[发明专利]一种可适应性的地球系统空间格网的构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种地球系统空间框架与坐标系统，尤其涉及一种可适应性格网分辨率的地球系统空间格网系统的构建方法。

背景技术

全球变化与地球系统科学研究需要一种统一的地球系统空间框架，以支撑多学科相互协作、多领域数据建模与互操作。地球系统是一个多圈层(地核、地幔、地壳、海洋、大气层、电离层等)结构的、多物理场(物质场、温度场、应力场、地磁场、重力场等)耦合的复杂巨系统。全球离散格网(Discrete GlobalGrid，DGG)仅对球面进行格网剖分，只能处理近地表问题，不能解决地下或地上问题，无法成为地球系统的统一空间框架。面向地球系统整体空间剖分的球体全球空间格网(Global Spatial Grid，GSG)能有效处理地表、地上及地下问题，可成为地球系统的统一空间框架。

现有的球体GSG主要有球体经纬格网、Cube-sphere格网、Yin-Yang格网、自适应格网、Ballard格网、Baumgardner格网等。这些球体GSG均源自地球物理领域，在格网非收敛、地理一致、非重叠、一致划分等方面存在不足，不仅难以在地球物理领域通用，更无法满足全球海洋、大气、重磁、航空、航天、空间环境等领域的应用需求。球体退化八叉树格网(Spheroid Degenerated OctreeGrid，SDOG)虽然具有格网非收敛、地理一致、非重叠、一致划分等优点，但在适应性格网分辨率及明确的球体大小与定位方面仍有不足。可适应性格网分辨率指在球面维度(a、b)与半径(c)上同时具有同步变化的多分辨率与非同步变化的多分辨率特征，以便适应不同领域数据集的空间粒度特点及非均匀的空间建模需要。例如，格网粒度2^-ia×2^-ib×2^-ic为球面与半径维度上具有同步变化的多分辨率，而格网粒度2^-ia×2^-ib×2^-jc(i＞j或i＜j)为球面与半径维度上具有非同步变化的多分辨率。可适应性格网分辨率及明确的球体大小与定位是构建地球系统空间框架的基本要求。

空间编码利用1维线性码标识球体GSG格网，可隐含地表达格网的空间位置信息、分辨率信息及层次信息，是球体GSG的坐标系统。空间编码是球体GSG成为地球系统空间框架不可缺少的要素。按地理第一定律，格网编码应使相邻格网的编码应尽可能连续、成簇，且连续的编码所对应的格网应尽可能相邻。

本发明的主要目的是提供一种满足格网非收敛、地理一致、非重叠、适应性分辨率、球体定位明确及具备空间编码等基本要求的地球系统空间格网(EarthSystem Spatial Grid，ESSG)，为地球系统科学研究提供一种新的、统一的全球空间框架，以满足地球系统空间建模、地球系统数据互操作、数据组织与搜索服务等需要。

三、发明内容

(一)技术方案

本发明提供了一种基于格网非收敛、地理一致、非重叠的球体退化八叉树格网(SDOG)的可适应性的地球系统空间格网层次剖分及编码方法。

在SDOG剖分中，任一给定的三维空间分辨率(也即格网粒度)均可近似地对应该层次性空间格网的某一剖分次数(以下简称“剖次”)。设所要求的球面分辨率与径向分辨率分别对应剖次Ns及Nr，两者较小者N＝Min(Ns，Nr)，差值的绝对值ΔN＝|Ns-Nr|，则可适应性的地球系统空间格网的剖分方法如下：

1)选择半径R_s＝2⁴R_e(R_e为地球半径，取为6,400km)的球体为基础球体，将基础球体的球心置于地心，并采用与地球赤道面及经过格林威治天文台的子午面相重叠的两个大圆面，以及与这两个大圆面正交的大圆面，分别剖分上述基础球体，得到8个等同的八分体，如图1；

2)采用退化八叉树方法对各八分体进行N次递归剖分，步骤如下：

a)首先，以过径线中点的球面二分八分体；然后，以过经线中点的等纬面二分外层格网；最后，以过纬线中点的等经面二分外层格网的下部格网。八分体1次剖分将产生3种基本格网，分别称为球面退化格网(SG)，纬线退化格网(LG)及正常格网(NG)，如图2所示；