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。     

基于卡尔曼滤波的船舶轨迹异常行为快速检测方法

基于全球船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)数据的船舶轨迹异常行为快速检测对于保障船舶航行安全、辅助安全监管具有重要意义.AIS数据具有容量大、更新频率快的特点,而当前AIS轨迹异常行为检测方法依赖于大量的训练样本与历史数据,实用性与普适性较差,难以用于船舶轨迹异常行为快速检测.为此,本文定义了船舶追踪、航速、航向、位置4种异常行为检测模型,提出了一种基于卡尔曼滤波的船舶AIS轨迹异常行为检测方法,实现了船舶AIS轨迹的异常行为快速检测与报警.实验选取经过我国东海部分地区3天的AIS数据,对实验结果的正确性与耗时进行分析,结果表明模型可以满足异常即时发现、即时处理的应用需求.     

基于多源数据和船舶停留轨迹语义建模的港口目标识别

港口目标识别是海事船舶监管的重中之重,船舶自动识别系统（Automatic Identification System,AIS）所获取的船舶活动信息,可为港口目标识别提供高时相和高精度的船舶航行数据。为了探究AIS数据在港口目标识别中的应用,提出一种基于多源数据和船舶停留轨迹语义建模的港口目标识别方法。通过数据挖掘和语义信息增强构建船舶停留轨迹语义模型,识别船舶港口停留轨迹;建立基于随机森林的船舶停留方式分类模型,分类船舶泊位停留轨迹和船舶锚地停留轨迹,并利用空间逐级合并方法提取港口泊位和港口锚地;综合船舶泊位停留轨迹、道路、海岸线、水深、土地利用与土地覆盖等数据,顾及情景-领域知识实现港口目标识别。基于2017年96 790艘船舶的超8300万条AIS轨迹记录,应用本文方法识别南海研究区的港口目标。实验结果表明,本文方法对于船舶轨迹停留行为总体分类精度为0.9477, Kappa系数为0.8948。提取出南海研究区447个港口区域,与Google Earth影像叠加验证结果表明,提取结果均位于真实的港口影像内,相较于Natural Earth数据集中包含的南海区域24个港口点位,提取结果的完整性大大增强。因此,基于多源数据和船舶停留语义建模的港口目标识别方法对于港口目标识别具有较高的准确性和完整性。此外,该方法提取的港口区域可为基于遥感影像的港口目标识别提供靶区,从而提高大区域甚至全球范围内港口目标动态识别的效率。     

基于区域划分的多线程并行时空聚集查询方法

现有的时空数据库能够支持对大规模移动对象数据的时空聚集查询。但移动对象数据量巨大,且目前多采用单线程进行查询计算,其查询速度无法满足应用需求。由于时空聚集查询具有良好的可并行性,提出了一种基于区域划分的多线程并行时空聚集查询方法。该方法在服务器端对时空域进行格网划分,形成多个时空立方体,采用多线程并行的技术方法在每个时空立方体上进行时空聚集查询,最后将查询结果整合。通过对真实数据集进行的实验分析,该方法在查询速度上有明显提升。     

基于AIS数据的船舶行为特征挖掘与预测:研究进展与展望

船舶行为特征挖掘与预测是水上智能交通系统的重要研究内容,也是交通运输工程领域的关键科学问题。为系统研究基于船舶自动识别系统（Automatic Identification System, AIS）数据的船舶行为特征挖掘与预测的研究现状与发展趋势,本文首先针对Web of Science(WOS)和中国知网（China National Knowledge Infrastructure, CNKI）收录的文献,用知识图谱分析软件VOSviewer对文献关键词进行处理,从文献计量学的角度生成高频关键词的聚类图谱和趋势演化。然后对基于AIS数据的水上交通要素挖掘、船舶行为聚类和船舶行为预测3个主题的研究内容、方法、存在问题进行了系统分析和展望,研究结果表明：① 在基于AIS的水上交通要素挖掘方面,主要集中在对AIS数据中表征船舶行为空间特征和交通流的时间特征单独挖掘分析,缺乏对AIS数据的时间、空间以及环境因素特征的关联挖掘,对于如何进行交通要素的关联融合挖掘研究还有待深入探索;② 在船舶行为聚类方面,研究主要是运用无监督聚类方法研究船舶航迹点和航迹段聚类,得到船舶航行行为模式的时空分布和船舶操纵意图辨识模型,然而融合多维特征的船舶轨迹的相似性计算方法、聚类参数的自适应选取以及船舶行为的语义特征建模有待进一步研究;③ 在船舶行为预测方面,主要集中在基于动力学方程、传统智能算法和深度循环神经网络的船舶行为预测研究,考虑船舶行为的随机性、多样性和耦合性的特点,运用混合神经网络模型以及神经网络与向量机、注意力机制相结合的模型实现多维的船舶航行行为特征的实时预测将是新的研究方向。最后提出了基于语义模型的船舶行为特征挖掘、基于深度卷积神经网络的船舶行为的预测和基于知识图谱的船舶行为特征挖掘和预测结果可视化等有待进一步研究的方向。     

基于轨迹语义的船舶活动知识图谱构建

随着全球经济一体化的深入推进，海上交通拥堵和船舶事故频发。为了对海上船舶活动进行监管和分析，传统的方法主要利用船舶定位数据进行数据挖掘，未结合其他海上多源数据进行船舶时空活动过程和行为模式分析，缺少深层次的知识挖掘。为此，本文综合利用多源数据，在提取轨迹的语义信息基础上，构建船舶活动知识图谱，为低知识密度的轨迹时空点序列向高阶语义知识转化提供一种有效途径。具体地，首先通过解析船舶活动的特征和组成要素，基于“过程-事件-行为”的核心思想，设计船舶活动知识图谱本体层；然后利用Stop/Move模型提取轨迹语义信息，利用DMCNN模型抽取船舶突发事件，完成实例层填充；最后通过构建原型系统，对上述模型和方法进行验证。结果表明，本文所构建的船舶活动知识图谱，可以支持对船舶常规活动和突发事件进行知识表示，并可以实现时空活动查询和回溯，进而达到语义增强效果，具有一定的应用价值。     

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SAR和AIS的角度最近邻数据关联方法

提升海上态势感知能力是构建智慧海洋的重要环节。针对目前海上目标研究单源传感器存在感知盲区,多源传感器数据关联易受杂波干扰、在密集区表现不佳等问题,本文基于合成孔径雷达(SAR)和船舶自动识别系统(AIS)数据,提出一种抗干扰性强的角度最近邻数据关联方法,充分利用SAR与AIS船舶目标的空间角度关系,提高船舶目标在密集区域点迹关联的准确性。首先,对AIS数据进行时空滤波,实现数据粗关联,构建关联分析的数据候选集;然后,从时空数据的空间关系角度出发,在灰狼优化和匈牙利算法的启发下,利用点迹对特征向量矩阵进行运算,实现对多源空间数据的优化关联;最后结合数据几何关系对结果进行置信度评估。本文选取5幅SAR影像与AIS数据进行实验,并基于SAR影像数据及船舶轨迹点分布密度设计仿真实验,结果表明,本文所提出的角度最近邻数据关联方法,在密集分布情况下,关联精度为传统NN、GNN算法的3.62和4.61倍,运行时间为1.69 s,相较于NN算法仅增长1.36 s,仅占GNN运行时间的0.49%,在运行时间增长不大的情况下具有更强的抗干扰能力,在密集区域仍能取得较好的关联效果。     

“全空间信息建模分析方法与应用研究”专栏导言

全空间信息系统(PIS)概念的提出是为了适应在多领域观测和计算技术快速发展的背景下,地理信息科学在基础建模和计算分析研究方面的挑战和未来发展方向。全空间信息建模分析方法涵盖了多源地理大数据支持下的多粒度时空对象建模和多维度时空耦合分析方法的拓展。多粒度时空对象建模的提出是为了适应观测和研究范畴、数据的时空维度、计算分析方式与方法以及应用问题的研究视角等方面不断发展,以实现客观世界到计算机世界直接映射的建模目标。     

基于签到数据的用户空间出行相似性度量方法研究

近年来,国内外类似街旁、人人、Foursquare、Gowalla等基于地理位置的移动社交网络(LBSN)发展迅猛,大量用户通过这些服务以签到的方式记录时空行为轨迹,这些个体行为轨迹数据为我们研究用户行为模式以及探究其内在规律提供了巨大的机会和挑战。然而,LBSN用户的相似性并没有从地理位置以及用户轨迹加以考虑,本文提出了基于格网划分的方式对用户空间出行进行相似性分析,通过用户轨迹建模以及相似序列匹配,探索用户出行轨迹的空间相似性度量方法并评估相似权重,最后通过用户好友关系与相似性权重的比对,证明了该方法的有效性。     

基于 HBase 的面向语义单元的室内移动对象索引

随着室内定位技术的广泛应用,传感器记录了大量室内移动对象的位置数据,而索引技术作为移动对象数据分析的基础工作也得到越来越多的研究。已有索引技术多是针对室外空间的移动对象,不能支持室内移动对象数据的三维立体性、轨迹的复杂性、随机性等特点,这些索引技术也仅仅关注了移动对象的位置信息,忽略了语义信息,不能有效地支持室内移动对象的管理和分析,并且当面对海量的移动对象数据时,这些架构在传统关系型数据库上的索引都存在性能瓶颈问题。因此,本文提出了面向语义单元的移动对象表达模型,利用语义单元将室内移动对象的位置语义化,设计了SCoII （Semantic Cell Oriented Indoor moving objects Index）索引结构对室内移动对象的历史数据进行索引,能够有效支持语义粒度上的时空范围查询、移动对象语义轨迹查询。索引基于HBase实现,能够适应大规模的并发更新与查询,具有良好的规模扩展性,规避了大数据给传统数据库带来的性能瓶颈问题,实验证明其具有良好的更新和查询性能。该索引的实现方便了基于语义的室内移动对象分析和数据挖掘工作,为今后的分析工作奠定了基础。     

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。     

DGPS组合定位的大型船舶靠泊技术与应用分析

 为了保障大型船舶靠泊操纵工作更加安全、高效,本文介绍了船舶靠泊仪及其发展,分析了大型船舶靠泊过程,研究了DGPS组合定位技术,建立以DGPS组合定位技术的大型船舶靠泊数学模型。在此模型基础之上,建立了船基平面坐标系,并通过此坐标系计算船舶靠泊时船首、 船尾相对码头的距离与速度,船首向与船舶转向率等船舶动态参数。最后,采用DGPS定位组合技术、AIS技术和WIFI技术等设计大型船舶靠泊系统(包括硬件和软件),并通过实例验证此靠泊仪的可行性和有效性。实例证明:大型船舶靠泊仪为引航员靠泊操纵时提供高精度的船位信息,船舶移动速度和船舶与码头岸线距离等辅助信息,船舶位置精度可达60cm,速度精度可达5m/s,有效地提高了大型船舶靠泊安全 性和工作效率,为引航员的船舶靠泊工作提供了更加直观、方便、快捷的航行靠泊导航过程。     

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。     

基于Python的“地理处理”并行方案

在传统方式下,ArcGIS地理处理工具的执行过程不能充分利用高性能多核计算机的全部运算能力处理日益增加的地理数据,导致数据处理效率低下。本文在分析地理处理工具特点的基础上,充分利用Python语言的并行编程特点,构建具有通用性的地理处理任务并行运行解决方案。结合ArcGIS软件自身的特质,有效解决了并行运行所带来的数据竞争、数据共享与进程通讯等问题,达到了一定硬件环境条件下ArcGIS工具执行效率最大化的目的。通过典型地理处理任务中不同运行方式效率的对比测试与分析,证明了并行运行的有效性。     

重要经济发展区域间海运网络时空演变特性分析

“海上丝绸之路”沿线国家（MSR）、金砖国家（BRICS）、美日韩（AJK）是重要经济发展区域。研究其海运网络的时空演变规律有助于国家层面的贸易竞争均衡分析,对海运战略科学部署和智慧应对具有十分重要的意义。AIS（Automatic Identification System）数据具有实时性,且已基本覆盖全球港口的近海区域,能为海运网络提供及时分析的数据支撑。本文利用AIS数据挖掘MSR、BRICS、AJK的运输网络时空演变规律,结果表明,MSR散货、集装箱、油轮的内部网络结构的变化明显大于AJK和BRICS,说明“一带一路”倡议促进了MSR的内部海运贸易;MSR、AJK和BRICS的外部网络结构变化2013-2016年都较大,说明“一带一路”倡议的实施期间,MSR、AJK和BRICS 3个区域之间的海运贸易变化较大;3个区域的集装箱、油轮吞吐量加权的内外部海运网络结构2015-2016年较2013-2014年更为稳定,随着“一带一路”倡议的实施,这3个区域内部和区域之间的吞吐量加权海运网络结构变化幅度逐步减小。“一带一路”倡议对不同的经济发展区域的影响不同,对MSR的内外部海运网络结构都产生了一定影响,对BRICS散货、集装箱、油轮型海运网络的影响呈现差异化特征,对AJK内部海运网络没有影响,对AJK的外部网络产生了部分影响。提高MSR的海运贸易吞吐量,提升MSR在海运网络中的贸易地位,仍是当前的发展重点。     

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。     

基于AIS的海上渔船捕捞活动聚集区提取方法研究

船舶自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)不仅是海上交通监管的有效工具,也为研究海上交通运输及其相关产业活动特征提供了一种良好的数据源。基于海上渔船AIS数据,本研究利用高斯混合模型(Gaussian Mixed Model,GMM)识别渔船捕捞活动状态,提出一种将核密度估计(Kernel Density Estimation,KDE)与热点分析(Hot Spot Analysis, HSA)相融合用于渔船捕捞活动聚集区提取的方法。结果显示：与单一KDE或HSA方法相比,二者相融合的方法将KDE的距离衰减效应与HSA统计指数相结合,在渔船捕捞活动聚集区提取中的应用效果较好、效率较高;采用该融合方法,基于2018年9—12月AIS数据,实现对渤海海峡周边海域渔船捕捞活动聚集区的提取,发现不同月份,渔船捕捞活动聚集区的分布范围和空间形态特征具有一定差异性,烟威近岸海域和渤海海峡是主要的捕捞活动聚集区,其结果可为该海域捕捞活动管理和海洋生态保护提供技术方法和决策支持。     

民国初期河南省1∶10万地图精度分析

 清末与民国初期调绘了大范围的、内容较为详尽的1 ∶2.5万至1 ∶20万比例尺地图,是研究20世纪初中国历史的宝贵资料。为高效利用这些地图资源,评估地图精度提供了基础性的图件。针对民国初期河南陆地测量局调绘的1 ∶10万河南省地图,应用ArcGIS软件将民国地图与当代地图作对比,对其精度进行了系统分析和初步解释。分析表明:①全省范围内地图精度分布不均匀,经线方向平均向西偏移6.28'、纬线方向平均向南移2.23',标准差分别为3.76和2.51。②纬线方向绝对精度和相对精度总体上高于经线方向;同时,误差分布呈现空间自相关特征,经向误差Moran's I指数为0.85(Z=57),纬向指数为0.69(Z=46)。③平原地区地图相对精度高于山区。④地图误差分布呈现三种模式:位置偏移较小,偏移较大但偏移向量保持一致,以及偏移较大且方向不一致。民国地图误差与《清史稿》记载的经纬度误差具有较强的相关性,由此提出的一个初步推论:民国地图调查作业中采用了晚清时期的经纬度成果。但有些地区利用了较新的成果,也有部分地区参照或转绘了质量较差的旧地图。本研究为民国初期河南省地图的进一步利用提供了依据,也对同期地图的利用具有借鉴价值。