变形和拓扑不一致等问题，能为区域气候模拟研究提供一个连续的、全球统一的分析框架。球面与平面拓扑不同胚，无法直接获得完全一致的球面离散格网。为此，国内外研究者针对球面格网的几何特性和应用背景，设计了多种格网优化方法。

在区域气候模拟研究中，格网与邻近格网中心点距离的一致性，即格网等距性能保证变量在各方向传播的等概率性。基于Fuller投影的二十面体六边形格网(Fuller4H格网)局部等距性优化方法提高了格网的局部等距性，为区域动态扩散模拟提供计算框架。Fuller4H局部等距性优化格网的调整方法为：首先，通过计算格网与其邻近格网中心点距离，量化格网的等距性分布特征；根据等距性量化区间，对每个区间内格网设置优化参数；结合优化参数和研究区情况，调整局部格网位置。

编码运算是全球离散格网的核心，通过格网编码运算可有效地代替基于地理坐标的浮点数运算，它支撑了整个系统空间数据的快速索引及应用分析的高效计算。目前，常用的格网编码运算方案有层次编码运算、填充曲线编码运算和整数坐标编码运算。层次编码采用递归剖分格网时产生的层次结构标识单元，给定初始层次单元编码，后续层次子格网的编码在其父格网编码基础上添加前缀或后缀实现。填充曲线编码根据空间填充曲线设计编码方案，而空间填充曲线是一种能够通过递归覆盖指定区域的一维曲线，常用的填充曲线编码有Morton码、Z填充曲线等。整数坐标编码是最简单直接的单元编码方案，由对应分辨率下，格网在平面或球面的行列号表示。

此外，随着大数据时代的到来，信息的保有量和增长率变得越来越大，对海量数据的组织管理和分析也显得越来越重要。为实现基于全球离散格网的海量时空数据高效查询、分析等，学者建立了基于全球离散格网的时空数据编码，即将空间编码与时间编码融合。

格网编码与格网中心点坐标存在一一对应关系，利用编码与地理坐标的转换关系，可快速定位任意点的对应格网，以及任意格网所围空间范围。但是，格网等距性优化算法通过调整格网中心点、顶点位置，提高格网等距性，破坏了原有编码体系与地理坐标的对应关系。

为此，受时空数据编码思想的启发，本发明基于未优化的Fuller4H格网模型的Z曲线编码，设计了一种面向局部等距格网的编码方法。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种面向局部等距性优化球面格网的编码方法、系统、装置及介质。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种局部等距性优化球面格网的编码方法，包括以下步骤：

S1：确定格网优化前编码CODEu；

根据Fuller格网模型编码规则，确定格网g在优化前的编码，即CODEu。

S2：确定格网等距性优化编码CODEo；

S21：建立格网等距性优化参数映射表；

由Fuller4H格网的等距性优化规则得到，格网等距性优化参数映射关系：

dist_i＝f(Level,Δ,i)

式中，dist表示优化距离，Δ表示距离间隔，Level表示剖分层次，i表示当前格网处于第i个区间，i≤N。

S22：将格网所属区间编号，定义为格网等距性优化编码CODEo，即CODEo＝i，i＝0,1,…,N，采用二进制记录编码。

S3：局部等距性优化格网编码CODE；

将格网优化前编码CODEu与等距性优化编码CODEo合并，即得到局部等距性优化格网编码CODE。

S4：局部等距性优化格网编码CODE与经纬度转换；

S41：编码转经纬度，按如下步骤获取格网所对应经纬度坐标；

S411：按位运算，从CODE中提取出CODEu、CODEo；

根据Fuller4H格网编码规则，将CODEu转换为经纬度(latu,lonu)，该坐标表示优化前格网中心点的球面坐标；

S412：由CODEu确定格网剖分层次，由CODEo确定ed所在区间i；根据优化参数映射关系，计算出优化距离dist；

S413：将dist转换为大圆弧对应弧度，分别与加至latu，lonu，获得优化后格网中心点球面坐标。

S42：经纬度转编码，按如下步骤获取经纬度所对应格网的编码；

S421：利用Fuller4H格网经纬度到编码的转换规则，确定格网优化前编码CODEu；

S422：利用Fuller4H格网编码运算规则，获得CODEu邻近格网；根据格网与其所有邻近格网，计算等距性量化结果ed；结合ed和已知等距性距离间隔Δ，确定距离优化参数，进一步得到格网等距性优化编码CODEo；

S423：以CODEu为前缀，CODEo为后缀，实现经纬度至编码的转换。

S5：用Fuller4H格网编码运算规则实现局部等距性优化格网编码查询，实现邻近搜索和格网归属查询。

进一步地，S21中所述Fuller4H格网的等距性优化规则如下：

a)遍历格网，计算等距性指标ed；

b)根据剖分层次和优化需求设置距离间隔Δ；

c)按Δ划分ed区间，得N个区间；

d)对处于不同区间内的格网设置移动距离dist，对应的移动方向O由类六边形中心指向当前格网中心；(dist，O)即为Fuller4H格网的优化参数。

进一步地，S3中局部等距性优化格网编码规则为：格网优化前编码CODEu在前，等距性优化编码CODEo在后，即CODE＝CODEu_CODEo。

进一步地，S5中局部等距性优化格网编码查询包括如下子步骤：

S51：邻近搜索；

已知局部等距性优化格网编码CODE，按位运算，提取出格网优化前编码CODEu，根据Fuller4H格网编码运算规则，确定邻近格网编码，建立邻近格网编码集合。

S52：格网归属查询；

已知局部等距性优化格网编码CODE，按位运算，提取出格网优化前编码CODEu，根据Fuller4H格网编码归属查询规则，确定其父格网、子格网编码，建立父-子格网编码集合。

本发明还公开了一种面向局部等距性优化球面格网的编码系统，该系统能够用于实施上述的面向局部等距性优化球面格网的编码方法，具体的，包括：格网优化前编码模块、格网等距性优化编码模块、局部等距性优化格网编码模块、经纬度转换模块和编码查询模块；

格网优化前编码模块：用于确定格网优化前编码CODEu，并存储；

格网等距性优化编码模块：用于确定格网等距性优化编码CODEo，并存储；

局部等距性优化格网编码模块：用于计算局部等距性优化格网编码CODE；

经纬度转换模块：用于局部等距性优化格网编码CODE与经纬度转换；

编码查询模块：用Fuller4H格网编码运算规则实现局部等距性优化格网编码查询，实现邻近搜索和格网归属查询。

本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述面向局部等距性优化球面格网的编码方法。

本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述面向局部等距性优化球面格网的编码方法。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

基于Fuller4H格网的Z曲线编码，设计了一种针对其局部等距性优化格网的编码。以未优化格网的Z曲线编码为前缀，添加距离编码。保证了编码与经等距性优化后格网位置的一一对应关系。保证了基于全球离散格网编码的空间数据的快速索引及应用分析的高效计算，提高了运行效率，降低了运行成本。

附图说明

图1为本发明实施例基础路线图。

图2为本发明实施例Fuller4H格网。

图3为本发明实施例等距性指标间隔划分示意图。图中Δ表示根据格网分辨率和等距性优化强度设置的距离间隔；处于第i个等距性区间，所对应格网的等距性指标ed的范围是(1-(i+1)×Δ,1-i×Δ]，其中i＝0,1,…,N。

图4为本发明实施例局部等距性格网编码示意图。该图表示本发明编码以CODEu为前缀，CODEo为后缀，两个编码之间用‘_’连接。

图5为本发明实施例格网优化前、后中心点位置关系图。

图6为本发明实施例Fuller4H格网的编码示意图。规定右侧格网为子格网，图6中的(a)表示球面二十面体十个基础菱形的编号(0-9)，分别记录为00-09；图6中的(b)在编号为01的菱形块中的4个六边形格网(0-3)，其编码分别为010、011、012、013；图6中的(c)表示编码为010的六边形格网的子格网(0-3)，其编码分别为0100、0101、0102、0103。

图7为本发明实施例Fuller4H格网等距性的空间分布示意图。途中将等距性的间隔取为0.025。

图8为本发明实施例格网经等距性优化后，编码及其中心点坐标对应情况示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种面向局部等距性优化球面六边形格网的编码方法，包括以下步骤：

(1)确定格网优化前编码CODEu

根据Fuller格网模型(图2)编码规则(Z曲线编码)，确定格网g在优化前的编码，即CODEu，格网编码由二进制表示。本发明规定右侧格网为子格网，第四层部分格网(如图6所示)编码结果记录在表1中。

表1

(2)格网等距性优化编码CODEo

(2.1)建立格网等距性优化参数映射表

已知Fuller4H格网的等距性优化规则：

a)遍历格网，计算等距性指标ed；

b)根据剖分层次和优化需求设置距离间隔Δ；

c)按Δ划分ed区间，得N个区间；

d)对处于不同区间内的格网设置移动距离dist，对应的移动方向O由类六边形中心指向当前格网中心；(dist，O)即为Fuller4H格网的优化参数，如图3所示。

由上述Fuller4H格网的等距性过程可知，优化距离dist与距离间隔Δ、剖分层次Level以及格网所在ed区间相关，则存在格网等距性优化参数映射关系：

dist_i＝f(Level,Δ,i)

式中，i表示当前格网处于第i个区间，i≤N。

本发明以Fuller4H第4层格网为例，对上述过程进行说明。设Δ＝0.025、Level＝4，N＝5。计算格网的等距性指标，并根据Δ绘制其空间分布(如图7所示)

(2.2)将格网所属区间编号，定义为格网等距性优化编码CODEo，即CODEo＝i，i＝0,1,…,N。

本发明采用二进制记录编码。第4层格网局部等距性优化编码CODEo展示如表2。

表2

(3)局部等距性优化格网编码CODE

将格网优化前编码CODEu与等距性优化编码CODEo合并，即可得到局部等距性优化格网编码。本发明规定，格网优化前编码在前，等距性优化编码在后，即

CODE＝CODEu_CODEo

对应的编码形式，如图4所示。第四层部分Fuller格网经等距性优化后的编码展示如表3。

表3

(4)局部等距性优化格网编码与经纬度转换规则

(4.1)编码转经纬度

已知局部等距性优化格网编码CODE、优化时的距离间隔Δ。按如下步骤获取格网所对应经纬度坐标。

首先，按位运算，从CODE中提取出CODEu、CODEo；

然后，由CODEu确定格网剖分层次，由CODEo确定ed所在区间i；根据优化参数映射关系，计算出优化距离dist；

最后，将dist转换为大圆弧对应球心角，分别与加至latu，lonu，获得优化后格网中心点球面坐标。

以表3中格网编码为例，计算已知编码时的格网中心点坐标，得表4。由表中数据可以看出，若不直接使用优化前格网编码，则其解算出的中心点坐标与真实格网中心点间相差dist。

表4(单位：度)

(4.2)经纬度转编码

Fuller4H格网的等距性优化参数所确定的中心点距离移动量小于格网半径，即未优化格网的中心点与对应优化后格网中心点均在未优化格网内，如图5所示。因此，已知局部等距性优化格网剖分层次Level、等距性距离间隔Δ，按如下步骤获取经纬度所对应格网的编码。

首先，利用Fuller4H格网经纬度到编码的转换规则，确定格网优化前编码CODEu(如图8)；

然后，利用Fuller4H格网编码运算规则，获得CODEu邻近格网；根据格网与其所有邻近格网，计算等距性量化结果ed；结合ed和已知等距性距离间隔Δ，确定距离优化参数，进一步得到格网等距性优化编码CODEo；

最后，以CODEu为前缀，CODEo为后缀，实现经纬度至编码的转换(如图8)。

以表4中经纬度为例，计算其所对应的格网编码，得表5。

表5

(5)局部等距性优化格网编码查询规则

Fuller4H格网的等距性优化时，沿类六边形格网中心向外逐区间移动格网位置，格网间的拓扑关系未发生变化，故本发明沿用Fuller4H格网编码运算规则实现局部等距性优化格网编码查询。

(5.1)邻近搜索

已知局部等距性优化格网编码CODE，按位运算，提取出格网优化前编码CODEu，根据Fuller4H格网编码运算规则，确定邻近格网编码，建立邻近格网编码集合。如计算编码为000100000000_00格网，首先从中提取中原始格网编码000100000000，其六个邻近格网编码分别为000100000001、000100000010、000100000011、000000010011、000000110011、010100010001。在格网集合中进行匹配，即可找到00010000_00格网的全部邻近格网，分别为000100000001_01、000100000010_01、000100000011_01、000000010011_01、000000110011_01、010100010001_01。

(5.2)格网归属查询

已知局部等距性优化格网编码CODE，按位运算，提取出格网优化前编码CODEu，根据Fuller4H格网编码归属查询规则，确定其父格网、子格网编码，建立父-子格网编码集合。如计算编码为000100000000_00格网的父格网，首先从中提取中原始格网编码000100000000，其父格网编码为00010000；根据等距性优化参数可知，格网000100000000_00的父格网编码为00010000_00。

本发明再一个实施例中，提供了一种面向局部等距性优化球面格网的编码系统，该系统能够用于实施上述的面向局部等距性优化球面格网的编码方法，具体的，包括：格网优化前编码模块、格网等距性优化编码模块、局部等距性优化格网编码模块、经纬度转换模块和编码查询模块；

本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于面向局部等距性优化球面格网的编码方法的操作，包括以下步骤：

S1：确定格网优化前编码CODEu；

S2：确定格网等距性优化编码CODEo；

S21：建立格网等距性优化参数映射表；

dist_i＝f(Level,Δ,i)

S3：局部等距性优化格网编码CODE；

S4：局部等距性优化格网编码CODE与经纬度转换；

S411：按位运算，从CODE中提取出CODEu、CODEo；

本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关面向局部等距性优化球面格网的编码方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：

S1：确定格网优化前编码CODEu；

S2：确定格网等距性优化编码CODEo；

S21：建立格网等距性优化参数映射表；

dist_i＝f(Level,Δ,i)

S3：局部等距性优化格网编码CODE；

S4：局部等距性优化格网编码CODE与经纬度转换；

S411：按位运算，从CODE中提取出CODEu、CODEo；

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种局部等距性优化球面格网的编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定格网优化前编码CODEu；

根据Fuller格网模型编码规则，确定格网g在优化前的编码，即CODEu；

S2：确定格网等距性优化编码CODEo；

S21：建立格网等距性优化参数映射表；

dist_i＝f(Level,Δ,i)

式中，dist表示优化距离，Δ表示距离间隔，Level表示剖分层次，i表示当前格网处于第i个区间，i≤N；

所述Fuller4H格网的等距性优化规则如下：

a)遍历格网，计算等距性指标ed；

b)根据剖分层次和优化需求设置距离间隔Δ；

c)按Δ划分ed区间，得N个区间；

d)对处于不同区间内的格网设置移动距离dist，对应的移动方向O由类六边形中心指向当前格网中心；(dist，O)即为Fuller4H格网的优化参数；

S22：将格网所属区间编号，定义为格网等距性优化编码CODEo，即CODEo＝i，i＝0,1,…,N，采用二进制记录编码；

S3：局部等距性优化格网编码CODE；

将格网优化前编码CODEu与等距性优化编码CODEo合并，即得到局部等距性优化格网编码CODE；

S4：局部等距性优化格网编码CODE与经纬度转换；

S411：按位运算，从CODE中提取出CODEu、CODEo；

S413：将dist转换为大圆弧对应弧度，分别与加至latu，lonu，获得优化后格网中心点球面坐标；

S423：以CODEu为前缀，CODEo为后缀，实现经纬度至编码的转换；

2.根据权利要求1所述的一种局部等距性优化球面格网的编码方法，其特征在于：S3中局部等距性优化格网编码规则为：格网优化前编码CODEu在前，等距性优化编码CODEo在后，即CODE＝CODEu_CODEo。

3.根据权利要求1所述的一种局部等距性优化球面格网的编码方法，其特征在于：S5中局部等距性优化格网编码查询包括如下子步骤：

S51：邻近搜索；

已知局部等距性优化格网编码CODE，按位运算，提取出格网优化前编码CODEu，根据Fuller4H格网编码运算规则，确定邻近格网编码，建立邻近格网编码集合；

S52：格网归属查询；

4.一种面向局部等距性优化球面格网的编码系统，其特征在于：该系统能够用于实施权利要求1至3其中一项所述的局部等距性优化球面格网的编码方法，具体的，包括：格网优化前编码模块、格网等距性优化编码模块、局部等距性优化格网编码模块、经纬度转换模块和编码查询模块；

5.一种计算机设备，其特征在于：包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至3其中一项所述的局部等距性优化球面格网的编码方法。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于：其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1至3其中一项所述的局部等距性优化球面格网的编码方法。