顾及地表形态特征的全球“自然”格网多尺度建模

Knowledge about the shape properties of the Earth surface and terrain features is urgently needed, in the exploration and interpretation of the extensive or global natural phenomena such as environmental monitoring, climatic analysis, hydrological analysis, meteorological service, simulation of sea level rise, etc. However, traditional global discrete grids can not directly provide the necessary natural morphological parameters for exploration and decision making. Therefore, after introducing the Global "Nature" Grid (GNG) model, some basic theory and key techniques of constructing a combined geometrical and topological multi-scale hierarchy are discussed in this research to support the bidirectional operation , including the topological simplification design and local morphology update operation for the global nature grid, the combined geometrical and topological multi-scale hierarchy supporting bidirectional operation as well as the error description. Moreover, an experimental system is developed with the multi-resolution terrain dataset of the whole earth surface and parts of China. The research achievements will provide a novel natural data structure and comprehensive analysis model, which can seamlessly satisfy the practical application.

在某些大范围（或全球）自然现象如环境监测、气候分析、水文分析、气象服务以及海平面上升模拟的研究和解译中，人们更加需要的是关于地球表面形状属性和地形特征的知识，传统全球离散格网无法为人们分析和辅助决策直接提供必需的自然形态参数信息。为此，本项目在提出全球”自然”格网的基础上，对其几何与拓扑相协调的多尺度“双向”操作层次体系构建的若干基本理论和关键技术进行研究，内容包括：全球自然格网拓扑简化操作设计及其局部形态更新、几何与拓扑相协调的“双向”操作层次体系及其建模精度描述。并采用全球和我国部分地区多分辨率地形数据，设计和开发相应的实验。研究成果有望为实际应用提供一种新的自然无缝的数据模型结构和综合分析模式。

近年来，随着数据采集技术的迅猛发展，采样分辨率和模型精细度得到了极大改善。然而，庞大的数据量对传统的建模与分析方法构成了挑战。同时，在某些大范围（或全球）自然现象如环境监测、气候分析、水文分析、气象服务以及海平面上升模拟的研究和解译中，人们更加需要的是关于地球表面形状属性和地形特征的知识，传统的全球离散格网（如QTM、Voronoi/TIN）虽然可以达到模拟地球表面的目的，但构建的全球 DEM 并不能实现地球表面自然形态特征的直接揭示和多尺度表达，更无法为上述自然现象的分析和解译直接提供必需的自然形态参数信息。基于Morse复形的全球自然格网能够对全球地表形成简洁的描述，并直接揭示自然形态信息。为此，本研究对全球自然格网多尺度建模的基本理论和关键技术进行了研究，包括基于Morse 复形的全球自然格网多拓扑尺度分析与表达模型、全球自然格网的局部形态更新模式以及拓扑简化技术的应用研究。主要结果包括：构建了顾及地表形态特征的全球自然格网模型及多拓扑尺度分析模式；发展了一种实用的全球地表形态的局部更新技术；提出了一种基于拓扑层次的DEM自适应选点简化方法；开发了一个顾及地表形态特征的全球自然格网多尺度建模实验原型系统。研究成果丰富了全球离散格网建模理论技术体系，促进了“空间信息格网(Spatial Information Grids)”和“全球GIS”的研究进展，为实际应用提供了一种新的自然无缝的数据模型结构和综合分析模式。