全空间信息系统认知与表达初探

随着人类对空间探索脚步的加快和加深,现有的空间表征形式难以满足人类认知客观世界的需求,从而出现了全空间信息系统。为了探索全空间信息系统空间认知的规律,使全空间信息的表达更符合人类的认知特点,本文研究了地理空间认知与表达的发展历程及特点,对纸质地图、电子地图以及GIS等现有表征形式存在的问题进行了分析;在此基础上,探讨了全空间信息系统认知特点,指出全空间信息系统从空间认知广度、空间认知深度以及认知主体3个方面对传统的表征形式进行了扩展,是地图和GIS在大数据时代的拓展和延伸;最后从基于空间认知的角度对全空间信息系统的表达进行了初步阐述,指出全空间信息系统表达不仅需要对多粒度时空对象进行展示性表达,还需要对其进行分析性表达与探索性表达,并探讨了全空间信息系统表达层次的认知内涵。     

顾及语义尺度的时空对象属性特征动态表达

全空间地理信息系统的建设和智慧城市等GIS应用的发展,需对各类地理实体或地理现象抽象成的时空对象采集多类型的属性数据,这些属性数据一般具有多尺度、多维度、动态性的特点,带给时空对象属性特征的表达和管理一定的挑战。本文针对当前时空对象属性特征表达方法中存在的组织结构不清晰、存储冗余、语义异构等表达问题,提出了一套顾及语义尺度和动态特性的属性特征的表达和操作方法。该方法基于概念分类理论实现时空对象属性信息的分类组织,在属性特征表达中引入独立于时空对象空间特征的时间标记,结合属性表达的原始集族和更新集族来记录和管理不同时间节点下的时空对象属性特征;进而面向具有不同语义尺度表达需求的属性特征,设置知识参考表达集合,并在属性特征表达中增加语义尺度标识,对其语义尺度及不同语义尺度间的转换关系进行描述。最后,基于独立时间标记、知识参照表达集合及语义尺度标识,给出属性信息表达在时间尺度转换和语义尺度转化的操作方法,并举例给出了该属性特征动态表达和操作方法的一种实现。本文提出的方法有助于减少时空对象数据模型的存储冗余,提高其属性信息的操作效率,初步实现了时空对象属性特征的多时间尺度和多语义尺度的认知方式,为时空对象属性特征的精细化管理提供了新思路。     

多维动态地理空间框架数据的构建

地理基础框架数据是数字化地理空间基础框架的重要组成部分。迄今为止 ,人们一直是按照平面图或铺盖数据模型 ,将具有鲜明的多维、动态特征的现实空间世界抽象为二维、静态目标 ,生产、提供和使用二维 (或 2 .5维 )的地理基础框架数据。该地理基础框架数据在表达或反映三维实体及其时空变化方面有着很大的局限性 ,不能满足国家信息化的应用需求。本文就数字化地理空间基础框架的狭义和广义概念、国内外地理空间框架数据的发展过程、地理空间框架数据的三维、多尺度、时态和动态问题进行了初步的分析 ,并提出了构建多维、动态地理空间框架数据的建议 ,加强对多维动态空间数据模型的理论研究 ,开展多维动态地理空间框架数据的建设工程 ,开拓多维动态地理空间框架数据的应用领域。     

多粒度时空对象行为特征的描述方法研究

多粒度时空对象的行为特征是描述全空间信息系统中不同对象之间控制与响应的重要方面,是体现时空实体相互作用、动态变化、多能自主的核心,是全空间信息系统作为一个"活"的信息系统的亮点所在。本文面向全空间信息系统,对多粒度时空对象行为的基本概念、触发方式、分类方式、描述框架进行了阐述,在此基础上,提出了多粒度时空对象行为特征的总体形式化描述方法,并分别从行为能力、环境影响因素、行为触发条件、行为作用对象和行为计算模型5个方面对对象的行为特征进行详细描述,为全空间场景中多粒度时空对象的行为建模提供了基本思路。     

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...     

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。     

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。     

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。     

“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。     

时空对象行为分类与形式化表达

基于行为驱动的传统时空数据模型只关注时空对象的空间运动行为,忽略了行为对时空对象属性、关系等的改变,导致行为对时空对象的驱动机制研究不足。时空行为是全空间信息系统表达的重要特征之一,为此,本文从以下几个方面阐述了时空对象的行为。首先,本文阐述3行为的定义及将行为作为时空本体的元组的必要性。其次,研究了时空对象行为的复杂性、可继承性及在时态上的延续性等特征。再次,根据行为的作用对象,将时空对象的行为分为空间行为、属性行为、关系行为及复合行为4类行为,并给出了上述4类行为的定义与形式化表达方式。最后,分析了时空本体中时空行为的驱动机制。通过时空行为分类及其在时空本体中的形式化表达研究,为基于行为驱动的时空对象构模奠定了理论基础。     

基于SLR时间序列构建STRF及其与ITRF2008转换关系的研究

利用SLR时间序列与ITRF2008的公共参考站的坐标及速度信息,实现两者间的欧几里得标准相似变换,以核心参考站在1983—2008年的SLR时间序列解算了各历元与ITRF2008的转换参数,并对转换参数进行统计分析,结果可靠。     

地理学视角下地理信息的分类与描述

地理学是一门研究各种地理要素的时空分布、演化过程,以及相互作用机制的综合性学科。随着现实世界从二元空间向三元世界的演进,对地理信息内涵的理解、表达和挖掘亟待进一步加深与扩展。现有以“位置+几何+属性”的地理信息表达模式难以支撑各种地理要素及其规律的表达。本文从地理学视角出发,立足三元世界理念,梳理了信息要素及其转变成地理信息的过程,形成了以时间、地点、人物、事物、事件、现象和场景“七要素”的信息表达体系,并从地理语义、空间位置、几何形态、属性特性、要素关系、演化过程、作用机制7个地理维度上对其进行解读。实现了地理学视角下对地理信息内涵的全方位分类和描述,为面向地理学综合集成研究的地理信息多维描述与计算分析提供理论支撑。     

基于自然语言空间关系描述的地图近似表达方法

自然语言和地图都具备表达地理实体空间关系的能力,自然语言使用方便、抽象化程度高,而地图更为直观,从自然语言转换到地图,有助于人们更深入地了解自然语言描述的地理实体空间关系。然而,如何让计算机具有从自然语言构建图形信息的能力,使计算机具有智能化空间认知思维是当前研究的难点。本文总结了自然语言空间关系描述的类型及特点,提出了基于自然语言描述的地理实体抽象表达方法以及空间关系近似转换方法,建立了一种基于自然语言空间关系描述的地图近似表达策略。实验结果表明,本文方法有效可行,能够实现定性描述的自然语言空间关系向定量（或近似定量）的图形空间关系的转换,为自然语言到地图的转换研究奠定了基础。     

大数据时代的人类移动性研究

人类个体/群体移动特征是多学科共同关注的研究主题。移动定位、无线通讯和移动互联网技术的快速发展使得获取大规模、长时间序列、精细时空粒度的个体移动轨迹和相互作用定量化成为可能。同时,地理信息科学、统计物理学、复杂网络科学和计算机科学等多学科交叉也为人类移动性研究的定量化提供了有力支撑。本文首先系统总结了大数据时代开展人类移动性研究的多源异构数据基础和多学科研究方法,然后将人类移动性研究归纳为面向人和面向地理空间两大方向。面向人的研究侧重探索人类移动特性的统计规律,并建立模型解释相应的动力学机制,或分析人类活动模式,并预测出行或活动;面向地理空间的研究侧重从地理视角分析人类群体在地理空间中的移动,探索宏观活动和地理空间的交互特征。围绕这两大方向,本文评述了人类移动性的研究进展和存在问题,认为人类移动性研究在数据稀疏性、数据偏斜影响与处理、多源异构数据挖掘、机器学习方法等方面依然面临挑战,对多学科研究方法的交叉与融合提出了更高要求。     

分布式虚拟地理环境中时空一致性研究

为了保证分布式虚拟地理环境的时空一致性和解决共享虚拟场景过程中的同步和一致,本文提出了在虚拟地理环境中通过统一的空间基准和环境描述来保证空间一致性,通过具体的减少数据传输延迟的技术方案来保证实时性.     

点线目标自然语言空间关系描述模拟表达方法研究

自然语言描述中蕴含丰富的地理空间信息,空间关系是自然语言描述中最重要的一部分,对理解整个描述语句起到决定性作用。但自然语言描述的不确定性、模糊性、灵活性等特征给计算机理解和处理自然语言增添了困难,因此建立定性的自然语言空间关系描述与定量的图形空间关系之间的映射关系是本文研究的重点。根据空间粒度的不同将自然语言空间关系描述分为完全模糊描述、区间模糊描述和定量模糊描述3类,提出缓冲区法和随机参数法2种可视化表达方法,并搭建原型系统进行实验。实验表明,该方法有效可行,有利于深化模糊语义的自然语言描述图形化研究。     

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。     

成矿预测中ArcGIS ModelBuilder的建模评价——以武夷山成矿带大深幅为试验区

为实现数字化、智能化、自动化成矿远景预测评价,提出以证据权法、信息量法等数据驱动结合知识驱动,利用ArcGIS空间分析建模实现地质变量筛选、构置,并得到图层表示的找矿地质模型与相应的量化模型。通过对变量特征、量化方法及GIS单元划分与赋值等的分析,以规则网格、等价的中心点分别为基本单元,以及重要性法、中心点法、面积法识别变量,经ArcGIS空间分析建模实现"0,1"法赋值。同时用多维空间线性映射的定量模型,以克服地质变量不等价、不独立对评价结果的影响,以武夷山成矿带1:5万大深幅为实验区,应用ArcGIS ModelBuilder方法,对该区铁、铜、铅锌成矿远景进行预测评价,圈定远景区12处,其中,A类3处、B类3处、C类6处,与信息量法、证据权法的预测结果基本一致。