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GCTL Mesh Library
GCTL Mesh是地球物理计算工具库(Geophysical Computational Tools & Library)的网格处理模块，提供了多种类型的网格实现和操作功能。
功能特点
- 支持多种网格类型的创建和操作
- 提供2D和3D网格的实现
- 包含规则网格和非规则网格的处理
- 支持球面网格的处理
- 支持网格数据的导入导出（包括Gmsh格式和二进制格式）
- 支持标量、矢量和张量数据的处理
代码库结构
核心库 (lib/)
lib/
├── mesh/ # 核心网格实现
│ ├── mesh.h # 网格基类
│ ├── meshdata.h # 网格数据结构
│ ├── regular_grid.h # 规则网格实现
│ ├── linear_mesh_2d.h # 2D线性网格
│ ├── linear_mesh_3d.h # 3D线性网格
│ ├── tri_mesh.h # 三角形网格
│ ├── tet_mesh.h # 四面体网格
│ └── regular_mesh_sph_3d.h # 球面网格
├── io/ # 输入输出处理
│ ├── gmsh_io.h # Gmsh格式支持
│ ├── netcdf_io.h # NetCDF格式支持
│ └── binary_io.h # 二进制格式支持
└── utils/ # 工具函数
├── math_utils.h # 数学工具
└── geo_utils.h # 几何工具
依赖关系
mesh.h→ 基类，定义网格接口meshdata.h→ 依赖 mesh.h，实现数据管理- 具体网格类 → 继承自 mesh.h，实现特定网格功能
实现细节
数据结构
网格节点 (Node)
struct Node {
int id; // 节点ID
double x, y, z; // 节点坐标
array<int> elems; // 相邻单元列表
};
网格单元 (Element)
struct Element {
int id; // 单元ID
array<Node*> vertices; // 顶点列表
array<Element*> neighbors; // 相邻单元
};
数据管理 (MeshData)
class MeshData {
string name; // 数据名称
DataType type; // 数据类型
array<double> values; // 数据值
bool output_enabled; // 输出控制
};
核心功能实现
网格生成
- 规则网格：基于给定维度和间距生成
- 非规则网格：支持从外部文件导入或程序化生成
- 球面网格：基于经纬度和径向参数生成
数据操作
- 插值：支持线性插值和高阶插值
- 梯度计算：支持一阶和二阶导数
- 数据过滤：支持平滑和降噪操作
文件格式支持
- Gmsh格式：
.msh文件，支持网格和数据的导入导出 - NetCDF格式：
.nc文件，支持结构化数据的存储 - 二进制格式：
.bin文件，用于高效的数据存储和读取
性能优化
数据结构优化
- 使用连续内存存储提高访问效率
- 采用邻接表存储拓扑关系
- 使用哈希表加速查找操作
算法优化
- 网格生成采用增量构建策略
- 查找操作使用空间分区技术
- 并行计算支持（可选）
文档
基础类
mesh.h: 网格基类，定义了基本的网格接口和功能meshdata.h: 网格数据结构的定义和处理
规则网格
regular_grid.h: 通用规则网格实现，支持2D和3Dregular_mesh_2d.h: 二维规则网格，专注于2D结构化网格regular_mesh_3d.h: 三维规则网格，专注于3D结构化网格regular_mesh_sph_3d.h: 三维球面规则网格，适用于地球物理建模
线性网格
linear_mesh_2d.h: 二维线性网格，用于表示2D空间中的线段linear_mesh_3d.h: 三维线性网格，用于表示3D空间中的曲线
非规则网格
tri_mesh.h: 三角形网格，用于复杂2D区域的离散化tet_mesh.h: 四面体网格，用于复杂3D区域的离散化
编译和安装
系统要求
- C++11或更高版本
- CMake 3.10或更高版本
- 可选依赖：
- NetCDF (用于NetCDF格式支持)
- MathGL (用于可视化支持)
- GMT (用于地理数据处理)
编译步骤
mkdir build
cd build
cmake ..
make
make install
配置选项
GCTL_ENABLE_NETCDF: 启用NetCDF支持GCTL_ENABLE_MATHGL: 启用MathGL可视化GCTL_ENABLE_GMT: 启用GMT支持GCTL_BUILD_EXAMPLES: 构建示例程序GCTL_BUILD_TESTS: 构建测试程序
应用场景
- 规则网格：适用于简单几何形状的离散化，如矩形/立方体区域
- 线性网格：
- 2D：用于表示边界、裂缝等线性特征
- 3D：用于表示输电线路、管道系统、裂缝网络等
- 三角形网格：适用于复杂2D区域的有限元分析、流体动力学等
- 四面体网格：适用于复杂3D区域的有限元分析、计算流体力学等
- 球面网格：特别适用于地球物理学、大气科学等全球尺度的模拟
性能考虑
内存管理
- 大规模网格处理时注意内存使用
- 支持数据流式处理
- 提供内存使用估算功能
计算效率
- 网格操作采用高效算法
- 支持并行计算（可选）
- 提供性能分析工具
API示例
详细的API使用示例请参考各个网格类型的文档。基本使用模式如下：
// 创建网格对象
gctl::regular_grid rgd;
rgd.init("grid-1", "test grid", 4, 4, 0.0, 0.0, 1.0, 1.0);
// 添加数据
rgd.add_data(gctl::NodeData, gctl::Scalar, "temperature", 25.0);
rgd.add_data(gctl::ElemData, gctl::Vector, "velocity", velocity_array);
// 保存网格
rgd.save_gmsh("output.msh", gctl::OverWrite);
许可证
该项目采用双重许可证方案：
- GNU Lesser General Public License v2或更高版本
- 商业许可证（需单独申请）
联系方式
作者：Yi Zhang (yizhang-geo@zju.edu.cn)
版权声明
Copyright (c) 2023 Yi Zhang
使用示例
库提供了多个完整的示例程序，展示了不同功能的使用方法：
基础网格操作
// mesh_ex1.cpp - 基础网格创建和数据操作
gctl::regular_grid rgd;
rgd.init("grid-1", "null", 4, 4, 0.0, 0.0, 1.0, 1.0); // 创建4x4网格
rgd.add_data(gctl::NodeData, gctl::Scalar, "data-1", 2.5); // 添加节点数据
rgd.add_data(gctl::ElemData, gctl::Scalar, "data-2", 1.2); // 添加单元数据
文件导入导出
// mesh_ex5.cpp - NetCDF格式文件操作
gctl::regular_grid rgd;
rgd.load_netcdf_grid("data/input.nc", gctl::ElemData, "x", "y"); // 读取网格
rgd.save_netcdf_grid("data/output.nc", "example"); // 保存网格
球面网格处理
// mesh_ex10.cpp - 3D球面网格创建
gctl::regular_mesh_sph_3d rm_3ds;
rm_3ds.init("mesh-1", "null", 30.25, 30.25, 2005, 0.5, 0.5, 10, 40, 40, 50);
rm_3ds.add_data(gctl::ElemData, gctl::Scalar, "data-1", 2.5);
rm_3ds.save_gmsh("mesh_sample10", gctl::OverWrite, gctl::NotPacked);
更多示例可以在example目录下找到：
mesh_ex1.cpp: 基础网格创建和数据操作mesh_ex2.cpp: 网格数据的导入导出mesh_ex3.cpp: 网格变换和操作mesh_ex4.cpp: 非结构化网格处理mesh_ex5.cpp: NetCDF格式文件操作mesh_ex6.cpp: 网格数据插值mesh_ex7.cpp: 网格数据统计分析mesh_ex8.cpp: 二维规则网格操作mesh_ex9.cpp: 三维规则网格操作mesh_ex10.cpp: 球面网格处理