地球空间环境数据管理与可视化实现

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1、摘要摘要近年来，人类对于太空的探索越来越频繁，我国自从2003年首次载人航天“神舟五号”飞船发射成功后，又先后成功进行我国首颗绕月人造卫星“嫦娥一号”发射和首次载人交会对接。然而由于地球外部环境空间的多变性和复杂性，人类对空间的探索活动目前仍存在着巨大的风险，于是空间环境科学越来越受到各国的重视。空间环境科学研究的资料主要来源于卫星探测数据和空间环境模型，所以对于空间环境数据的组织管理具有重要的价值。在此基础上，空间环境数据的可视化需求也在不断增加，科研工作者需要丰富的数据表达方式来对空间科学的探索进行辅助，而社会大众则需要浅显

2、生动，甚至具有交互式的3D可视化方式来对其进行空间环境知识的普及。本文首先对近地空间的国际地磁参考场（IGRF）模型、Tsyganenko磁层（T96）模型和辐射带电子和质子（AE8/AP8）模型进行了介绍，接着对其数学原理进行了研究，讨论了模型的建立过程和数据计算的实现方法。除此之外，分析了空间环境数据的特点，对卫星探测数据的标准化处理流程及数据分级的方式进行了说明。其次本文根据典型模型计算数据和卫星探测数据进行了空间环境数据的建模，设计了能够简单描述空间环境对象的元数据和原始数据组织关系。同时也对空间环境数据的预处理方式如坐

3、标转换、规则网格建立方法进行了说明。最后针对本文需要开发的小型系统，设计了空间环境数据的存储方案，并对一些关键问题给出了解决方案。在理论基础上，针对IGRF模型，本文利用适用于空间环境模型的流线追踪算法，实现了三维场线可视化。对于T96模型，除场线可视化外，还分析了B-L坐标的物理意义，通过经纬度与磁纬度的转换实现了磁层磁壳的可视化。至于AE8/AP8模型，本文首先解决了模型中磁场强度值的地磁模型整合问题，然后引入OPENGL的纹理映射技术和光线投影算法，实现了模型的纹理映射和体绘制。同时对卫星探测数据的普通查询和事件查询两种可

4、视化方式进行了分析和实现。最后，基于MFC应用程序框架开发了小型空间环境数据管理与可视化系统，设计了数据管理和可视化的流程图，并对系统运行效果进行了展示。关键词：空间环境数据，数据管理，科学数据可视化I万方数据II万方数据ABSTRACTABSTRACTInrecentyears,humanspaceexplorationisbecomingmoreandmorefrequent.SinceChina'sfirstmannedspacecraft,Shenzhou-Five,wassuccessfullylaunchedin20

5、03,itsprojectsoffirstlunarsatelliteChang'e-Oneandfirstmanneddockingwerefinishedsuccessively.However,duetothevariabilityandcomplexityoftheEarthexternalenvironmentspace,thereisstillahugeriskinhumanspaceexplorationactivities,sothespaceenvironmentscienceattractsmoreandmo

6、renationalattentions.Thescientificresearchofthespaceenvironmentismainlyderivedfromsatellitedetectiondataandspaceenvironmentmodel,thereforetheorganizationandmanagementofspaceenvironmentdataisveryimportant.Exceptthat,theneedsofspaceenvironmentdatavisualizationarealsoin

7、creasing.Ononehand,scientistsneedvarieddataexpressiontoassisttheirspacescienceexploration.Ontheotherhand,thegeneralpublicsneedvivid,eveninteractive3Dvisualizationtohelpthemtounderstandspacescienceknowledge.Firstly,thisdissertationintroducesthenear-Earthspacemodels,su

8、chastheInternationalGeomagneticReferenceField(IGRF)model,TsyganenkoMagnetosphere(T96)modelandRadiationbeltelectronsandprotons(AE8/A