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。     

基于多粒度时空对象的作战实体对象化建模研究

现代战争的军事作战数据来源广泛多样,目前对于军事作战的数据模型研究主要针对其时空属性进行描述,对于作战实体的多样化特征缺乏完整的表达,难以挖掘多维度的作战信息。多粒度时空对象建模是依照多粒度时空对象数据模型框架,将时空实体简化和抽象为数据模型,对复杂的现实世界进行概括与表达。本文在分析作战实体信息和特点的基础上,依托多粒度时空对象建模的思路,建立作战实体对象类并构建作战对象模型,对战争中时空实体的关联关系、组成结构和行为能力等特征的抽象与表达进行了探索,全面多维地描述作战实体及其特征变化,并以阿富汗战争中的美军凯克提特遣队为例进行对象化建模与可视化实现。实验结果表明,多粒度时空对象建模方法能有效表达作战实体的多维特征,在战场信息挖掘上具有精确立体、全面多维的优势,为面向对象的精细化作战研究提供了理论基础。     

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。     

基于特征的海洋锋线过程时空数据模型分析与应用

客观世界存在时空场,大部分地理实体或现象在时空域具有动态变化特性,其空间、时间和属性是过程的统一体,传统的GIS时空数据模型在描述、表达、组织与分析这类数据时面临许多挑战。然而,基于特征的数据模型和以过程为对象的时空数据组织在动态数据的描述与表达的方面具有独特的优势。本文探讨了基于特征的线过程时空数据模型组织的六元组框架体系,实现空间、时间和属性的一体化存储和地理实体的动态分析。在分析线时空过程特性的基础上,归纳总结出3大类12个类别的线过程,进一步提出了基于特征的线过程时空数据模型(Feature-based Line Process Spatio-temporal Data Model)的概念;利用文件层次分块结构对时空线过程数据进行了组织与存储。最后以海洋锋为实例,探讨了该模型在时空数据组织、时空查询、时空过程提取和时空过程可视化等方面的应用。结果表明,该模型能够很好地应用于具有时空过程特性的线数据中,也为时空数据模型的总体设计提供借鉴。     

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Shapefile的基态修正模型设计与实现

 本文通过对Shapefile文件进行扩展,使用改进的基态修正模型,构建了一种ArcGIS的时空数据模型,支持对时空变化过程的存储、分析和模拟,同时支持传统的GIS空间分析功能。本研究还设计和实现了一种基于多时态矢量数据集的时空数据变化过程发现和时空数据转换算法,此算法可以自动提取多个时态之间的变化过程,将多时态数据转换成基于Shapefile的时空数据模型存储。鉴于该数据模型,设计和实现了时空数据的快照恢复、变化查询、历史演化分析和数据更新方法,验证了模型的可应用性。     

GIS时空数据模型在姓氏谱系研究中的应用

从应用GIS对中华姓氏历史进行分析与模拟的视角出发,提出一个基于事件的姓氏时空谱系数据模型,弥补了现有时空数据模型对姓氏时空分析存在的不足,为GIS对姓氏历史的时空分析研究奠定了基础。     

面向路网轨迹的自适应数据模型与索引结构

针对现有路网轨迹数据模型与时空索引结构自适应调节能力低的问题,提出了一种面向路网轨迹的自适应数据模型与时空索引结构,以支持路网时空轨迹的高效存储与查询。所提出的自适应时空数据模型为多层CLR数据模型的扩展,该模型以从时空轨迹群中挖掘的高频路网路径为主要网络线性元素建立自适应线性基准,并根据自适应线性基准对路网时空轨迹进行转换,转换后的时空轨迹其时空子实体数量变少,可以通过更高的效率进行存储;所提出的自适应时空索引结构为基于LRS的时空索引结构的扩展,该索引结构根据自适应线性基准构建自适应线性参考系统,基于自适应线性参考系统的索引结构其保存的时空子实体数量变少,可以通过更高的效率进行时空查询。为了验证所提出方法的有效性,本文最后采用真实开源T-Drive出租车轨迹数据集与人工合成轨迹数据集进行了充足的实验。实验以2种常见的时空相交查询类型为例,将所提出的方法与原始数据模型以及时空索引结构进行了存储效率和查询效率的对比。对比分析结果表明,所提出的自适应数据模型与索引结构最高能够提升40%的存储效率以及50%的查询效率,为路网轨迹数据的管理提供了新的解决方案。     

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。     

MDA与事件驱动的面向对象时空数据建模研究

面向对象的空间数据模型更符合地理现象的本质特征,目前面向对象的数据库管理系统尚不成熟,在现有的关系数据库及对象关系型GIS平台下进行面向对象的数据建模研究很有必要。本文以模型驱动架构理论为基础,以事件驱动的方法建立面向对象的时空数据模型,探讨在关系数据库及对象关系型GIS平台下,进行时空数据面向对象建模的方法和技术路线。探讨了事件驱动的建模方法以及事件、对象的定义与组织,并应用UML建模语言建立了面向对象的动态行为模型、时态行为模型以及软件模型,对模型的可执行性进行了验证。在关系数据库及对象关系型GIS平台下,实现了面向对象的时空数据建模,并为GIS跨平台和跨系统之间的互操作探索了一条新的途径。     

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。     

GIS与地下水数值模型集成中面向对象法的应用

GIS与专业领域模型的集成面临着许多挑战,其中之一是GIS要适合专业模型的要求。地下水模拟模型需要一个专业的GIS数据结构,同时GIS应用的快速发展,为地下水资源管理提供了辅助决策功能。本文使用面向对象的方法(Object Oriented approach),建立地下水模拟概念模型和适合于地下水可视化模拟的GIS数据结构,并研究GIS与地下水模拟模型紧密集成技术。采用面向对象的思想,将数据、模型和用户接口统一集成到同一个GIS系统中,为模型管理和分析创造了充分的灵活性。     

时空统计学在贫困研究中的应用及展望

消除贫困是人类社会的共同目标。贫困分布具有明显的空间特征,同时呈现出空间异质性和空间相关性。时空统计学以时空分析为优势,在贫困的时空分布及形成机制研究中发挥了重要作用。本文综述了不同时期我国贫困分布的空间特征、贫困数据的空间类型和特征以及贫困时空分布的影响因素,并总结了时空统计学方法在贫困空间研究中的4类应用,包括：探索性空间数据分析,主要为了识别和量化分析贫困的时空分布格局;空间贫困归因分析,通过构建贫困和各地理要素之间的关系模型来分析贫困的影响因素;贫困制图,通过采样区数据得到整个区域的贫困分布;以及贫困的时空变化分析,揭示贫困要素的时空变化过程和其背后的驱动因素。在阐述这些方法的原理基础上,选取了具体案例阐释了时空统计学方法如何应用于空间贫困研究,进一步总结了时空统计学方法在贫困研究中的主要应用和价值;在此基础上,分析了目前空间贫困研究的不足,提出重点应从4个方面拓展时空统计学方法在目前空间贫困领域的研究。     

基于对象流的地缘环境时空分析模型

地缘环境时空分析是对地缘体、地缘关系及地缘结构进行的解析、评价和预测,是把握地缘环境空间特征、关联关系演化规律的重要途径。本文采用文献研究、类比归纳、建模研究等方法,提出地缘环境对象是地理信息世界中对现实地缘环境实体抽象后的数字化表达,地缘环境对象流是对象间物质、信息和能量数据交互过程的总称,与地缘关系间存在映射关系,对地缘环境态势和演化过程具有关键作用。在对地缘环境对象流相关概念和内涵解析的基础上,探讨了地缘环境对象流的数据表达与组织方法,构建了地缘环境分析模型,模型从地缘环境系统构成出发,将地缘环境对象流的分析逻辑和数据模型结合,分别建立地缘环境对象流分析原理的逻辑表达及地缘环境对象化数据组织体系,在数据支持下利用数据分析算法来确定地缘环境对象与地缘关系间的映射函数,实现面向应用场景和具体问题的地缘环境分析。本文对地缘环境分析模型进行了验证,以“印太地区”地缘经济环境分析为例,基于2009—2018年该区域经济水平排位前10的国家经济数据,进行了地缘经济实体特征的抽象、贸易对象流的数据表达与组织、数据分析及地缘关系测度,分析了贸易流的时空变化过程、地缘影响力以及地缘关系群组等,验证了模型在面向具体场景的地缘环境分析中的有效性。     

面向地质时空大数据表达与存储管理的数据模型研究

随着传感器实时监测等高新技术在地质勘查或生产开发中的应用,形成了动态与静态并存、多源异构的地质时空大数据.然而,目前地质信息系统在地质数据组织管理方面,主要是静态地存储和表达出地质矿产勘查或生产开发在某个特定时期的状态,尚不能满足对勘查或生产开发过程中实时信息的存储管理,进而支持对地质过程的分析和研判.针对性开展了地质时空大数据表达与存储管理的数据模型研究,目标是能够融合数据多源与时空多维性,又能够支持时间关联与时间多粒性.针对地质大数据、地质过程的静态与动态数据紧密结合的特点,采用面向对象和基于事件的思想,提出了基于事件多因素驱动的地质时空大数据概念模型,并开展了相应的地质大数据存储管理逻辑模型、基于系统工程库的管理结构和地质时空对象管理模型设计.基于地质时空大数据逻辑组织管理模型和时空过程的非关系型分布式数据库架构,设计了地质大数据存储模型.融合三维地质建模技术、动态监测信息实时可视化等技术,构建了所需模型过程模拟的三维环境,通过绑定观测数据源,设计实现了基于OPC接口的模拟数据产生事件、作用对象响应的矿山动态开采流程.在王家岭煤矿首采区地质数据支持下开展了应用研究,实现地质时空事件条件下的矿山动态开采过程表达与数据管理,验证了本文模型的可行性和有效性.     

基于快照方式的面向对象模型探讨

TGIS(Spatial-TemporalGIS)是GIS的重要分支,是实现动态数字地球的关键技术。静态3DGIS的技术已基本成熟,而其加上时间维的4DTGIS的关键技术是时空数据库的建立及其操作,它们与时空数据模型有关,主要处理超海量数据的存取和查询。本文结合快照模型的简单易行性和面向对象模型的方便灵活性,同时避开快照模型的不一致性和冗余性,以及面向对象的复杂性,探讨基于快照方式的面向对象模型,是一种实用的TGIS数据模型。它在对时间属性的处理方面采用独到的方法,首先建立一个基数据,然后通过快照方式产生缓冲数据,经过比较形成一个以对象变化为主的带有时间戳的新数据层。这样,在数据存储方面,节省了很多空间;在查询分析方面,以对象变化分层的数据算法更容易实现。此理论方法有效解决了TGIS的“瓶颈”问题,并通过自动元胞机理论(CA)予以证明。     

地理空间传感网融合服务技术与应用

随着遥感数据网、传感网、物联网和人工智能的发展,逐渐形成空天地海立体化、集成化和一体化的地理空间传感网。地理空间传感网感知资源呈现出多源、异构和分散的特征,面向多层次用户个性化、即时化和智能化应用需求,存在异构资源共享管理、多协议实时接入、时空无缝感知、自动化感知和精准预测等技术挑战。静态地理信息服务由于无法提供鲜活的地理信息,难以满足地理事件的综合监测、决策预警和聚焦应用需求,急需发展地理空间传感网融合服务技术和实时动态地理信息服务平台。本文围绕信息物理网环境下空天地海观测平台的观测高效共享和融合服务问题,提出了传感网观测共享信息模型和点面观测协同无缝重建模型,突破了观测在线接入、集成管理、星地融合、时空预测和聚焦服务等地理空间传感网融合服务关键技术,研制了包含“感—联—知—控”等功能的传感网时空信息网络感知服务系统GeoSensor,介绍了GeoSensor在流域、海洋和城市等典型应用。未来将进一步发展“人—水—城”智能感知认知理论,突破“空天地海人”群智感知、空间智能和认知服务技术,开展长江经济带应用。     

耦合人群移动的COVID-19传染病模型研究进展

构建传染病模型可为疫情防控与公共卫生研究提供至关重要的规划与解析工具。由于宿主行为是传染病传播动态的决定性因素之一,有效耦合人群时空行为对以人为宿主的传染病建模具有重要意义。得益于人群移动大数据研究与应用的快速发展,新型冠状病毒肺炎（COVID-19）的疫情建模研究中呈现出了耦合人群移动建模的显著特征。为系统深入理解该项传染病模型研究中的重要进展,本文对相关文献进行分析与总结。首先,本文分析了COVID-19疫情与人群移动的交互影响,说明了耦合人群移动构建COVID-19模型的必要性。然后,根据建模的目的和原理,从疫情短期预测与过程模拟2个角度,对耦合人群移动的COVID-19传染病模型进行分类梳理。其中,根据耦合人群移动的方式,本文将面向疫情短期预测的模型分为人群移动一阶量与人群移动二阶量的耦合模型,将基于过程模拟的模型分为群体级别和个体级别的耦合模型。最后,本文评述了耦合人群移动的传染病模型研究进展和未来发展方向,认为该领域研究亟需更加深入建模与疾病传播相关的复杂人群时空行为、提升模型的空间解析能力、突破精细化时空传播模拟的计算瓶颈、拓展与前沿人工智能方法的融合,并构建普适而开放的建模数据与工具以促进应用发展。     

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。