政区多粒度时空对象建模及其Geodatabase实现

全空间信息系统是将现实世界抽象为由多粒度时空对象组成的数据世界,对动态且复杂的现实世界中的各类时空实体对象进行表达、分析等。时空数据模型是时态地理信息系统（TGIS）核心,在一些特定领域上取得了较好的应用效果,对时空对象的时态信息进行了一定程度的表达,但仍旧无法完整地描述时空对象的变化以及联系。本文在分析时空数据模型的研究现状和存在问题的基础上,以全空间多粒度时空对象建模为指导思想,以北京近百年来的政区演变为例,分析了政区的基本特征,进而将政区看作是多粒度时空对象,探索了多粒度时空对象的建模方法,对政区进行了多粒度时空对象表达,并采用可视化表达的方法进行了实验验证。结果表明：多粒度时空对象建模能较好地反映政区的空间特征、属性特征和时间特征,反映其在时空上的演变过程以及便于更好地支持时空对象的查询、分析和可视化表达等。     

多粒度时空对象动态行为表达模型与方法研究

对具有动态变化特征的空间实体的描述,除了表达其内在属性外,还应包括动态行为。传统GIS把空间对象内在属性和动态行为分开建模本质上是一种基于地图的静态建模思想,而多粒度时空对象把行为能力作为对象的固有属性,是区别于其它对象的一个重要特征,使得全空间信息系统能够描述具有认知和行为能力的“活”的地理实体。本文针对具有规则化动态变化特征的时空实体的描述与表达,从多粒度时空对象的角度,阐述了多粒度时空对象动态行为的表达思路,提出了多粒度时空对象个体和对象世界的动态行为表达模型,为全面认识和表达空间对象动态变化提供了新的视角。针对动态行为多属性交错改变、多对象复杂联动、多过程动态自主的特点,为开展多粒度时空对象动态行为实际建模,本文归纳了动态行为改变内在属性的4种不同方式,并分别基于动力学、规则、数据挖掘和智能体4个方面对动态行为的表达方法进行了探讨。最后,结合实际应用进行了实证分析,结果表明对空间实体内在属性和动态行为一体建模,不再需要设计额外的数据模型,行为与对象不再分离;采用统一的动态行为表达模型,行为不仅与对象是解耦的,而且是通用的、可继承和复用的;对象不同行为的组合,可以描述空间实体复杂的动态变化的过程,为全空间信息系统中对象行为建模提供了有益经验和借鉴。     

面向全空间信息系统的多粒度时空对象数据模型描述框架

全空间信息系统是一种面向从微观到宏观的动态复杂世界的空间信息系统,其理论基础是多粒度时空对象数据模型。为了确定多粒度时空对象数据模型的具体内容,需要确定描述多粒度时空对象特征的基本框架;为了开展多粒度时空对象的实际建模,需要明确多粒度时空对象数据模型的建模过程。为此,本文首先从数据模型、数据管理、可视化、空间分析和实际应用5个方面,分析了全空间信息系统与传统GIS的联系与区别,从空间范畴、动态变化、复杂关系、认知与行为、可视化技术、时空大数据分析6个方面,分析了传统GIS空间数据模型存在的不足;在此基础上,提出了多粒度时空对象的多粒度、多类型、多形态、多参照系、多元关联、多维动态、多能自主7个特点,确定了由时空参照、空间位置、空间形态、组成结构、关联关系、认知能力、行为能力和属性特征8项内容构成的多粒度时空对象数据模型描述框架;最后在分析了传统GIS空间数据模型建模过程的基础上,提出了多粒度时空对象数据模型的建模过程和思路。     

基于时变网络的多粒度时空对象关系演化过程表达与建模

对空间事物的表达与研究模型主要针对多粒度时空数据本身的描述,而不是描述多粒度时空对象的相关性。多粒度时空对象是一种新的时空对象表达方法,其中时空对象关系的演化过程是一种抽象的复杂的网络的过程。本文在多粒度时空对象表达的基础上,对其演化过程进行形式化定义,提出以时变网络的方法构建初步的关系演化过程模型。通过对基于时间切片的退耕还林演化过程关系的描述与表达,形成动态实时变化的网络模型,从而抽象表达退耕还林过程中的对象关系的演化过程。应用时变网络明确多粒度时空对象关系的演化过程,并对演化过程进行初步的表达和建模,可以使对象关系变化更加清晰化,提高其层次性和效率性,为今后研究多粒度时空对象关系变化规律奠定基础。     

多粒度时空对象组成结构表达研究

全空间信息系统、智慧城市的构建,需要将地理实体抽象成时空对象,而时空对象的多粒度性,体现在时空对象具有多尺度、多维度、多层次的特点。如何在当今海量数据中,对多粒度时空对象的信息进行有序组织成为时空对象研究中的难点。本文基于面向对象的思想,提出了一套时空对象组成的表达与操作方法,为时空对象信息的有序组织提供了新思路。该方法基于概念分类理论,将时空对象的组成分为实体对象组成与关系组成,在此基础上,通过构建时空对象信息集族、对象组成集族、关系组成集族,对时空对象组成结构的形式化描述,并基于时空对象的生命周期,给出构建、更新、析构、组合、分解等时空对象组成表达的相关操作,进一步完善多粒度时空对象组成结构的表达。最后,以城市道路的组成信息管理为例,将武昌区珞喻路作为研究的时空对象,对城市道路时空对象组成结构的表达及操作进行举例说明。该方法的提出,实现了多粒度时空对象组成结构的表达,减少时空对象组成的冗余。     

面向对象的地理实体时空位置多粒度表达

同一地理实体在不同的时空粒度下会表现出相异的位置动态变化规律。近年来,如何对地理实体在不同时空粒度下的时空位置进行组织和表达成为GIS研究的热点之一。本文基于面向对象的思想,设计了“三级空间”和“0-1位置变化序列”,并由此提出一种地理实体时空位置的多粒度表达方法。在实体时空位置的多粒度描述方面,对于任一地理实体,空间维度上构建一种具有不同空间粒度的“全局—相对—对象”三级空间;时间维度上将不同时段或时刻转换为一系列不同时间粒度的离散时间点。在实体时空位置的多粒度存储组织方面,将地理实体时空位置的变化过程划分为不同阶段,对该实体在不同时间点下的空间位置信息设置不同的存储方式,可合理减少信息冗余。在实体时空位置的多粒度转换方面,提出基于三级空间的递进认知、时间点与时段之间快速转换等策略,初步实现了地理实体时空位置在不同时空粒度下的转换。该方法可有效地描述地理实体在可变时空粒度下的时空位置,为时态GIS和多粒度时空数据库的建立提供参考。     

基于多粒度时空对象数据模型的城市基础设施建模与管理

城市基础设施的全方位描述与信息化管理是建设新型智慧城市的重要基础。目前在城市基础设施建模与管理方面,以地图为模板的空间数据模型、传统的面向对象空间数据模型以及实时GIS数据模型不支持对时空对象组成结构、行为能力等要素的描述,无法全面、精细地表达设施对象信息,而计算机、物联网和地理信息系统（Geographic Information System,GIS）领域已有的城市基础设施管理方案忽略了对设施自身信息的管理,无法较好地支持设施对象及其产生数据的一体化管理。针对上述问题,首先通过扩展GBT30428.2-2013标准,完成了城市基础设施的分类与编码;然后基于多粒度时空对象数据模型（Multi-granularity Spatiotemporal Object Data Model, MGSTODM）,提出了一种城市基础设施对象化描述模型,支持对城市基础设施信息的全方位描述与表达;在此基础上,提出一种城市基础设施对象化管理方法,设计了相应的技术架构,并研制了基于云存储的百万级城市基础设施对象化管理原型系统。试验结果表明,所提出的城市基础设施对象化描述模型与管理方法具备可行性、有效性和高效性。     

面向多粒度时空对象数据模型的网络电子地图生成方法

传统网络电子地图生成是以要素进行组织的,在表达地理实体动态变化、关联关系以及多粒度特征时存在一定的局限性。而多粒度时空对象数据模型旨在解决现实世界到对象所组成的事物空间之间的映射这一科学问题,为时空实体的可视化提供了新的思路,为展示地图要素间复杂关联、多维动态等特征提供了模型基础和数据保证。本文将多粒度时空对象数据模型引入网络电子地图生成当中,渐进得改变了以往网络电子地图依靠图层数据生成的模式,基于多粒度时空对象的概念、模型框架以及数据存储与管理方式,提出了2种网络电子地图生成方法。一种是利用多粒度时空对象数据重建图层,为现有网络制图工具提供“中间件”,使其能够调度和使用多粒度时空对象数据;另一种是将多粒度时空对象数据和地图符号进行绑定,使网络电子地图不再依赖于图层而能根据多粒度时空对象动态更新,同时便于将对象之间的关系、组成结构等非结构化属性特征进行可视化。同时,本文通过实验验证了2种方法的可行性,为多粒度时空对象在网络电子制图领域的应用进行了有效实践。     

多粒度时空事件建模与可视化方法初探

基于全空间信息系统的应用背景和多粒度时空对象的思想,探讨了时空事件的内涵和基本特征,并提出了多粒度时空事件的概念;分析了现有时空数据模型特点,基于多粒度时空对象数据模型,提出了多粒度时空事件建模的基本理念;以此为依据,针对现有可视化技术的不足,对全空间信息系统对多粒度时空事件的表达特点进行了初步阐述。     

多粒度时空对象的行为控制与动态显示

行为特征是多粒度时空对象的重要特征,是对象之间控制与响应的重要方面,是体现时空对象相互作用、动态变化的核心。传统GIS往往采用系统外挂的方式解决对象的响应与控制问题,无法提供底层模型支持。针对这一问题,采用多粒度时空对象数据模型为对象行为建模,描述对象行为特征的框架,设计其逻辑数据结构和存储格式,在此基础上,研究行为的触发和调用机制,设计其在全空间信息系统中的运行流程,最后搭建原型系统进行实验。结果表明,设计的模型框架、触发和调用机制可以从模型底层有效解决对象的控制与响应问题,具有一定的实用性和可靠性,能够为多粒度时空对象的行为表达提供科学依据。     

时空对象的聚类方法与应用初探

针对传统GIS数据模型描述信息有限以及对象化聚类分析内容不够全面的问题,提出了基于时空对象的聚类方法的流程和应用特点。首先总结了空间聚类和时空聚类的研究现状和主要方法;根据全空间信息系统中多粒度时空对象的描述框架及时空数据的"三维"特征,认为基于时空对象的聚类方法应包含3个方面:时空对象时间序列的相似性描述、基于时空对象的聚类计算及时空对象聚类的有效性评价;最后总结了该方法的特点并展望了其应用场景。基于时空对象的聚类方法研究有助于更全面地分析时空对象空间位置、属性特征及其变化特点,为多粒度时空对象的时空分析提供一种思路。     

多粒度时空对象建模的基本内容与方法

多粒度时空对象数据模型是全空间信息系统的基础,构建多粒度时空对象数据模型是全空间信息系统的核心任务。分析了多粒度时空对象建模的基本内容,包括基本概念、基本流程、关键问题等。在此基础上提出了多粒度时空对象建模的5种基本方法,并分析了每种建模方法的主要特点和适用范围。     

地理信息系统研究新范式

随着大数据时代的到来,地理信息系统（GIS）的时空范畴、信息内容和应用场景都得到了前所未有的扩展,地理信息系统需要由例外处理的被动适应方式,转变为内核支持的主动扩展方式,将地理信息系统扩展为新一代时空信息系统。本文在分析地理信息系统本质是以地图数据模型为核心的信息系统的基础上,从研究对象、基本原理和技术方法3个方面总结梳理了地理信息系统研究范式,并分析阐述了时空信息扩展对地理信息系统研究范式的新要求。其次,在分析全空间信息系统（PSIS）认知模型与多粒度时空对象数据模型的基础上,归纳出全空间信息系统基于时空实体的理论与技术路线,并总结其在多个领域的实践与应用。然后,系统分析了全空间信息系统对地理信息系统研究对象、基本原理和技术方法的具体扩展方式,提出全空间信息系统研究范式。最后,总结梳理了全空间信息系统研究范式的基本内容,并与地理信息系统研究范式进行了核心内容的分析对比,展望了地理信息系统研究范式进阶将带来的影响和变化。     

基于时空域的全空间数字世界时空对象组织与管理研究

全空间数字世界是在计算机系统中由描述现实/虚拟世界各种实体与要素的时空对象数据所构成的综合数据体,是一种对从宏观到微观的现实/虚拟世界的对象化数据描述。传统GIS对地理空间数据的分块与分层管理方法,无法满足全空间数字世界中复杂、动态、关联的时空对象组织与管理的需要,因此,本文研究提出了一种基于时空域的全空间时空对象组织与管理方法。在分析了全空间数字世界的概念、内容和特点的基础上,提出了时空域的基本概念,明确了时空域的数据组织方式和本质特性;建立了面向时空域的子时空域、时空对象类、对象关系类和时空域时空对象生命周期序列的时空对象数据组织体系和管理方法,并进行了时空域数据的存储与管理实验,验证了基于时空域的全空间时空对象组织与管理方式在管理全空间数字世界中的实用性和可行性,为后续示范应用场景中时空对象的生成与处理、检查与校验、可视化与输出提供底层支撑。