CN117036644A - 一种面向遥感卫星区域观测任务的六边形网格构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向遥感卫星区域观测任务的六边形网格构建方法，其步骤包括：1)构建一种基于数字地球的球形二十面体的球面六边形地图网格剖分模型，球面六边形地图网格剖分模型的第0层通过n个六边形和Hp个五边形网格单元剖分地球表面，得到数字地球的第0层数字网格地图，各六边形网格、五边形网格的中心点坐标及各顶点坐标值固定，且六边形网格与五边形网格边长均相等；然后按照设定规则计算所述球面六边形网格剖分模型的第一层至设定最高层内每一层数字网格地图中的六边形网格、五边形网格的中心点坐标及各顶点坐标值作为数字地球的对应层的数字网格地图；2)建立球面六边形网格空间索引；3)大范围区域网格快速生成。
Description
技术领域
本发明涉及航天体系仿真相关网格地图构建技术领域，具体为一种面向遥感卫星区域观测任务的六边形网格构建方法。
背景技术
球面六边形网格剖分是一种构建全球多尺度表示和管理的空间信息数据模型，它主要研究如何将地球(参考椭球)表面递归剖分为面积、形状近似相等且具有多分辨率层次结构的一系列网格图形，在制图、区域寻址、路线计算等领域得到了广泛应用。从球面六边形网格剖分的概念和用途可以看出，球面六边形网格剖分方法是研究的核心内容，尤其是在航天体系仿真领域，如何根据对地观测卫星区域成像任务将待观测目标区域进行均匀剖分，并形成层次网格结构，起着关键作用。
文献(CHEN,Mengyun,MENG,Xin,PENG,Xiaodong.Method of Geometry Clipmapbased on icosahedron[J].Journal of Remote Sensing,2014:1059-1071.)提出一种基于Geometry Clipmap的球面地形剖分与绘制方法。该方法以构建正二十面体球面六边形网格为基础，将正二十面体划分为十个菱形区域，采用球面菱形网格的剖分，针对每个菱形区域的周边网格进行重新剖分和组合，形成一个虚拟的3x3的大菱形区域，扩大了Clipmap的活动范围，并在一定程度上解决了Clipmap的跨边界问题，如图3所示。但是在大区域、多尺度的目标区域网格表达以及地址编码表达球面连续空间等方面优势不明显，不足以应对对地观测卫星区域成像任务。
文献(贲进等.正八面体的六边形离散格网系统生成算法[J].地理信息科学,2015,17(7):789-797.)研究了一种基于正八面体的六边形离散格网系统生成算法。它属于一种六边形网格系统的生成算法，是将正八面体上的相邻三角面组合为“四边形逻辑结构”，通过建立三轴离散斜坐标系，描述不同六边形剖分产生的多分辨率网格，如图4所示。
与其他多面体相比，八面体与地球的相对位置关系更简单，坐标计算更简便；三角面总数更少，相邻面边界处单元的拼接更容易；有偶数个共顶点的三角面，更有利于建立格网量测体系。但基于正八面体的六边形网格系统在多面体表面到球面的映射过程中几何变形大，会降低数据处理和表达的精度，虽然可通过改进映射方法或提高剖分层次使其满足应用的精度要求，但这需要花费较大的时间去进行算法的改进适配工作，同样在对地观测卫星区域成像任务快速生成大范围区域网格剖分方面实用价值不高。
文献(高贞等.基于正六边形格网的异质空间Voronoi图生成[J].地理与地理信息科学,2019,35(5):52-59.)研究了一种基于正六边形格网的Voronoi图(Voronoi Diagram,VD)。VD为一种空间剖分的几何结构，表现为每个生成元都要获取其存在空间，相邻生成元对分布范围的竞争造成对空间做等分式划分(不考虑生成元、分布空间等性质差异)，形成各生成元空间势力范围的集合，如图5所示。
VD具有空间邻近、空间竞争性剖分，与Delaunay三角网对偶等重要特性，在GIS领域广泛用于空间分析、空间查询、空间大数据建模等，VD多基于正方形格网生成，但正方形不具备各向同性，有损生成结果精度和空间数据建模能力。文献中采用了一种基于正六边形格网的异质空间Voronoi图生成算法，通过改进栅格结构和活动像素生长过程，集成区块属性、生成元权重、外力作用等约束条件，通过实验初步证明了正六边形格网在空间建模方面的优越性、异质空间VD在模拟森林火灾蔓延等自然现象过程方面的有效性以及算法的普适性，但网格很难进行递归层次剖分，因此，不能满足空间数据局部快速更新以及进行多尺度空间数据的分析及相关处理等要求。
发明内容
要解决的技术问题：卫星区域成像过程中，对待观测区域进行地图网格任务分解时存在网格粒度划分不均匀、网格生成耗时长等问题，为了解决上述问题，本发明提出了一种面向遥感卫星区域观测任务的六边形网格构建方法。该地图网格构建方法是一种面向全球大范围、多尺度、无变形、无重叠的球面六边形地图网格生成方法，能够结合卫星轨道和载荷相关约束快速进行大范围目标区域地图网格的构建生成，并且保证网格粒度均匀剖分，适于卫星区域成像任务覆盖计算、区域热点划分等，主要服务于卫星区域成像任务。
本发明的技术方案：
一种面向遥感卫星区域观测任务的六边形网格构建方法，流程如图4所示，
步骤如下：
(1)构建球面六边形网格剖分模型
在GIS(Geographic Information System,GIS)应用中，通常是将地球表面空间按照经纬度分割成了一个个等间隔经纬度的正方形网格，然后采用地图投影变换将网格平铺在地球表面，如图5所示，实际上这些网格围成的空间区域面积并不相等，对于靠近南北两极附近的网格，受地球曲率影响，这些网格的面积远小于靠近赤道的网格。
本发明在设计地图网格剖分模型时，摒弃了上述剖分模型，而是采用了一种直接将六边形网格铺满地球表面的方法，其构型选取的是离散全球网格系统(Discrete GlobalGrid Systems,DGGS)中孔径为7的方案(通常分类有孔径3、孔径4和孔径7三种方案)，即一个六边形均匀递归剖分成7个等边长的子六边形，如图6所示。该构型是建立在将地球剖分为一个球形二十面体(Spherical Icosahedron)的基础上，如图7所示，即球形二十面体的每一个面都是球面三角形，均匀覆盖在地球表面上，总计有20个。
本发明在上述球形二十面体基础上，按照相同的规则把每个球面三角形面递归剖分为一个个的子六边形网格。初始的六边形网格层级定义为第0层，初始的六边形网格的边长约为1000多公里，这样可以得到剖分层级较少、生成耗时短的球面六边形网格剖分模型方案，即使在最细粒度即平均六边形网格边长约为1米时，剖分的层级仅仅为14层，父子单元层级如图8所示。
由于六边形几何特性，将地球进行六边形网格剖分时，会出现不能完全铺满地球表面的现象，部分区域会出现空缺、不连续的现象。为了保证全球网格的动态连续性，本发明则通过引入与六边形等边长的固定数量的正五边形的方法，即进行任意层级剖分时，正五边形数量均不变，固定12个，这是由于在球形二十面体的各个顶点处，都有五个球面三角形交于这一顶点，如果将每个面在这个顶点处都设计成一个三角形的话(边长与六边形等同)，这样顶点处会形成一个五边形，即球形二十面体的每一个球面三角形的三个顶点处的三角形均为五边形的1/5，则每个球面三角形都有3/5个五边形，二十面体就有12个五边形，示意图如图9所示。
综上，本发明构建的球面六边形网格剖分模型，第0层网格(初始层)由110个六边形和12个五边形网格构成，这些六边形/五边形中心点坐标及各顶点坐标值固定(并作为后续层次剖分的计算基准)，且六边形与五边形网格边长均相等。从第1层开始，由于某一层次中的网格单元可能会属于上一层次中的多个网格单元，本发明通过对产生子单元(下层)的父单元(上层)进行区别对待解决了网格层次上的归属问题，将此种结构中一种称为中心父单元，而另一种称为顶点父单元，如图10所示，具体定义：若当前单元(以图10“中心子单元”为例)的中心点与其上一层级中的一个父单元(图10中“中心父单元”)的中心点重合，那么该父单元称为当前单元的中心父单元，而与中心父单元相邻的其余6个六边形则称之为顶点父单元；若当前单元(以图10“中心父单元”为例)的中心点与其下一层级中的一个子单元(图10中“中心子单元”)的中心点重合，那么该子单元称为当前单元的中心子单元，而与中心子单元相邻的其余6个六边形则称之为顶点子单元。
对于第1层至其他层(本发明最高层级为14)的六边形/五边形网格，按照如下的原则进行剖分：以六边形网格为例(五边形类似)，只有中心父单元的网格才能生成顶点子单元，即中心父单元可以生成1个中心子单元和6个顶点子单元，而顶点父单元的网格只能生成1个中心子单元。在继续进行下一层次的剖分中，所有中心子单元就成为中心父单元，所有顶点子单元则是顶点父单元。
以层次数为3的六边形网格剖分为例，对于第0层的网格单元(初始网格单元)，是将网格单元作为中心父单元处理，按照上述处理原则，在第二层中，这个单元可以剖分成7个子单元，其中1个是中心单元，6个顶点单元。继而再对第二层中的网格单元继续向下剖分。在第三层中，第二层的1个中心单元继续剖分为7个子单元，其中1个是中心单元，6个是顶点单元。而第二层中的6个顶点单元，会生成6个中心单元，在第三层中，共有13个网格单元，而最中间的网格单元是中心单元，其周围的6个单元是顶点单元，而外围的6个单元又是中心单元。
(2)建立球面六边形网格空间索引
在步骤(1)基础上，需要对层级中的各个六边形/五边形网格的空间坐标进行表示，即如何构建球面六边形网格空间索引(构造编码方案)。本发明采用了一种自研的编码方案，结合了几何平面的XYZ坐标的表达方式(XY、YZ、ZX坐标轴之间的夹角均为120度，如图11所示)，同时，为了突出层级之间的关联性，本发明中的每个层级中的六边形/五边形网格都包含其所有父层级(直到第0层)六边形/五边形网格单元的XYZ坐标值，这样只需关注一个网格的子网格如何构建，这样所有的网格的坐标都可以通过递归计算得到(第0层网格，即初始层各网格坐标已知)。在进行编码时，对每一个六边形/五边形网格的XYZ坐标序号表示方式如图11所示，图中0到6的数字表示其所在单元在进行XYZ坐标构建或计算时的顺序号，不同于常规理解的方式按照顺时针或者逆时针顺序进行逐个编号，这是因为相邻层次网格单元方向存在旋转，为了保证地址码的层次性，在奇/偶数层中，网格地址码的相对位置保持不变，方便快速计算。
本发明中球面六边形网格空间坐标XYZ值(编码)在计算机中的表达是采用16位的十六进制数值表示，在计算机中占用64bit，可以用一个64位的长整型类型表示，其结构如下所示：
1-4bit位：用作网格单元标记，全部为0表示网格无效；1表示六边形网格；2表示五边形网格。
5-8bit位：表示层级序号，取值范围0-7。
9-15bit位：表示这个网格属于第0层网格的序号值，取值范围0-127。
16-64bit位：表示这个网格的XYZ坐标值，它由自身以及所有父层级单元(直至第0层)的XYZ坐标值组成，对于层级数比较小的网格，空余的bit位值为0，方便进行压缩。
(3)大范围区域网格快速生成
在步骤(2)中完成了上述球面六边形网格剖分模型和网格空间索引构建，下面进行全球及大范围目标区域的多尺度、无变形、无重叠的球面六边形网格生成，根据不同的应用方式需要对基本参数进行初始化，所生成的六边形网格地图的坐标信息将存储在一种矢量格式的文件中，方便被GIS图形处理软件进行可视化渲染。具体如下。
全球范围的六边形网格地图：需提供网格的层级k即可(层级与六边形网格边长L有固定映射关系)，层级决定了地图的分辨率，则构建第k层地图需要生成的六边形网格个数与地图层级k之间的函数关系H(k)，如公式(1)所示；其中，Hp为五边形网格个数(对任意层级均固定为12个)，n为初始的六边形网格数目，本发明中n＝110，这样得到适合的剖分层级较少、效率较高，因为n值影响球面六边形网格剖分模型初始的六边形网格边长L值，进而对后续深层次递归剖分有影响，最终决定了地图的分辨率；
某限定范围内的目标区域：除了需要提供网格的层级k外，还需要指定某区域范围的边界点信息(一组由经纬度坐标点围成的闭区间)集合P，则集合P围成的面积Sp可通过包含的六边形网格数量来进行等效计算，即Sp等于层级k中的一个六边形的面积乘以集合P所围成的六边形的总个数，计算如公式(2)：
其中，Hhex(k)为集合P围成的六边形网格个数，k为地图层级，L为层级k中六边形网格边长值(第0层级单元的坐标、边长固定并且最大层级数已确定，故层级与六边形网格边长L有固定映射关系，因此，在进行第k层剖分时，只需指定层级k值作为外部输入的参数变量即可)。一般情况下，并不直接计算集合P围成的面积Sp，而是用包含的六边形网格数量Hhex(k)带入到覆盖面积计算公式中进行计算，详细请参见公式(3)。
在对地面区域六边形网格地图构建时，需要判断六边形网格单元是否在待观测目标区域内是首要解决的问题。一般而言，六边形网格单元与封闭区域包含检测有以下五种情况，如图12所示，一般通过检测六边形网格中心点与封闭区域包含关系即可，而判断点是否在平面封闭区域内的相关算法很多，本文采用的是射线法，即在封闭区域外部任意一点处画一条射线到待判断点，判断射线与封闭区域相交次数的奇偶性，如果次数是奇数，点在多边形内部，反之，点在多边形外部。综上所述，情况(a)、(d)、(e)网格单元显示在平面可视区域；情况(b)、(c)网格单元移除至可视区域外。
在卫星对地观测作业过程中，一定时间内卫星观测扫描的目标区域内的条带面积，可依据卫星轨道和载荷约束中幅宽信息获得条带边界信息，然后采用计算上述Sp的方法获得卫星扫描的条带区域六边形网格数量Hhex(k)，由此可计算在一段时间窗口内卫星观测目标区域的覆盖面积百分比，这可以通过六边形网格数量来进行等效换算，那么覆盖面积百分比Scover计算如公式(3)所示；其中，Hhex(k)为某范围内的目标区域所包含的六边形网格数量，Hs(k)为卫星扫描目标区域所包含的六边形网格数量；
其中，k为地图层级。
本发明还提供一种服务器，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，所述计算机程序被配置为由所述处理器执行，所述计算机程序包括用于执行上述方法中各步骤的指令。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本发明的有益效果：
本发明定位于卫星区域成像任务中的地图网格构建，能根据已有的卫星成像相关约束条件提高地面目标区域均匀网格粒度划分、卫星有效覆盖区域计算等效率，并且在六边形网格地图构建过程中，保证了均匀、连续、无变形、无重叠，使得卫星区域成像覆盖计算变得简单，从而提高了卫星任务的执行效率。此外，本发明使用的长整型地址编码方案相较于其他网格地图剖分方案在计算方面更快，因为不需要对空间数据进行预处理，例如：创建专门的索引，并且本发明能够对全球等面积区域进行一致表达，可进行高效存储和传输。同时，由于在边长相同的情况下，六边形网格覆盖面积最大且六边形的中心到相邻单元中心的距离总是相等，具有更快、更平滑的可视化渲染效果。
附图说明
图1为正二十面体全球剖分模型的Geometry Clipmap球面绘制示意图。
图2为正八面体的六边形离散格网系统生成算法示意图。
图3为基于正六边形格网的异质空间Voronoi图生成示意图；
(a)约束条件下生成的异质VD图，(b)被研究区域的异质VD图。
图4为一种面向遥感卫星区域观测任务的六边形网格构建方法流程图。
图5为等间隔经纬度正方形网格示意图。
图6为孔径为7的网格剖分方案示意图。
图7为球形二十面体示意图。
图8为六边形网格父子单元排列示意图。
图9为球面三角形网格剖分示意图。
图10为六边形网格父子单元示意图。
图11为XYZ坐标序号表示示意图。
图12为网格单元与封闭区域包含检测关系示意图；
(a)六边形网格封闭在区域内，(b)六边形网格封闭在区域外，(c)六边形网格与封闭区域相交但中心点在封闭区域外，(d)六边形网格与封闭区域相交但中心点在封闭区域内，(e)六边形网格与封闭区域相交但中心点在封闭区域的一顶角内。
图13为生成球形六边形网格地图中心点数据流程图。
图14为球面六边形网格空间坐标索引创建以及网格矢量数据生成流程。
图15为构建的第7层某区域的六边形网格地图的可视化渲染流程。
图16为最终构建的第7层某区域的六边形网格地图的侧视图及俯视图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明具体实施过程中以中国某区域为卫星成像任务待观测区域为例，采用本发明的地图网格构建方法对待观测区域进行地图网格生成，实施过程中使用的是搭载英特尔至强处理器的图形工作站进行实时网格地图构建。工作站在进行六边形网格地图的实时构建时，采用多线程并行处理技术对六边形网格地图数据进行递归实时计算，并采用开源GIS图形处理软件对生成的网格地图进行可视化渲染。
第一步，对网格地图的基本参数设置，本次设定网格地图层级为7，对应六边形/五边形网格的边长L≈1km；并选择待观测区域为某区域(经纬度坐标点集可通过从矢量地图文件或在地图上用鼠标点选获取)，面积≈3.4万平方公里。在实验中构建的多层次网格地图是用于对地观测卫星进行任务覆盖计算使用，要求构建的地图分辨率适应卫星载荷所需的分辨率即可，本实验中采用了最高的第7级地图分辨率。如图13所示，是生成球形六边形网格地图中心点数据流程。
第二步，依据发明内容知生成第7层全球范围的球面六边形/五边形网格数量总数≈9800多万个，然后依据发明内容(3)中图12所列的目标区域裁剪规则，最终某区域的六边形/五边形网格地图的数量≈7000个。另外，本发明生成的六边形/五边形网格地图顶点数据均采用专有的64bit长整型编码格式(具体参照发明内容(2))，为了方便在GIS图形处理软件中展示网格地图，需要建立六边形网格地址码与经纬度坐标转换规则，如下：
六边形/五边形网格地址码转经纬度坐标是从当前层级(本实施步骤中为第7级)开始建立相对上一层网格中心的网格坐标编码，通过网格地址码向上层递归计算出坐标点在每个层次中的相对偏移，最后将所有偏移相加，得到绝对的偏移，即点在初始网格(第0层)中的位置，其后利用已知的初始网格(第0层)坐标+逆施奈德投影变换计算出第7层各六边形/五边形网格顶点的经纬度坐标值；经纬度坐标转六边形/五边形网格地址码是首先利用施奈德投影变换将经纬度转换成平面上的笛卡尔坐标值，然后根据剖分的最大层次(本实施步骤中为第7级)，从初始网格(第0层)开始递归，计算坐标点到坐标中心的距离和方位角，确定六边形网格的地址码。如图14所示，是球面六边形/五边形网格空间坐标索引创建以及网格矢量数据生成流程。
第三步，根据第二步中生成球面六边形/五边形网格空间坐标(经纬度)，将球面六边形/五边形网格空间坐标信息根据特定的地图文件格式写入到文件中，并采用GIS图形处理软件展示网格地图，此时，均匀、连续、无变形、无重叠的网格地图的构建便结束了。如图15所示，是构建的第7层某区域的六边形/五边形网格地图的可视化渲染流程，如图16所示，是最终构建的第7层某区域的六边形/五边形网格地图的侧视图以及俯视图。
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种面向遥感卫星区域观测任务的六边形网格构建方法，其步骤包括：
1)构建球面六边形网格剖分模型：构建一种基于数字地球的球形二十面体的球面六边形地图网格剖分模型，所述地图网格剖分模型选取离散全球网格系统中孔径为7的方案，所述球面六边形地图网格剖分模型的第0层通过n个六边形和Hp个五边形网格单元剖分地球表面，得到数字地球的第0层数字网格地图，各六边形网格、五边形网格的中心点坐标及各顶点坐标值固定，且六边形网格与五边形网格边长均相等；然后按照设定规则计算所述球面六边形网格剖分模型的第一层至设定最高层内每一层数字网格地图中的六边形网格、五边形网格的中心点坐标及各顶点坐标值作为数字地球的对应层的数字网格地图；
所述设定原则为：将第k层数字网格地图内每一网格作为一中心父单元，利用第k层数字网格地图内每一中心父单元生成第k+1层数字网格地图中1个中心子单元和多个顶点子单元，若中心子单元是五边形则生成对应的5个顶点子单元，若中心子单元为六边形则生成对应的6个顶点子单元；所述第k层数字网格地图内的中心父单元与其生成的中心子单元的中心位置重合，所述第k层数字网格地图内的中心父单元相邻单元的中心点位置与其生成的一顶点子单元的中心位置重合；然后将第k+1层数字网格地图内的每一中心子单元作为一中心父单元，用于生成第k+2层数字网格地图内的网格；每一层数字网格地图中的五边形网格均为Hp个；
2)建立球面六边形网格空间索引：针对每一层中每一个数字网格地图单元建立索引；基于第0层中各网格的中心点坐标及各顶点坐标值，以及相邻层网格之间的父子层级关系，递归计算得到第k层数字网格地图中每一网格单元的坐标；根据第k层数字网格地图中每一网格单元的坐标及其父网格单元的坐标，生成第k层数字网格地图中对应网格单元的编码值作为网格的索引值；
3)大范围区域网格快速生成：基于所构建的球面六边形网格剖分模型生成全球范围内的六边形网格地图，或者基于目标区域的坐标检索球面六边形网格剖分模型，根据检索结果生成该目标区域的六边形网格地图；然后将所生成的六边形网格地图的坐标信息存储在设定矢量格式的文件中，用于利用GIS图形处理软件进行可视化渲染。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述球形二十面体的球面六边形网格剖分模型第k层数字网格地图需要生成的六边形网格个数H(k)与地图层级k之间的函数关系为
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，n＝110，Hp＝12。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述的编码值在计算机中是采用采用64位的长整型类型表示，其结构为：1-4bit为网格单元标记，5-8bit位表示网格的层级序号，9-15bit位表示网格属于第0层网格的序号值，16-64bit位表示这个网格的XYZ坐标值，包括自身以及所有父层级单元的XYZ坐标值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述的大范围区域网格快速生成的结果采用一种特定的矢量格式的文件进行存储。
6.一种服务器，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，所述计算机程序被配置为由所述处理器执行，所述计算机程序包括用于执行权利要求1至5任一所述方法中各步骤的指令。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5任一所述方法的步骤。
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| CN202310987855.7A CN117036644A (zh) | 2023-08-07 | 2023-08-07 | 一种面向遥感卫星区域观测任务的六边形网格构建方法 |
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| CN202310987855.7A CN117036644A (zh) | 2023-08-07 | 2023-08-07 | 一种面向遥感卫星区域观测任务的六边形网格构建方法 |
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Cited By (1)
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| CN117437551A (zh) * | 2023-12-21 | 2024-01-23 | 绘见科技(深圳)有限公司 | 基于大空间视觉地图剖分与快速检索的定位方法和设备 |
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2023
- 2023-08-07 CN CN202310987855.7A patent/CN117036644A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN117437551B (zh) * | 2023-12-21 | 2024-02-27 | 绘见科技(深圳)有限公司 | 基于大空间视觉地图剖分与快速检索的定位方法和设备 |
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