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。     

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。     

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。     

时空参考框架普适化表达

随着GIS研究领域拓展,空间信息系统面临着全尺度、全类型、全动态表达等挑战,而“全空间信息系统”则成为应对上述挑战的有效途径。时空参考框架是人类时空观的量化表达,面对不同尺度、不同范畴的研究对象,全空间信息系统时空参考框架面临着表达尺度、基准变换以及时空一体化等方面的问题,亟需探索普适化、归一化的时空参考框架表达与转换方法。本文通过对已有一维、二维、三维以及时空参考框架的定义、表达方式的分析与比较,尝试提出时空参考框架普适化表达方法,该表达不仅适用于数学定量表达,也适用于语义模糊表达,为在更广泛的意义上实现时空表达提供了借鉴;同时,基于现实世界的分维、分形特征,利用上述普适化表达方法,通过对时空参考框架时间维、空间维的变换方法研究,探索了以递归计算的方式实现时空参考框架的归一化表达,实现了全空间时空参考框架的全尺度、全维度变换。     

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...     

多粒度时空对象可视分析体系初探

可视分析是用户进行数据认知、知识探索的重要工具和方法。全空间信息系统中以多粒度时空对象来进行现实世界实体的抽象和建模,并将其作为特征分析与计算的核心。本文从全空间信息系统的背景出发,对多粒度时空对象可视分析的概念进行阐述,并分析其流程与特点,在充分考虑全空间信息系统应用场景的基础上,提出了"场景—任务—实施方法"的方法体系,并对各实施方法的技术进行了讨论。最后以大数据交通为例,对多粒度时空对象可视分析在交通领域中的应用作了展望。     

一种面向时空对象及其关联关系动态变化表达的概念数据模型

根据全空间信息系统中地理实体基本特征以及存储管理的需求,本文提出了一种面向地理实体及其关联关系动态变化表达的时空数据模型。① 在地理实体方面,将其抽象为由有序、无缝对象片段组成的时空对象,并建立了对象片段表达的三元组模型,即空间位置、几何形态和属性特征;② 在关联关系方面,采用基于RDF模型来对空间关系和属性关系进行形式化描述;③ 在动态变化方面,将地理实体的变化分为空间位置的变化、几何形态的变化和属性特征的变化,关联关系的变化分为空间关系和属性关系的变化,并分别采用快照/增量、方程/模型2种方式来统一表达它们的离散和连续变化。该模型可显式地描述动态的时空对象及其关联关系在时空过程中的变化,有助于探讨和挖掘地理现象的基本变化规律和内在关联性。     

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。     

面向全空间的管道天然气贸易关联关系挖掘

本文基于全空间信息系统视角,运用复杂网络分析方法,从属性关联关系、时间关联关系、空间关联关系和综合关联关系角度对全球管道天然气贸易复杂网络中主要国家间关联关系进行了挖掘分析和可视化表达。结果表明：管道天然气贸易对战略通道具有路径依赖性和滞后性。贸易格局演化路径稳定,具有明显的“区域小世界”特征。区域资源禀赋差异是管道天然气贸易形成“核心-边缘”网络结构的主要原因。管道天然气贸易主要集中在欧亚大陆。2009年全球管道天然气贸易需求中心集中在欧洲各国,2015年则形成了西欧和中国的双需求核心网络关系。同时,论文基于全球管道天然气贸易复杂网络的挖掘分析和可视化表达,阐述了全空间信息系统的特征,展望了平台的应用。     

全空间下并行矢量空间分析研究综述与展望

新一代并行空间分析将面临空间大数据分析和实时空间分析服务的挑战。矢量空间计算作为GIS系统中的重要组成部分,在并行化算法设计中存在负载不均,并行扩展性差,IO性能低等技术瓶颈。本文首先从应用需求和技术发展的演变历史回顾了矢量空间分析算法发展过程;然后,从研究现状的角度详细阐述了并行矢量空间分析计算的研究成果,总结了并行空间分析算法的算法特征和技术瓶颈,对不同并行编程模型进行了对比,并提出了并行空间分析算法的研发流程;最后,从发展前景的角度预测了全空间信息系统中基于多粒度时空对象的空间数据模型和计算方法的发展趋势,提出了以内存计算等技术实现存算一体化的新型空间数据模型和分析方法的技术趋势。     

多粒度时空对象关联关系的分类体系与表达模型

地理对象之间的关联关系是地理对象之间的相互作用形式。任何地理对象都不是独立存在的,与其他的地理对象有一定的关联关系,并且这些关联关系是复杂多样的。地理场景就是在地理对象之间普遍存在的、复杂多样的关联作用下形成的一个统一的整体。传统GIS数据模型对地理对象之间关联关系的描述多侧重于空间关系,其他的关联关系往往需要经过比较复杂的计算和推理后求得,难以完整地表达地理对象之间复杂的相互作用关系,不完全符合人类对地理现象的认知情况。然而,在全空间系统中,可以根据常见的地理分析需求对多粒度时空对象间关联、作用关系进行分类表达,便于客观实体全方位的抽象与表达。对象间的关联关系可主要分为空间关系、时间关系、属性关系、因果关系、认知关系5大类。本文用地理实体作为案例,分析了关联关系的表达模型。     

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。     

多粒度时空对象空间关系的统一表达与计算

空间关系表达了空间数据的相互约束,在空间查询语言、数据检索及空间分析中具有重要作用。当前关于空间关系的研究,多基于简单地理对象,或者只对某一种空间关系进行独立的算法设计,难以满足多粒度对象多种空间关系的统一表达与计算。为此,本文利用几何代数运算的对象无关性和维度无关性,构建简单对象空间关系计算算子,并将其推广到多粒度对象,实现全空间地理信息系统框架下多粒度对象三种空间关系的一体化表达与计算。最后,以三角网求交算法为例,证明了算法的可行性,为全空间GIS中空间关系的表达和计算提供了借鉴。     

尺度对人口地图空间分异规律认知的影响

人口地图是人们认知人口分布规律的重要工具,而不同尺度的人口地图造成了读图者对于人口空间分布规律的认知差异。本文通过眼动跟踪的省、县（市）不同尺度下人口地图认知实验,选取注视点数、注视时间、正确个数等眼动参数,进行差异性显著检验,并结合热点透视图,从空间分异规律的角度进行分析。结果表明,不同尺度的人口地图对于读图者的认知影响显著,读图者对人口空间分布特征及人口数量进行认知时,县（市）级尺度人口地图提供了更丰富、直观的空间分布信息,利于读图者对于人口空间分异规律的把握,平均注视点数更小,平均注视时间更短,每道题回答正确的被试个数更多,认知效率更高。本研究揭示了尺度对人口地图的认知影响规律,为多尺度人口地图制图设计与表达提供理论实验参考。     

多粒度时空对象关联关系基本问题初探

多粒度时空对象关联关系描述现实世界客观实体之间存在的各种关系及其相互影响,是对实体间关联、作用关系的表达,按照其描述主体的不同主要分为时间关联关系、空间关联关系、属性关联关系和综合关联关系。本文从全空间信息系统的背景出发,对多粒度时空对象关联关系的基本概念进行了阐述,明确了其形式化表达方式和分类。在此基础上,对关联关系的构建和管理进行阐述和分析,说明了静态构建方式和动态构建方式的适用场景。关联关系通过约束作用和行为传导机制来维持数据世界的一致性和联动,本文最后对关联关系的约束类型及其定义和关系-行为传导机制进行了简要说明。