Создание треугольных сеток на сфере

Рассматриваются вопросы создания треугольной сетки на сфере. Приводится программа построения сетки в сферическом треугольнике на Си. Прилагаются слои сетки на основе икосаэдра.

Содержание

[править] Постановка задачи

Требуется создать регулярное покрытие сферы треугольниками, близкими по размеру и форме. В качестве эталона примем сетку, образованную на плоскости равносторонними треугольниками. Отличие геометрии треугольника от правильной равносторонней будем интерпретировать как искажение формы. [1]

В начале рассмотрим алгоритм построения сетки в базовом сферическом треугольнике. Затем уделим внимание различным способам разделения сферы на базовые сферические треугольники. Наконец, представим пример создания треугольной сетки на основе икосаэдра.

[править] Генерация сетки в сферическом треугольнике

Процедуру создания на некоторой поверхности сетки треугольников обычно называют триангуляцией. В качестве базы для создания сетки используем некоторый сферический треугольник, заданный координатами своих вершин.

Назовём бисекцией операцию деления исходного треугольника на четыре треугольника нового поколения. Собственно термин «бисекция» относится к делению сторон пополам. В середины рёбер вставляются новые вершины (белые точки на рисунках), которые соединяются новыми рёбрами (пунктирные линии), образующими новые треугольники. Следующее поколение получается очередной бисекцией.

В терминах геометрии на сфере задача вставки точек в стороны треугольников решается последовательным решением обратной и прямой геодезических задач. Однако в данном случае гораздо проще использовать векторную алгебру. Пусть концы стороны заданы векторами a и b; тогда средняя точка f вычисляется как их нормированная сумма:

Исходный треугольник делится на девять треугольников нового поколения. В результате трисекции каждая сторона делится на три равных отрезка, в концы которых вставляются вершины. Итого шесть новых вершин, и седьмая вставляется в геометрический центр треугольника. Вершины соединяются рёбрами, образующими треугольники.

Проще всего вычислить положение центральной точки g:

где a, b и c — векторы вершин исходного треугольника.

Разделить стороны на три равных отрезка сложнее. Удобное решение предлагает утилита PROJ.4 geod:

Здесь параметры lat_1, lon_1, lat_2, lon_2 задают начало и конец линии, а параметр n_S определяет число отрезков. Результатом будут широты и долготы четырёх точек, лежащих на равных расстояниях вдоль линии.

Приведём пример программы на Си генерации сетки в треугольнике, реализующей метод бисекции:

Текст кода находится в файле triangulate.c в архиве Sph_tri.zip. Файл triangulate.h содержит необходимые объявления:

Создадим исполняемый модуль triangulate компилятором gcc:

Готовый исполняемый модуль для MS Windows triangulate.exe можно найти в архиве Sph_tri-win32.zip.

Программа запускается в командной строке с двумя аргументами. Первый аргумент — название файла, содержащего координаты вершин базового треугольники. Это должен быть текстовый файл, и в первых трёх строках он должен содержать значения координат «долгота широта» в десятичных градусах, разделённые пробелом или табуляцией. Второй аргумент — количество бисекций.

На выходе создаются файлы сетки отдельно для вершин, рёбер и фасеток.

Долготы всех точек в выходных файлах находятся в диапазоне от −180° до +180°.

В качестве координатной системы указана «долгота/широта внутренняя»: "CoordSys Earth Projection 1, 0". MapInfo под нулевым кодом подразумевает WGS 84, но QGIS и, возможно, другие программы интерпретируют этот код неверно. Для использования результатов в программах ГИС следует заменить ноль на требуемый код датума. Так, для WGS 84 следует подставить 104, для сферы Google — 157, а для Pulkovo-42 (Hungary) — 1001. Можно использовать и полную нотацию с явным указанием параметров преобразования Молоденского или Бурша-Вольфа; детали изложены в руководствах пользователя MapInfo Professional.

[править] Сферические многогранники

Сферический многогранник — разбиение сферы дугами больших окружностей на замкнутые области, называемые сферическими многоугольниками. Способы разбиения сферы ничем не ограничены. Однако регулярные построения обычно основаны на пространственной симметрии тетраэдра, октаэдра или икосаэдра.

Нас интересуют способы разбиения сферы на равносторонние или близкие к равносторонним треугольники. В центре такого треугольника построенная на его основе сетка будет близка к регулярной. Наибольшие искажения формы сетки будут вблизи углов базового треугольника. Несложный анализ показывает, что с позиции сохранения формы выгоднее всего опираться на симметрию икосаэдра. Подходящие многогранники — правильные и полуправильные, образованные треугольниками либо пяти- и шестиугольниками, которые разбиваются на почти равносторонние треугольники. Рассмотрим лишь несколько многогранников, удовлетворяющих этим требованиям.