面向地表上、下集成的二维/三维单纯形剖分算法实验

对地上实体、地形表面和地下实体的集成建模是国内外研究的热点。本文以单纯复形理论,提出了一种以约束Delaunay三角网为纽带,用边界表示模型-不规则三角网-四面体格网的集成空间数据模型,对地上实体、地表和地下空间对象进行无缝集成。用边界表示模型表达地面上复杂的对象,用不规则三角网表达地形,用四面体格网表示地质体对象。对传统的逐点插入法构建约束Delaunay三角网算法进行改进,生成约束Delaunay三角网,对地上实体和地表进行集成。其对不同的地层数据分别进行Delaunay三角剖分,构成四面体剖分的上下边界,构建上、下地层之间的侧边界,形成空腔,进而对空腔进行四面体剖分,形成分层表达的地质体对象。同时设计了一个原型系统,对算法进行验证,展示了其实验结果。     

支持时空耦合计算的HTM-ST日地空间系统数据组织模型

数据组织模型是对科学数据进行有效管理、共享与应用的基础。日地空间物理学科通常采用基于语义标注的传统数据组织模型,但是该模型忽略了数据间的时空关系,难以支持大规模数据处理与关联分析,应建立一种支持时空计算的数据组织模型,从而有效支持当前日地空间物理领域对数据快速发现、精细结构识别、耦合关系研究与时空演化分析等方面的应用需求。鉴于此,本文提出了HTM-ST离散化时空数据组织模型,该模型在层次三角网格的基础上,在时间维度通过等长剖分进行扩展,从而形成离散化的时空剖分,采用时-空耦合编码将高维的剖分单元组织到一维空间中,并基于上述剖分结构与编码算法在HBase环境下设计了模型的存储方案。本文利用多颗极轨卫星的能量粒子探测数据实现了该数据组织模型的原型示范系统,并设计了基于该模型的时空查询算法和地方时全球数据插值算法,用于对该模型进行实验验证。实验分析表明,HTM-ST模型具有高效性和鲁棒性,可以作为面向时空关系的日地空间物理数据组织与存储基础。     

面向GTP的三维地质模型空间剖切方法与应用

广义三棱柱（GTP）是近年来提出并被广泛应用于三维地质建模领域的一种较为成熟的空间数据模型,可满足大多数地质钻孔数据的三维地质建模的要求。然而,现有针对GTP模型的三维空间剖切分析方法,仍无法适用于偏斜钻孔数据所建三维地质模型高效多次任意剖切、不能支持较为复杂的地质模型空间分析的问题。本文通过对GTP剖切算法改进研究,提出了采用动态四面体剖分法减小数据冗余;鉴于GTP形态较为复杂,可对剖切后保留多面体进行拓扑关系的重组,解决任意多次剖切问题;将多次“面-体”形式的单剖切运算组合为一次“体-体”形式的复合剖切运算的方法,可高效实现对三维地质模型空间分析。本文着重面向GTP体元的多重任意切剖平面的剖切问题,在分析了GTP体元特征的基础上,弥补了三维地质建模领域中对GTP体元任意、多重剖切方法研究的不足。应用实例表明,上述改进算法可以提高GTP剖切计算速度,并能够快速实现巷道掘进模拟,以及空间开挖模拟等复杂的空间分析功能。     

复杂线-线对象的拓扑关系描述与计算方法

空间拓扑关系是GIS中空间查询和分析的基础。针对当前空间拓扑关系模型在表达较复杂对象间拓扑关系存在局限性的突出问题,以线对象为实例,根据点集拓扑理论,重新定义和区分线对象的复杂性;以9I模型为基础,提出一种适合二维复杂线对象的拓扑关系的线性序列描述模型,将复杂线-线的拓扑关系表示成基本拓扑关系的组合。分析不同情形下线之间拓扑关系不同的计算方法。为实现复杂线-线拓扑关系的计算,提高扫描线算法的效率,探讨包络矩形粗滤、线节点重合或共线的斜率坐标判断法等改进方法,提出判断线-线是否相交的矢量叉乘法,具有快速高效的特点。最后,通过实验系统导入线坐标串,进行图形绘制、拓扑关系计算并输出结果,从而验证该模型和算法的可行性。     

不确定性对象表达及其时空拓扑研究

不确定性对象时空拓扑关系研究的滞后,严重制约了时空推理与分析的进展。文中分析了时空对象空间信息与时间信息不确定性,并引入Rough集理论的上、下近似集概念对不确定性对象进行表达。另外,根据时空对象空间与时间信息的确定性与否,把时空对象归纳为4种类型,时空对象间的时空拓扑描述框架归纳为10种。再是,基于点集理论、Egenhofer的空间拓扑与舒红的时态拓扑关系研究成果,给出4-交扩展模型的时空拓扑描述框架,并得出类型I对象间的时空拓扑是最基本的拓扑关系,类型IV对象间的拓扑关系是最复杂的拓扑关系,其他类型对象间的时空拓扑都可通过类型对象I间的和类型对象IV间的时空拓扑演绎而得。最后,鉴于不确定性对象时空拓扑的复杂性,给出不确定性拓扑描述表达的流程体系。     

基于GeoSOT-3D的空间对象快速可视化与实验分析

地球空间信息剖分组织,在全球海量、多源、多分辨率数据组织与管理方面表现出了极大的优越性。但全球尺度的空间数据往往数据量大、内容丰富,进行对象表达时需处理的数据量,远远超出计算机硬件的处理能力。鉴此,本文在GeoSOT-3D地球空间剖分框架下,借鉴已有三维快速可视化技术,并顾及GeoSOT-3D自身的全球多尺度划分、无缝无叠、二进制一维整形编码等特性,将现有三维快速可视化方法与GeoSOT-3D剖分框架特性相结合,提出了八叉树索引的空间对象裁剪和消隐策略,实现了GeoSOT-3D框架下空间对象的快速剖分表达。同时,以空间电磁场的表达为例,开发了试验系统,并对结果进行了分析,解决了GeoSOT-3D空间对象表达效率低下的问题。     

GeoSOT-3D椭球体剖分真三维数据表达

随着地球观测技术和信息技术的进步,以全球为背景的科学探索不断增多,不仅是地球表面信息,地下、水下、空中等地球上各个层次的空间信息都受到极大的关注。地球球体剖分网格可以构建真三维的数据模型,进而实现空天地、地下水下一体化的空间数据组织、管理、表达与应用。本文详细论述了GeoSOT-3D椭球体剖分网格的剖分空间框架、剖分编码与剖分尺度特性等理论体系。建立基于GeoSOT-3D的空间对象的真三维表达模型。利用该真三维模型实现了地球椭球体的地上地下可视化,点线面体等空间实体的可视化。研究表明,GeoSOT-3D椭球体剖分具有椭球剖分框架简单、体系完整、二三维一致等特点,因而在该框架下的真三维数据模型可用于下一代地理信息系统中的空间大数据的组织管理与表达。     

基于GeoSOT网格的遥感数据动态展示

为了更好地展示遥感数据,本文提出网格化动态展示的方法。该方法采用了GeoSOT全球剖分网格作为数据组织的标准框架,确定了数据的空间分辨率与剖分网格的对应关系,在对数据进行多层次剖分化组织的基础上,介绍了自动式和交互式两种动态展示的方法流程和规则。实验表明,该方法能更好地实现数据监控和数据查询,是遥感数据展示方法的有益补充。     

空间拓扑关系若干问题研究现状的评析

空间拓扑关系是G IS研究中的基础性问题。其对空间数据的存储与表达、空间查询分析与实际应用等都具有重要的意义。从空间拓扑关系认知与语义、空间拓扑关系形式化表达、空间拓扑关系推理、时空拓扑关系表达几个方面介绍拓扑关系的研究现状,特别对空间拓扑关系形式化表达,一直是国内外G IS研究的一个热点,存在交叉、区域连接演算、二维字符串等模型;讨论了拓扑关系最新的研究方向,针对当前模型无法表达复杂的点、线、面间拓扑关系的突出问题;探讨了复杂空间拓扑关系描述研究的思路,根据实际中地理目标的不确定性和模糊性特点,介绍了不确定对象的拓扑关系表达的一些研究动向。     

一种基于地球剖分网格的区域面积计算方法

区域面积计算是区域分析的基础。随着空间信息剖分组织理论的发展,地球剖分网格受到广泛关注,并且显示了在空间大数据组织能力上的潜力。球面空间与欧式空间不同胚导致地球剖分网格规格不一的特征,在进行区域面积计算时需要先将网格转换回对应的经纬度范围,再进行积分运算,流程复杂,计算效率不高。由此本文根据GeoSOT全球参考网格的剖分方案,基于矩阵变换的分块、邻接操作以及向量的乘法运算,设计了一种可以摆脱经纬度和积分运算的面积计算方法,并针对此方法设计实验验证了其可行性和高效性,为网格体系下区域面积计算提供一种新思路。     

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...     

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。     

基于层次分析法的多尺度点群目标相似度计算

计算不同尺度下空间目标的相似性是GIS研究的热点问题之一。点群是地理空间群组目标的一种,研究其相似性可对空间群组目标的计算机制图结果进行评价。以往的理论研究主要从影响点群目标的单一因子出发,对影响点群目标的简单因子进行分析,并以此提出相应计算模型。为了研究点群目标在不同尺度下的相似性问题,本文在前人研究的基础上,整合了影响点群目标相似性的主要因子（包括拓扑关系、方向关系、距离关系、分布范围和分布密度）,并分别提出拓扑相似度、方向相似度、分布范围相似度、距离相似度分布和密度相似度的计算模型,从整体上把握计算点群目标的相似性。通过层次分析法,赋予5种因子相应的权重,最后集成不同尺度下点群目标相似度的总体计算模型。经过计算验证,该方法能较准确地计算不同尺度下点群目标的相似程度,为制图综合质量做出评价。     

基于线段的基本线/线拓扑关系计算

空间拓扑关系是空间数据建模、空间查询、分析、推理、制图综合、数据质量控制、数据更新等的基础。目前空间拓扑关系研究的主要成果仍然集中在拓扑关系的描述方面,在计算方面的阐述都非常薄弱,不足以指导系统开发人员编程实现。本文研究了IR2中两个简单线目标间拓扑关系的计算方法,重点分析了线/线拓扑关系计算的特点,提出了一种基于线段的线/线拓扑关系计算方法,并用VC＋＋采用底层开发模式实现了基本线/线拓扑关系的计算。     

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。     

基于知识对象的土地管理空间数据库模型设计与实现

空间数据模型建立的目的是反映现实世界。当今的GIS系统的空间数据模型,主要反映地图制图领域的点、线、面对象管理与操作的几何知识。本文通过对比研究,发现土地管理空间概念的领域知识,包含几何知识。几何知识是依据几何特征属性识别的土地管理领域知识之一。将土地管理领域空间概念的领域知识对象化,建立与几何知识对象等价的对象组件,扩展对象关系型的空间数据模型,建立了"[领域空间知识对象]+[GIS的点、线、面的几何对象]+[扩展属性]"的空间数据模型。这种模型简化了空间数据库的管理操作,降低了对工作人员制图专业知识的要求,降低了空间对象实例与其属性的耦合度,减少了政策变化对数据的影响程度,提高了数据的稳定性和共享度。鉴于这种空间数据库模型,本文开发了空间知识对象的江苏省"515"城乡一体化地籍系统的数据检查子系统,在镇江市、江都市等多个市县的"515"城乡一体化地籍调查的数据检查入库工作中得以应用,证明了模型设计的可行性,收到了良好的效果,为专题GIS空间数据管理,提供了一种的新的空间数据模型。     

使用最简几何基元构建3维空间数据模型

在对现实世界进行高度抽象化的表达过程中,许多学者和机构提出了多种空间数据模型(或称之为空间数据结构)。文章首先总结了现有模型所使用的基本几何要素,并对其利弊进行了讨论;然后总结了使用这些几何要素进行组合、扩展以构建更为复杂的空间实体的理论即空间数据建模理论,同时也对不同理论的适用性和局限性进行了讨论。笔者随后以4维空间为基础,从空间内嵌的角度去思考不同维度下的空间构成,得出了3维空间的最简基本要素,并通过对比相关文献对geometric primitives的中文翻译将其命名为"几何基元"。在此基础上笔者探讨了3维几何基元构成空间实体的数学表达本质,论述了依此几何基元构成的空间实体之间基本拓扑关系的表达方法。最后笔者设计了一套数据结构以系统构建空间数据模型,该模型有利于实现3维空间数据库,可为形成3维数据资产提供基础。本文的结论认为,该3维空间数据模型可以有效地解决体3维和表面3维的模型一致性问题,提供了结合"地学3维"和"3维数字城市"等不同应用系统的途径;同时可将当前的2维地理信息系统自然地扩展到3维;另外还可以为3维空间分析和专门的3维渲染引擎提供理论支持。     

循环经济GIS数据库空间冲突的确认方法研究

空间冲突的确认是空间冲突检测和处理不可缺少的重要环节。本文只是对线目标间空间冲突的确认方法进行了初步的探讨,给出了数据库更新背景下线线空间冲突的确认方法。该方法综合考虑空间数据精度、目标类型、时态、语义等因素,利用元数据、DLG、DRG、影像数据以及专家经验等对检测出的空间冲突进行人机交互确认。