基于共形几何代数的三维地理场景建模与表达

以共形几何代数对几何体的多维统一表达为基础,构建基于多重向量的三维地理场景建模与表达流程。对CityGML数据进行解析,应用本模型对其加以组织和管理,并实现场景的可视化与交互。德国Waldbruecke村的实例验证结果显示,基于共形几何代数的三维场景建模与表达可以较好地支撑复杂地理场景的表达、重建与检索,并可实现多维度对象的统一管理与维护,有助于支撑大规模地理数据及场景的分析及应用。     

几何代数在地理信息高维空间表达中的应用

以欧氏几何为基础的信息框架对地理信息科学的发展起着重要作用。然而,由于欧氏空间对地理信息系统(geographic information system,GIS)中地理对象和现象的表达依赖于坐标系统以及对象具体坐标,使得基于欧氏空间的地理对象表达、计算和分析难以形成多维统一的运算规则和运算框架,增加了GIS算法的复杂度,降低了GIS分析效率。几何代数是一种以维度运算为基础的结合代数,在几何代数中,空间被定义为向量集合间的运算,空间维数直接由运算法则确定,可实现高维几何计算和分析的统一。基于几何代数统一的计算与分析框架对现有GIS进行构造,能够更好地对高维对象进行表达与分析,提升对复杂地理对象与动态地理现象的表达、时空多尺度分析以及不同尺度地理模型耦合集成的能力,有助于奠定GIS向实时动态、虚实融合、全视角、全要素、全内容表达的全息地图方向发展的理论基础。     

地理学视角下测绘地理信息再透视

系统回顾了地理信息系统产生以来地理信息内涵发展与拓展的主要历程,指出地理信息的定义一直是在"空间+属性"的地图信息基本框架下逐步扩展,其发展历程经历了地图GIS、语义GIS、时空GIS和大数据GIS 4个不同的阶段,但仍无法满足时空大数据的分析和应用需求。从地理学研究的对象和内容出发,对地理学所需要的"地理信息"的内涵和外延进行了系统的梳理总结,提出了涵盖"空间定位""语义描述""属性特征""几何形态""演化过程""要素相互关系"的地理信息六要素表达模型。在地理定律和地理规律的指导下,面向地理现象空间分布、时空格局、演化过程、相互作用机理的集成表达、系统分析和高效管理,设计了六要素集成表达的几何代数统一GIS数据模型、地理规律与相互作用驱动的新型GIS数据结构、非结构化时空数据组织与存储等关键技术,为测绘地理信息走向地理科学信息提供了另一个理论基础与技术方法支撑,有助于提升GIS对地理格局、演化过程和要素相互作用等地理规律的组织、管理、表达和分析能力。     

面向地理空间信息的轨迹模型及时空模式查询

轨迹数据处理与分析是目前空间信息和数据库等相关领域的研究热点之一。本文从Stop-Move轨迹模型出发,通过集成地理空间上下文信息来建模轨迹数据,并研究轨迹时空模式的查询处理技术。首先分析Stop/Move对象与点/线/面地理空间要素之间的时空关联关系,据此提出显式表达该关联语义的地理关联轨迹模型,在此基础上利用关系-对象数据库技术,为地理关联轨迹模型设计独立于应用的关系模式,接着定义轨迹时空模式查询,并提出基于地理关联轨迹关系模式的SQL处理框架,最后以典型性检索请求为例,讨论分析位置-时间、位置-顺序和位置-关系等三类轨迹时空模式查询的纯SQL处理技术,并以样例轨迹数据验证了本文方法的可行性。     

基于几何代数的多维统一GIS数据模型研究

支持复杂地理对象及连续地理现象的一体化表达、建模与模拟是GIS与地学分析研究的热点.现有空间数据模型在多维对象的自适应表达、实体对象空间索引、多维统一的空间分析方法与算法构建框架以及多维统一的GIS系统实现与地学应用等方面仍显不足.基于新的数学理论,建立多维统一表达和计算框架是GIS空间数据模型创新的可能途径.论文引入以维度运算为基础的几何代数理论,构建多维统一GIS空间数据模型;探讨了多维地理对象的自适应表达与一体化建模;探索相应的数据组织、存储与检索机制以及对应的多维空间分析统一计算模型,在此基础上构建相应的原型系统并进行应用示范.论文主要研究内容如下:     

基于时空对象的高铁网络建模方法

全空间信息系统将现实世界中的实体抽象为多粒度时空对象,并对其进行表达与分析,较传统地理信息系统来说更符合人类的认知。对高铁网络对象的基本特点及现有交通网络建模方法进行了分析,可知目前现有的建模方法难以支持具有动态性、关联性及多粒度特性的高铁网络对象的表达。依据多粒度时空对象建模思想,提出了一种适合高铁交通数据的全面表达与操作的建模方法;并对高铁网络对象化建模方法的优势及建模过程进行了探讨,设计了概念模型和逻辑模型;通过实例对提出的建模方法进行了验证,并采用可视化表达的方法检验高铁网络时空对象数据的有效性。实验结果表明,基于时空对象的建模方法能够较好描述高铁时空实体多维动态特征,能为后续高铁网络时空查询、分析提供支持。     

基于多粒度时空对象的事件建模框架研究

全空间信息系统中提出利用多粒度时空对象构建一个时空大数据下的多维动态世界。由于多粒度时空对象的复杂特征,基于传统地理实体的事件建模方法和理论已不能满足全空间信息系统的需要,必须研究多粒度时空对象的变化特点及其事件建模理论。分析了对象与事件生命周期的拓扑关系,总结了多粒度时空对象的变化特点和规律;提出了全空间信息系统中的事件结构及其建模流程,并总结了事件的3种关系和驱动模式;基于此,构建了事件建模的原型系统,并以某海域的两国海上舰艇对峙事件为例,进行了建模和初步可视化表达,取得了较好的效果。     

基于VR的时空数据组织方法研究

在对VRGIS的研究基础上,将虚拟空间地理实体抽象为空间几何对象,用BR-TIN剖分方法提取空间几何对象的几何要素,将空间几何对象的几何特征、属性特征等信息进行封装,在空间数据库中进行存储管理,并在数据库中建立关系表和几何对象间的空间关系,最后以桂林理工大学的数据为例,对VR时空数据进行可视化,验证基于VR的时空数据组织方法的有效性。     

一种基于关键帧动画的时空数据动态可视化方法研究

以时空数据可视化表达为研究对象,提出一种以地理现象真实时间为串联,以关键帧及线性插值动画为手段的动态符号逻辑模型。将地理实体不同时态的特征以图形符号表达并作为关键帧;在关键帧之间根据需要使用插补算法生成多个中间时刻的图形符号,并模拟表达该时刻地理实体特征,这个过程称为中间帧生成;采用地图动画时间串联各个关键帧和中间帧,并按时间顺序和一定约束规则连续播放,形成动画符号,实现时空数据的几何特征和属性特征随时间变化的动态可视化。     

基于Geodatabase的特征-版本时空数据组织方法

在全面分析基于特征的建模技术的基础上,利用Geodatabase面向对象技术和版本管理的双重支持,在基于特征的时空数据模型中引入版本化管理思想,探讨了一种基于Geodatabase的特征-版本时空数据模型构建方法。采用时态版本模式管理和存储抽象生成的独立特征对象,有效地消除了地理空间信息几何分层的弊端,并实现了时空数据的有效存储和多用户并发控制,为地理实体空间信息的历史重构、跟踪变化空间分析等提供一种新的思路。     

地理大数据聚合的内涵、分类与框架

地理大数据是地理对象所产生的“足迹数据”,而地理大数据挖掘就是通过反演分析地理对象的“足迹数据”,揭示其中蕴含的人地关系及其时空模式。近年关于地理大数据的重大研究进展显示,其研究结论的取得大多需要借助多种大数据的信息综合。为此,本文提出研究地理大数据聚合的必要性：代表新的研究范式、产生新的研究视角、提升研究的全面性,并将地理大数据聚合定义为：不同地理大数据之间通过转换形成面向研究对象的多维数据集合。在阐述地理大数据分类和特点的基础上,将地理大数据聚合分为：时空聚合、面向对象聚合、面向主题聚合以及面向模型聚合四种类型。地理大数据聚合作为地理大数据挖掘的重要组成部分,其过程大致可以分为：确定内核—信息溯源—反演汇聚3个步骤,而其中的关键科学问题包括：统一时空框架和基准、统一数据表达与存储、匹配同一观测对象的多数据源、统一多源数据的时空范围、调和不同对象之间不同的变化速率、解决数据共享与隐私保护、大数据与小数据的聚合等。地理大数据聚合方法与技术的发展,将会拓展地方的感知、土地功能的识别、对人群的观测与理解、功能与流动之间关系、地表复杂巨系统等新领域的研究。     

三角网求交的共形几何代数算法

针对传统三角网求交计算方法逻辑结构复杂,维度上不统一等不足,本文基于几何代数理论,从对象表达、关系运算相统一的角度,构建了基于meet算子的自适应三角网求交算法。利用共形几何代数中与Grassmann分级结构一致的对象外积表达,建立了三角网的几何代数表达;基于meet算子构建空间三角网求交算法,探讨了该算法对几何对象及维度的自适应性;最后基于南极冰盖模拟数据对上述算法进行案例验证。结果显示,本文算法可以很好的支撑三角网的求交运算,在简化了算法结构的同时提升了算法的多维适用性,可为基于几何代数的多维融合空间分析算法构建提供借鉴。     

面向交通地理信息时空特征描述的Spatial-UML研究

空间信息系统建模的多样性、主流信息技术的高度集成性以及逐渐变复杂的系统体系都使得软件和数据库设计者向可视化建模的主流方向发展。分析面向地理信息时空特征描述而建立的空间可视化语言插件(SpatialPVLs),并基于可视化建模技术标准,应用统一建模语言(UML)内置的扩展机制实现了针对地理信息时空特征描述的扩展。UML和SpatialPVLs的集成过程定义了面向地理信息时空特征描述的可视化建模语言,即Spatial-UML。最后,以城市交通模拟地理信息系统(GIS)数据概念模型设计为实例,验证Spatial-UML的适用性和扩展性,建立一个可以满足不同领域用户访问和理解的互协作建模架构,实现交通地理对象的空间、时态和时空特征的可视化标准描述和表达。     

基于时空地理格网的空间数据融合方法

针对时空数据海量、多源、异构造成难以融合、难以深度挖掘数据知识等问题,文中提出时空地理网格概念,将空间数据的时间维和空间维度有效地结合起来,构建时空地理网格单元,通过时空地理网格单元为时空数据赋予时空属性,用以解决时空多源数据融合的问题。以基于北京市多源信息的人口分析为例,验证多源时空信息网格的可靠性,并进一步研究北京市人口发展规律,为智慧城市发展提供决策分析。     

基于框架的时空对象模型研究

空间数据模型反映现实世界中空间实体及其相互间的联系,但现有G IS数据模型主要表达某一时刻的空间实体及其相互之间的联系,没有考虑表示空间实体的时空变化,本质上是非时态的,无法满足各种用户的需求。本文分析了G IS应用的过程本质,系统地研究了地理信息系统过程建模的概念和类型,讨论了过程模型中的地理时空概念、空间数据模型的研究现状和存在的问题,以空间系统理论为依据,提出了空间数据模型结构,设计了适于表达G IS过程模型的基于框架的时空对象数据模型,并探讨了空间对象的时态表示和处理操作。     

移动对象时空数据建模的研究

当前的时空数据建模多是针对空间对象的离散变化,随着移动计算环境的普及以及基于位置服务的兴起,要求对连续的时空变化——移动对象进行更深入和实质的研究。介绍移动对象的概念,总结并着重分析目前移动对象数据库的研究重点,分别是数据建模、查询语言、索引结构和不确定性处理。在此基础上提出移动对象数据建模研究未来的发展方向。     

GIS时空分析系统的Clifford代数设计与实现

以Clifford代数为理论基础与数学工具,构建了时空分析原型系统：①在兼容多类常用GIS数据格式的基础上,根据Clifford代数空间构建的思想,对现有时空数据模型进行扩展,实现了时间、空间与属性的一体化表达;②定义了可支撑多维度时空分析的几何、度量等Clifford代数算子库;③基于插件的时空分析模型算法构建及集成框架,实现了高维邻域分析、网络分析以及时空栅格数据分析等地学分析算法。实验结果显示,根据Clifford代数所构建的时空分析系统可有效支撑多维时空分析。     

面向过程的时空数据模型研究

根据近20年来时空数据模型的研究现状、存在问题及其原因剖析,以连续渐变地理实体的表达、组织和存储为研究对象,提出面向过程的时空数据模型。根据连续渐变地理实体的内在特性,将其分级抽象为过程对象系列,进一步探讨过程对象及过程对象间逻辑关系,并设计其UML模型结构及物理存储结构。通过抽象的过程对象隐式地记录地理实体动态变化机制,及自定义的过程对象存储表提供演变机制的函数接口模式,实现连续渐变地理实体的过程化组织、存储与动态分析。最后,以海洋数据的过程化组织与分析为例,构建时空过程模型原型系统(海洋过程对象—关系数据库系统与功能分析平台),验证和评价该模型的实用性。     

地理信息产业转型升级的驱动力

当前,地理信息产业的发展面临着转型升级的严峻挑战,同时也迎来了大好的发展机遇。“互联网+”、大数据、云计算、人工智能等新兴信息技术的迅速发展为地理信息产业的转型升级提供了强有力的支撑。在这种情况下,人们要认真思考和探索地理信息产业转型升级的背景、目标、途径和方法、驱动力等一系列问题。针对地理信息产业转型升级的背景问题,从如何认识地理信息产业和大数据入手,提出大数据的时空观和时空大数据的理论;针对地理信息产业转型升级的目标问题,提出时空大数据平台理论和“通用时空大数据平台+”模式,通过军民融合实现时空大数据产业化,使之成为地理信息产业的转型升级版;针对地理信息产业转型升级的途径和方法问题,提出构建时空大数据平台的技术体制和技术方法,探讨从基础研究起步的时空大数据产业化之路,构建由硬件产品、软件产品、软硬件集成产品和各类（种）数据产品组成的时空大数据产品体系;针对地理信息产业转型升级的驱动力问题,探讨人工智能技术将成为地理信息产业转型升级的核心驱动力,并分析人工智能的算法、数据和计算能力三要素在时空大数据产业化中的作用及三者之间的关系。     

一种时空过程的梯形分级描述框架及其建模实例

以对象建模视图和事件模型为基础的自底向上的时空过程表达方法,缺少对地理时空现象的显式定义,在时空因果链的细化表达方面存在不足。本文设计一种时空过程的梯形分级描述框架STP-TRAP,对时空过程进行自顶向下的显式化建模和集成时空因果链的分级描述,并在事件模型基础上,通过引入约束关系描述扩展时空因果链的表达模式。土地利用变迁过程建模实例与土地利用管理信息系统的设计和实现证明,该框架对土地利用变迁时空过程表达效果较好,为土地利用变更数据管理提供了新的思路。