本文關鍵詞：全球海洋水體三維建模理論與技術研究　出處：《解放軍信息工程大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：海洋科學在20世紀后半葉得到迅速發(fā)展,人們逐漸認識到海洋在全球環(huán)境與人類社會可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著至關重要的調(diào)節(jié)作用。從20世紀90年代起,遠洋與近海并重已經(jīng)成為國際海洋學的研究趨勢,并呈現(xiàn)出鮮明的全球性、整體性、系統(tǒng)性的特點。全球海洋水體研究是從全球視角研究海洋環(huán)境的基礎,在洋流監(jiān)測、氣象預報、防災減災、環(huán)境治理、極地科考中都占據(jù)著重要地位。在全球范圍對海洋水體、兩極冰體進行三維建模、仿真和分析成為國內(nèi)外研究的熱點。本文針對全球海洋水體、極地冰體的三維建模與可視化需求,從三維幾何模型、全球海洋水體網(wǎng)格模型、數(shù)據(jù)組織存儲模型等方面展開研究,主要成果有:1、通過分析全球海洋水體的空間結(jié)構(gòu)特征,提出空間要素的幾何形態(tài)與空間要素所在空間維度存在如下關系:空間要素的維數(shù)與其所在空間的空間維數(shù)相等時,要素的邊界就代表了其幾何形態(tài);當空間要素的維數(shù)低于其所在空間的空間維數(shù)時,要素的邊界并不能代表要素的幾何形態(tài),還需要增加若干低維的型值點或型值線(也稱骨架線)才能完整描述空間要素的幾何形態(tài)。在此基礎上,提出了“上、下表面縫合于海岸線構(gòu)成海洋水體幾何邊界”的全球海洋水體宏觀幾何形態(tài)的概念模型。其中,近似球面的海洋大地水準面或?qū)崪y的海洋上表面為全球海洋水體的上表面,崎嶇不平的海底地形表面為下表面,上、下兩個曲面縫合于海岸線構(gòu)成海洋水體幾何邊界。全球海洋水體三維幾何模型為建立全球海洋水體空間網(wǎng)格,并在此基礎上構(gòu)建全球海洋環(huán)境數(shù)據(jù)組織管理提供了理論支撐。2、提出了全球海洋水體菱形棱柱網(wǎng)格模型。首先,基于正八面體的球面四元三角網(wǎng)格(QTM)設計了地球表面菱形網(wǎng)格劃分方法,并通過徑向劃分實現(xiàn)對全球海洋水體的立體網(wǎng)格剖分,形成基于八叉樹規(guī)則的菱形棱柱立體網(wǎng)格剖分模型。然后,設計了菱形棱柱網(wǎng)格單元編碼方案及其與空間坐標的換算方法。實驗結(jié)果表明,基于菱形棱柱網(wǎng)格實現(xiàn)了對全球海洋水體規(guī)則化、多層次、唯一性的剖分與編碼,為全球海洋環(huán)境數(shù)據(jù)組織提供了基礎。3、針對全球海洋環(huán)境數(shù)據(jù)多源、多分辨率、海量的特點和集成管理的應用需求,設計了菱形棱柱網(wǎng)格存儲方案,論述了影像、高程、海水場數(shù)據(jù)(溫度、鹽度、密度等)向菱形棱柱網(wǎng)格轉(zhuǎn)換的流程;提出了稀疏八叉樹索引構(gòu)建與檢索算法,并基于關系數(shù)據(jù)庫進行了具體實現(xiàn)。4、針對海水場數(shù)據(jù)立體網(wǎng)格化處理中的插值問題,提出了基于菱形棱柱四面體細分的體函數(shù)插值算法。首先,設計了菱形棱柱網(wǎng)格單元的頂點排序方法,提出了菱形棱柱網(wǎng)格單元的四面體細分算法。然后,分析了體函數(shù)的數(shù)學模型與擬合方法,提出了基于四面體的體函數(shù)插值算法。5、開發(fā)了全球海洋水體三維建模與可視化試驗系統(tǒng),實現(xiàn)了對全球海底地形、海面高度、海水數(shù)據(jù)場等基礎環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織與管理,在中國周邊海水溫度、鹽度、密度數(shù)據(jù)組織和三維可視化、海洋水體數(shù)據(jù)建模等典型任務中得到應用,驗證了基于菱形棱柱立體網(wǎng)格的全球海洋水/冰體三維幾何模型與屬性場數(shù)據(jù)組織模型的有效性,為全球海洋水/冰體環(huán)境研究提供了新的工具和方法。
【學位授予單位】：解放軍信息工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：P71

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本文編號：1327425