專利名稱：一種地球重力場數(shù)據(jù)的四維動態(tài)可視化分析方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明總的來說涉及地球重力場數(shù)據(jù)動態(tài)可視化分析方法，且更加具體地說，涉
及結(jié)合時空分析方法、數(shù)字圖像分析方法、多維可視化方法等對地球重力場數(shù)據(jù)進行可視 化及相關分析、理解和預測的方法。
背景技術(shù)：
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(huán)境，是解釋許多 自然現(xiàn)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(shù)、資源開發(fā)、環(huán)境災害、海洋開發(fā)等方面的基礎數(shù)據(jù)。1、地球重力場能反 映地球物質(zhì)的空間分布、運動和變化，確定地球重力場的精細結(jié)構(gòu)及其時間變化不僅是現(xiàn) 代大地測量的主要科學目標之一，而且也將為現(xiàn)代地球科學解決人類面臨的資源、環(huán)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于提高空間飛行 器的定位與定軌精度，為降低人造地球衛(wèi)星的高度提供了可靠的理論與技術(shù)支持；3、高精 度地球重力場信息是全球統(tǒng)一的高程基準建設、區(qū)域性測繪垂直基準的統(tǒng)一，遠距離高程 控制，陸海、海洋與島嶼高程的高精度聯(lián)接的重要基礎數(shù)據(jù)。同時地球重力場在特殊區(qū)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(zhì)。結(jié)合可視化技術(shù)發(fā)展地球重力場可視化技術(shù)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(shù)大發(fā)展也為重力場可視化提供條件。 由于傳統(tǒng)的工作方法，長期以來制圖都是靜態(tài)的，我們從野外調(diào)查得到的類型圖、 分布圖等資料，或從統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu) 目的而概要地表示信息的過程，它的研究領域包括了創(chuàng)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(qū)別于那些文字和公式 化的表述"。可視化的特點體現(xiàn)在動態(tài)性、交互探究性和多視角與多媒體結(jié)構(gòu)。這里的動態(tài) 性是指具嚴格有時間維信息的動態(tài)可視化。 通過設計符合人眼視覺特性的動態(tài)符號，可以表示如下三種信息空間定位、重力 場特征、重力場特征上的時態(tài)變化。前兩者為與時間戳無關的靜態(tài)特征，主要通過動畫技術(shù) 加強靜態(tài)信息特征的視覺感受，例如空間定位通常用符號的顏色、明度、密度和結(jié)構(gòu)的變化 來突出描述；重力場特征可通過符號節(jié)奏性變化、節(jié)奏變化頻率等來表達。后者才是動態(tài)符 號在動態(tài)特征可視化上的真正應用。 具體實現(xiàn)過程中的圖形應用程序設計界面(API)主要包括0penGL和Direct 3D。 0penGL(全寫0pen Graphics Library)是個定義了一個跨編程語言、跨平臺的編程接口的 規(guī)格，它用于三維圖象(二維的亦可)。OpenGL是個專業(yè)的圖形程序接口，是一個功能強大， 調(diào)用方便的底層圖形庫。Direct 3D是基于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(guī)范，微軟公司擁有該庫版權(quán)，它所有的語法定義包含在微軟提供的程序開發(fā)組件的幫助文件、源代碼中。 從目前的國內(nèi)外文獻中可以發(fā)現(xiàn)，地球重力場可視化是一個比較新的研究領域，
其動態(tài)可視化是一個重要的發(fā)展方向。同時也存在一些問題，比如可視化的內(nèi)容、可視化的
平臺技術(shù)、可視化符號的設計與實現(xiàn)等等。

發(fā)明內(nèi)容
—種地球重力場數(shù)據(jù)的四維動態(tài)可視化分析方法，其特征在于，實現(xiàn)地球重力場數(shù)據(jù)的四維動態(tài)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(shù)據(jù)進行清洗，即首先對不同機構(gòu)或部門提供的地球重力場數(shù)據(jù)進行檢查，檢查內(nèi)容包括點之記或點號標識、大地諱度、大地經(jīng)度、高程或大地高、觀測時間、觀測基準和觀測值；其次對檢查后的數(shù)據(jù)進行基準統(tǒng)一并完成粗差剔除；最后將所有的重力場觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式的點值數(shù)據(jù)； (2)面向地球重力場數(shù)據(jù)的四維動態(tài)可視化應用數(shù)據(jù)集生成，即對步驟(1)中的統(tǒng)一格式的點值數(shù)據(jù)按不同時間節(jié)點進行觀測值時間同步處理，然后對每個時間節(jié)點的數(shù)據(jù)進行格網(wǎng)化處理，并對格網(wǎng)化數(shù)據(jù)進行時間戳標記，從而生成不同時間節(jié)點的地球重力場可視化數(shù)據(jù)集； (3)地球重力場可視化應用數(shù)據(jù)集動態(tài)顯示，即利用不同的時間節(jié)點地球重力場
可視化數(shù)據(jù)集，通過設置時間步長，對于設置的時間步長所對應的時間戳，沒有相應的觀測
數(shù)據(jù)，需要完成數(shù)據(jù)的內(nèi)插，按照地表的平面位置，采用分層設色的方式，同時采用圖層疊
加的方式，疊加全球地形數(shù)據(jù)、地理格網(wǎng)數(shù)據(jù)、國界矢量數(shù)據(jù)和地名數(shù)據(jù)，采用0penGL或
Direct3D圖形應用程序設計界面(API)，利用動態(tài)地圖符號，實現(xiàn)動態(tài)顯示； (4)地球重力場可視化應用數(shù)據(jù)集的分析及預測，即首先對地球重力場可視化
數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)子集；其次利用步驟
(3)方法實現(xiàn)對地球重力場可視化數(shù)據(jù)子集的動態(tài)顯示，實現(xiàn)重力場數(shù)據(jù)的可視化分析過
程；最后對可視化子集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，分析周期非周期變化規(guī)律，選擇合適的擬合函
數(shù)，預測后續(xù)數(shù)據(jù)子集的變化規(guī)律，并實現(xiàn)動態(tài)顯示，完成地球重力場可視化數(shù)據(jù)子集的可
視化預測。 步驟(2)中，時間步長設置優(yōu)選不小于1個月。 步驟(3)中，動態(tài)顯示方法是在動態(tài)符號的視覺變量與實際變化的特征之間建立映射關系，重力場的時態(tài)特征和變化規(guī)律就可由符合動態(tài)符號的視覺變量體現(xiàn)出來。
步驟(4)中，對地球重力場可視化數(shù)據(jù)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(fā)明的主要目的在于提供一種完整的地球重力場數(shù)據(jù)的四維動態(tài)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(shù)據(jù)集，實現(xiàn)多個時間節(jié)點的地球重力場可視化應用數(shù)據(jù)的表征，為地球重力場觀測數(shù)據(jù)的相關分析、理解及預測提供必要的途徑和方法。該發(fā)明可方便地通過軟件平臺開發(fā)實現(xiàn)。
其具體實施方式
如下
1、對地球重力場數(shù)據(jù)進行清洗； 首先根據(jù)不同機構(gòu)和部分提供的地球重力場數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)內(nèi)容是否完整、基準 是否統(tǒng)一、數(shù)據(jù)格式是否標準等方面，對數(shù)據(jù)進行檢查；數(shù)據(jù)檢查的手段采用計算機編程自 動完成，即首先讀取待檢查的重力場數(shù)據(jù)，按照預先定義的數(shù)據(jù)檢查要求和內(nèi)容，對待檢查 的重力場數(shù)據(jù)逐項進行檢查，檢查后可自動生成一份檢查報告，依據(jù)該檢查報告，能夠指導 完成地球重力場數(shù)據(jù)內(nèi)容的完善；重力場數(shù)據(jù)檢查內(nèi)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(jīng)度、大地緯度、高程)、觀測基準、對應點的觀測值以及觀測時 間；基于檢查合格的地球重力場數(shù)據(jù)，利用本專業(yè)領域熟知的方法進行基準統(tǒng)一處理(基 準統(tǒng)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(tǒng)一格式的點值 數(shù)據(jù)。 2、面向地球重力場數(shù)據(jù)的四維動態(tài)可視化應用數(shù)據(jù)集生成； 在對地球重力場數(shù)據(jù)清洗的基礎上，根據(jù)數(shù)據(jù)情況完成統(tǒng)一格式點值數(shù)據(jù)的時間 節(jié)點同步處理(本發(fā)明所指的同步，即根據(jù)重力時變規(guī)律，將某一時間測定的點值數(shù)據(jù)歸 算到另外一時間節(jié)點，將許多不同時間測定的點值數(shù)據(jù)全部歸算為同一時間節(jié)點，即完成 了時間節(jié)點同步處理)。采用標準的格式轉(zhuǎn)換技術(shù)，即利用數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換軟件，該軟件可自 行開發(fā)，也可以利用商業(yè)軟件ArcGIS的Toolbox轉(zhuǎn)換工具，將所有的重力場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng) 一格式的格網(wǎng)數(shù)據(jù)(此過程即為格網(wǎng)化處理)，時間節(jié)點可根據(jù)數(shù)據(jù)情況設定，從而生成不 同時間節(jié)點的地球重力場可視化數(shù)據(jù)集，并對轉(zhuǎn)換格式后的數(shù)據(jù)進行時間標識，即在數(shù)據(jù) 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(shù)據(jù)集動態(tài)顯示； 地球重力場可視化應用數(shù)據(jù)集動態(tài)顯示的方法為利用不同的時間戳的地球重力 場可視化數(shù)據(jù)集，通過設置靈活的時間步長，按照地表的平面位置，采用分層設色的方式， 同時疊加全球地形數(shù)據(jù)(如SRTM數(shù)據(jù)、ASTER數(shù)據(jù)燈，這些全球地形數(shù)據(jù)都是可通過網(wǎng)絡 免費下載，SRTM數(shù)據(jù)的下載地址http:〃www2. jpl. nasa. gov/srtm， ASTER數(shù)據(jù)的下載地 址http:〃asterweb. jpl. nasa. gov/gdem. asp)、地理格網(wǎng)數(shù)據(jù)(對全球進行經(jīng)諱度劃分， 一般可按照1度X 1度的格網(wǎng)大小)、國界矢量數(shù)據(jù)和地名數(shù)據(jù)(這些數(shù)據(jù)可以到國家基礎 地理信息中心索取)等，采用0penGL或Direct3D圖形應用程序設計界面(API)，利用動態(tài) 地圖符號，實現(xiàn)動態(tài)顯示。具體方法是在動態(tài)符號的視覺變量與實際變化的特征之間建立 映射關系，重力場的時態(tài)特征和變化規(guī)律就可由符合動態(tài)符號的視覺變量體現(xiàn)出來，例如 重力場在空間中生存的時間由符號的發(fā)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(nèi)容中，有關時間步長的設置，時間步長優(yōu)選為不小于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(shù)據(jù)，需要完成數(shù)據(jù)的內(nèi)插，數(shù)據(jù)內(nèi)插的 方法有很多種，如最臨近內(nèi)插法、雙線性內(nèi)插法、拉格朗日內(nèi)插法、高斯-克呂格插值法等。 本發(fā)明推薦采用的數(shù)據(jù)內(nèi)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(nèi)插計算，具體方法如下
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<formula>formula see original document page 6</formula> 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(nèi)容中，重力場在空間表達中生存的時間由符號的發(fā)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(jié)點的時間戳；Sym(j)為設計各種動態(tài)符號，j = 1，2，3…k ; f(x，y，z)為一連續(xù)函數(shù)，用于擬合地球重力場各場量數(shù)據(jù)。擬合方法可以采用常
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(shù)學類教材。 重力場觀測數(shù)據(jù)隨時間變化可以通過設計動態(tài)地圖符號來可視化表達。靜態(tài)地圖
符號設計原則是基于J. Bertin視覺變量體系建立起來的，依據(jù)符號的7個視覺變量一一形
狀、尺寸、方向、明度、密度、結(jié)構(gòu)、顏色和位置來設計描述地理實體不同方面的性質(zhì)特征。顯
然，為了表達重力場的動態(tài)特征，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(tài)特征描述，可以通
過動態(tài)視覺變量——時間變量(包括變化速率、變化次序和節(jié)奏等變量)來可視化地表達
地理實體的動態(tài)特性。 (1)變化速率(rate of change):變化速率需要借助于符號的其它靜態(tài)視覺變量來表現(xiàn)，描述符號狀態(tài)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，通過一種類似于二維空間中的前后、鄰接
關系的方式建立時間段之間的先后、相鄰拓撲關系。把符號狀態(tài)變化過程中各幀狀態(tài)按出
現(xiàn)的時間順序，離散化處理成各幀狀態(tài)值，使之漸次出現(xiàn)。它可用于任何有序量的可視化表
達，升序變化對應著特征的顯著性增強，降序變化對應著特征的顯著性減弱。 (3)節(jié)奏(rhythm):節(jié)奏是對符號周期性變化規(guī)律的描述，它是由發(fā)生時長、變化
速率等變量融合到一起而形成的復合變量，但它又表現(xiàn)出獨立的視覺意義。符號的節(jié)奏變
化可以用周期性函數(shù)表示。節(jié)奏變量主要用于描述周期性變化現(xiàn)象的重復性特征。 在時間步長的控制下，基于變化速率、變化次序和節(jié)奏，可以設計出相應的一組重
力場可視化的動態(tài)符號，并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、空間和時間變化特征等。 4、地球重力場可視化應用數(shù)據(jù)集的分析及預測。 對地球重力場可視化數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)子集；其次利用步驟(3)方法實現(xiàn)對地球重力場可視化數(shù)據(jù)子集的動態(tài)顯示，通過動態(tài)顯示，可以從視覺化的角度觀測地球重力場可視化數(shù)據(jù)子集的變化規(guī)律，從而完成對可視化數(shù)據(jù)子集的直觀分析；最后對可視化子集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，分析周期非周期變化規(guī)律，選擇合適的 擬合函數(shù)，預測后續(xù)數(shù)據(jù)子集的變化規(guī)律，并實現(xiàn)動態(tài)顯示，這樣可以完成地球重力場可視 化數(shù)據(jù)子集的可視化預測。例如通過本專業(yè)領域熟知的球諧分析方法生成可用于衛(wèi)星軌道 確定的地球重力場可視化數(shù)據(jù)子集，并進行數(shù)據(jù)子集的動態(tài)顯示，這樣可以直觀地圖形化 分析其變化規(guī)律；同時又可利用統(tǒng)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(shù)，實現(xiàn)對重力場的變化的預測，并完成動態(tài)顯示，從而實現(xiàn)對重力場數(shù) 據(jù)的圖形化直觀預測。此外，本發(fā)明中統(tǒng)一格式的點值數(shù)據(jù)可根據(jù)用戶需要自定義，但需要 包括點號、大地經(jīng)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(wǎng)數(shù) 據(jù)，可以將該格網(wǎng)數(shù)據(jù)當作點值文件處理，但需標注時間。 本發(fā)明中統(tǒng)一格式的格網(wǎng)數(shù)據(jù)也可以自定義格式，也可借鑒已有格式定義，如 GeoTIFF格式。
權(quán)利要求
一種地球重力場數(shù)據(jù)的四維動態(tài)可視化分析方法，其特征在于，實現(xiàn)地球重力場數(shù)據(jù)的四維動態(tài)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(shù)據(jù)進行清洗，即首先對不同機構(gòu)或部門提供的地球重力場數(shù)據(jù)進行檢查，檢查內(nèi)容包括點之記或點號標識、大地緯度、大地經(jīng)度、高程或大地高、觀測時間、觀測基準和觀測值；其次對檢查后的數(shù)據(jù)進行基準統(tǒng)一并完成粗差剔除；最后將所有的重力場觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式的點值數(shù)據(jù)；(2)面向地球重力場數(shù)據(jù)的四維動態(tài)可視化應用數(shù)據(jù)集生成，即對步驟(1)中的統(tǒng)一格式的點值數(shù)據(jù)按不同時間節(jié)點進行觀測值時間同步處理，然后對每個時間節(jié)點的數(shù)據(jù)進行格網(wǎng)化處理，并對格網(wǎng)化數(shù)據(jù)進行時間戳標記，從而生成不同時間節(jié)點的地球重力場可視化數(shù)據(jù)集；(3)地球重力場可視化應用數(shù)據(jù)集動態(tài)顯示，即利用不同的時間節(jié)點地球重力場可視化數(shù)據(jù)集，通過設置時間步長，對于設置的時間步長所對應的時間戳，沒有相應的觀測數(shù)據(jù)，需要完成數(shù)據(jù)的內(nèi)插，按照地表的平面位置，采用分層設色的方式，同時采用圖層疊加的方式，疊加全球地形數(shù)據(jù)、地理格網(wǎng)數(shù)據(jù)、國界矢量數(shù)據(jù)和地名數(shù)據(jù)，采用OpenGL或Direct3D圖形應用程序設計界面(API)，利用動態(tài)地圖符號，實現(xiàn)動態(tài)顯示；(4)地球重力場可視化應用數(shù)據(jù)集的分析及預測，即首先對地球重力場可視化數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)子集；其次利用步驟(3)方法實現(xiàn)對地球重力場可視化數(shù)據(jù)子集的動態(tài)顯示，實現(xiàn)重力場數(shù)據(jù)的可視化分析過程；最后對可視化子集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，分析周期非周期變化規(guī)律，選擇合適的擬合函數(shù)，預測后續(xù)數(shù)據(jù)子集的變化規(guī)律，并實現(xiàn)動態(tài)顯示，完成地球重力場可視化數(shù)據(jù)子集的可視化預測。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地球重力場數(shù)據(jù)的四維動態(tài)可視化分析方法，其特征在于， 所述時間步長設置優(yōu)選不小于1個月。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地球重力場數(shù)據(jù)的四維動態(tài)可視化分析方法，其特征在于， 動態(tài)顯示方法是在動態(tài)符號的視覺變量與實際變化的特征之間建立映射關系，重力場的時 態(tài)特征和變化規(guī)律就可由符合動態(tài)符號的視覺變量體現(xiàn)出來。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地球重力場數(shù)據(jù)的四維動態(tài)可視化分析方法，其特征在于， 步驟(4)中，對地球重力場可視化數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，提供了一種全球重力場可視化分析方法，包括步驟根據(jù)不同機構(gòu)或部門提供的多源地球重力場數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進行清洗，形成標準的地球重力場可視化應用數(shù)據(jù)集；利用不同時間節(jié)點的地球重力場可視化應用數(shù)據(jù)集，結(jié)合全球地形數(shù)據(jù)，采用四維動態(tài)可視化的方法，實現(xiàn)多個時間節(jié)點的地球重力場可視化應用數(shù)據(jù)的表征。該方法能夠利用大量觀測的原始數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)資料的一致性，確定數(shù)據(jù)資料的可靠性，發(fā)現(xiàn)和提出有用異常，為地球重力場數(shù)據(jù)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(yōu)先權(quán)日2010年2月24日
發(fā)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