全球多尺度三维矢量数据模型及其空间分析方法研究

大比例尺矢量数据在网络三维虚拟地球系统中表达主要以栅格化方式为主，难以实现空间分析。已有的三维矢量模型研究中尚缺乏将球面剖分方法、多尺度地形模型和二维矢量模型有机集成为一体，构建面向全球的多尺度三维矢量模型并实现空间分析。对此，课题主要工作包括：在分析已有球面剖分的理论与方法基础上，突破极地球面剖分的难点，研究顾及索引效率与剖分精度的一体化球面剖分方法。在此基础上，研究与全球多尺度地形模型适应的三维矢量数据模型，包括：三维矢量数据结构、三维矢量数据索引和三维矢量拓扑重建等。面向网络传输，研究三维矢量的压缩简化、组织与存储方法。基于三维矢量数据模型，研究三维矢量的查询、叠置、缓冲区和最短路径等空间分析方法。最后开发试验系统对上述算法和方法的有效性进行验证分析。通过课题研究将为大比例尺矢量数据在网络三维虚拟地球系统中组织、可视化和空间分析奠定技术基础。

大比例尺矢量数据在网络三维虚拟地球系统中表达主要以栅格化方式为主，难以实现空间分析。已有的三维矢量模型研究中尚缺乏将球面剖分方法、多尺度地形模型和二维矢量模型有机集成为一体，构建面向全球的多尺度矢量模型并实现空间分析。对此，课题主要研究内容：（1）在分析已有球面剖分的理论与方法基础上，突破极地球面剖分的难点，研究顾及索引效率与剖分精度的一体化球面剖分方法。（2）在此基础上，研究全球多尺度矢量数据模型，包括：矢量数据结构、矢量数据索引和矢量拓扑重建等。（3）研究三维矢量的压缩简化、组织与可视化方法。（4）基于矢量数据模型，研究最优路径，叠置分析和缓冲区分析等空间分析方法。（5）开发试验系统对上述算法和方法的有效性进行验证分析。.主要研究成果包括：（1）提出了一种面向极地的全球离散格网——四元四边网（Quaternary Quadrangle Mesh ，QQM），降低了极地的数据冗余，避免了其他全球离散格网中常见的极点奇异性问题，均优于最近提出的退化四叉树（Degenerate Quadtree Grid ，DQG)。（2）基于QQM，提出了一种全球多尺度三维矢量数据模型：Quaternary quadrangle Vector Tile Model，简称QQVTM，可以无缝的集成全球影像和地形数据进行全球多尺度矢量数据的组织与管理。（3）提出了一种虚拟地球中分块的面对象填充方法，满足矢量数据可视化的要求，提出一种面向可视化的Douglas-Peucker矢量数据压缩算法，满足矢量数据压缩的要求。（4）基于上述模型和方法，提出了面向虚拟地球的最优路径分层规划算法，空间叠置分析算法和线目标缓冲区构建算法。（5）研发了实验平台，对上述算法和方法的有效性进行验证分析。研究成果在GIS领域国际期刊上发表。.通过课题研究，改进了已有变经纬度全球离散格网存在的极点奇异性、格网形状不规则、格网邻接性复杂等问题，保证了格网形状和面积的近似相等，在减小数据冗余的同时提高了极地附近数据组织的精度。突破了网络三维虚拟地球系统应用中大比例尺矢量数据栅格化表达的局限性，构建了全球多尺度矢量空间数据模型，实现矢量数据与多尺度全球地形数据的无缝配准，使二维矢量数据能够在三维虚拟地球系统中准确表达，并进行专业的GIS空间分析与应用，将三维虚拟地球软件平台发展成为具备空间分析的“智慧地球”。