多级地理空间网格框架及其关键技术初探

为了有效管理、组织和利用海量空间数据,解决存储架构与现有空间数据结构不一致的矛盾,在融合国内外各种球面剖分模型优点基础上,设计了一种多级地理空间网格框架。该网格框架以地图分幅划分方式为基础,利用经纬度间隔对全球进行层次性剖分,形成遥感数据、测绘数据及其他空间数据的统一组织框架。通过对网格单元的地址与属性编码,实现空间数据的直接存储和索引,从而完成对空间信息的无缝拼接与多尺度管理。最后阐述了实现地理空间网格框架的关键技术,包括空时一体化技术、计算集群存储技术和空间索引技术等。     

基于GIS的二维非结构化剖分网格优化

非结构化网格剖分是数值模拟的关键技术之一,网格质量直接影响到计算的收敛性和精确度。在GIS辅助建立非结构化网格空间拓扑关系的基础上,针对GIS和实际研究问题给出Spring-Laplace方法——一种新的单元尺度函数定义,在GIS空间算法下利用该方法优化节点位置,并基于推进阵面算法的思想,结合空间邻近拓扑关系实现了三角剖分节点和网格的重新编号算法,方便了开边界条件的赋值,提高了计算效率。实例表明,该方法大大提高了网格生成质量,能适应FVCOM数值模型对非结构化网格剖分的要求,其收敛速度快,具有较高的运算效率。     

基于GIS的边坡有限元网格自动生成研究

GIS已广泛运用于滑坡灾害研究,但GIS和数值方法相结合研究边坡问题的文献很少。原因在于边坡失稳和滑坡形成是复杂的三维空间物理力学过程,而三维空间数据模型理论还不成熟。因此,在现有GIS软件平台上实现大区域滑坡灾害数值模拟的关键在于三维有限元网格的自动生成。该文研究边坡岩土数值分析相关数据的GIS数据存储格式,提出基于栅格的六面体有限元网格生成和基于TIN的三棱柱有限元网格生成,并利用ArcGIS9．0、Amys7．0实现有限元网格自动生成。     

P2P环境中的全局空间数据目录研究

P2P计算通过大量自治的节点协作共享资源与计算,为空间数据和空间操作的分布提供了新的分布式计算模式。分布在不同Peer上的空间数据库节点通过P2P协作构成一个超级全局空间数据库,全局空间数据目录是P2P环境下快速定位空间数据资源和空间计算节点的关键技术。Peer数据库节点的数据模式、元数据、资源状态参数等抽象为一系列关键词集合。全局目录基于Peer空间数据库节点的外包矩形进行动态聚类并建立P2P环境下的空间索引,支持Peer空间数据库节点的动态加入和退出,支持复杂空间查询和关键词查询。该文给出了全局空间数据目录的组织模型、P2P空间数据索引及空间资源发现算法。     

基于GIS的高质量约束Delaunay三角网格剖分

在分析现有非结构化网格剖分算法的基础上,提出了一种GIS支持下的改进分治算法实现约束Delaunay三角网格剖分.该方法利用了GIS的空间拓扑关系对算法输入数据进行预处理,基于三角形的统一数据结构实现了网格细化,对输出剖分网格进行准确的拓扑和约束条件的检查,并基于推进阵面算法思想,结合空间邻近拓扑关系实现了三角剖分节点和网格的重新编号,方便了实际问题中开边界条件的赋值,提高了计算效率.实例应用表明,该方法大大简化了数值模型非结构化网格剖分的前处理过程,集成了几种综合算法的优点,在保证原分治算法时间复杂度的基础上,提高了约束条件下Delaunay三角网格生成的质量.     

基于HBase的矢量空间数据分布式存储研究

分析了分布式数据库HBase的存储模型;结合对HBase集群技术的研究,设计了基于HBase的矢量空间数据存储模型和一种基于MapReduce的并行构建网格空间索引方法,使得海量空间矢量数据的网格索引构建分配到各子节点进行,大大加快索引构建的处理速度;最后,利用HBase集群环境对所提出的方法进行验证,该方法具有较好的可行性和较高的效率.     

3D GIS空间索引技术研究

概括并分析3D GIS中使用的空间索引技术,介绍各类技术方法的基本思想;对典型的空间索引方法进行分类,综合比较其优缺点和适用对象;按照空间分割方式将三维空间索引分为规则分割和对象分割两大类,规则分割包括规则网格、BSP树、八叉树、KD树、KDB树和R树系列等,对象分割则通过层次包围体来实现。指出在3D GIS实际应用中,应根据实际情况和应用需要组合多种索引技术,进而生成灵活、高效的索引机制。     

面向集聚分布空间数据的混合式索引方法研究

空间数据索引技术可以有效地提高空间数据在存储、处理、分析以及地图可视化中的效率,其性能优劣直接影响GIS的整体性能。该文针对格网索引和四叉树索引存在的问题,提出将四叉树嵌入格网形成一种混合式空间索引结构,并分析其原理、数据结构与影响参数。理论分析及实验证明,对于空间集聚分布状态的海量地理数据而言,混合式索引方法以略高的存储代价换取了更高的检索、插入和删除效率,是一种有效的空间索引方案。     

计算模式驱动下GIS体系结构的发展分析

计算模式是信息时代特有的解决问题的方法范式,它综合反映了信息科学的理论、软件与硬件等因素在解决实际问题中相互作用的形式,是与相应阶段主流信息技术相对应的信息系统体系结构的规律模式或构筑范式。该文分析了计算模式驱动下GIS的体系结构从单机模式、局域网模式、广域网模式(WebGIS)到网格模式(GridGIS)的发展过程,指出单机、局域网和广域网模式本质上都具有集中封闭的性质,不同程度地存在着理论、技术、物理、功能和逻辑思维等五大边缘,是典型的空间信息孤岛。网格计算模式是一种彻底的分布式计算模式,GIS的网格模式直接打破了传统模式的技术、物理、功能和逻辑思维限制,并面向理论边缘的解决,具有开放、均质、扁平的结构性质,升格为空间信息网格基础设施。     

基于GeoSOT的遥感影像云索引模型研究

针对目前遥感影像中云信息描述简单、云的空间分布信息不足而限制影像局部云信息检索的现状,提出了基于GeoSOT的影像云索引模型。该模型根据空间信息建立GeoSOT网格与遥感影像的对应,通过判断每个GeoSOT剖分面片对应的影像数据块是否有云,并记录剖分面片编码和判断结果,实现对遥感影像中局部云信息建立索引;在检索影像中局域云信息时,根据剖分面片编码查找云信息标识即可。同时,探讨了不同等级影像数据产品采用精确逻辑剖分和冗余逻辑剖分构建影像云索引的方法,设计了影像云索引的数据结构,分析了影像数据建立云索引的存储代价。通过仿真实验表明,对遥感影像构建基于GeoSOT剖分编码的云索引代价小,其存储量约为原数据的0.01%,提高了影像中局部云信息查询效率,为计算机自动选取高质量的影像提供了一个有效的技术途径。     

基于P2P的空间数据操作分布技术研究

分布在不同节点的空间数据库通过P2P协作共同完成复杂的空间应用任务。提出一种基于P2P的空间数据操作分布的引擎设计:引擎根据空间应用任务的解析,在P2P网络中动态地选择最佳的执行引擎,通过P2P的消息和通信机制进行协作,共同完成复杂的空间计算和空间查询任务。P2P的执行机制避免了集中式执行引擎带来的网络拥塞和单点失效问题,提高了空间数据资源和计算资源协作的可靠性和可用性。     

A discrete global grid system for earth system modeling

To support Earth system modeling, we propose a discrete global grid system that expresses multi-resolution spatial data. Specifically, a unified coding model that expresses a grid of nodes, edges, and cells is constructed for a triangular discrete global grid system. To fulfill the requirements of practical applications, we design a code-based topological query method for this grid system and an algorithm to transform between grid codes and geographic coordinates. We evaluate the Global Finite Volume Community Ocean Model (Global-FVCOM) on the triangular discrete global grid system in the proposed uniform coding model. The ocean tidal waves simulated by the Global-FVCOM running on the coded grid are then compared with results obtained using a traditional irregular spherical grid system, and the results display comparable accuracy. The uniform coding model proposed in this paper provides a triangular discrete global grid system that can represent multi-resolution spatial data and can be used in Earth system models. This unified coding model can also be applied to the geographic coordinate system made up of latitudes and longitudes, as well as diamond and hexagonal grids.     

基于R树的分布式并行空间索引机制研究

为提高分布式并行计算环境下海量空间数据管理与并行化处理的效率,基于并行空间索引机制的研究,设计一种多层并行R树空间索引结构。该索引结构以高效率的并行空间数据划分策略为基础,以经典的并行计算方法论为依据,使其结构设计在保证能够获得较好的负载平衡性能的前提下,更适合于海量空间数据的并行化处理。以空间范围查询并行处理的系统响应时间为性能评估指标,通过实验证明并行空间索引结构具有设计合理、性能高效的特点。     

基于层次格网索引的图幅接边处等高线高程错误识别和自动修正研究

等高线蕴含的历史高程信息可有效延长地形研究的时间序列,有利于深入挖掘地形变化长期规律,然而,图幅接边处的高程属性错误降低了等高线的数据质量,制约着等高线高程信息的实际应用。针对这一问题,该文提出一种基于层次格网索引的图幅接边处等高线高程错误识别和自动修正方法:首先,将层次格网索引与方向性二邻域算法相结合,以减少数据重复计算;然后,利用等高线空间位置标签及快速排序算法构建强空间位置关系,解决图幅接边处等高线匹配的准确性问题;最后,以高程冲突位点为驱动因子进行逻辑判断,实现等高线高程错误的识别及自动修正。实验结果表明:该方法运算效率较未进行效率优化时提高了203倍,接边处等高线高程错误识别与修正精度的最大值分别达97.71%和91.40%;相较于现有方法,该方法在精度和效率方面表现更佳,对区域性错误和变形等高线具有更高的适用性。     

基于格网索引的GIS矢量数据拓扑重建研究

GIS中对原始矢量数据进行拓扑分析和重建是对其进行存储和使用的前提。引入包括规则格网和四叉树格网在内的索引结构,将全局的矢量拓扑分析转化为单个格网范围内足够少的矢量线段求交过程,减少了运算的复杂度;并用一种重组算法实现将原始矢量数据转化为符合“逢交必断”标准的矢量数据。试验表明,该算法适合海量和高散乱度的矢量数据。     

分布式协同计算的GIS技术研究

讨论GIS的基本技术体系,针对GIS应用需要提出以分布式协同计算为基本特征的新一代GIS技术。回顾GIS技术的发展历程及各代GIS技术的基本特征,分析GIS应用需求的发展趋势,提出新一代GIS应具备的基本特征;从空间数据模型、空间查询语言和空间数据分布式计算等方面讨论新一代GIS技术的理论体系,并提出现阶段可行的实现机制;介绍新一代协同计算的分布式GIS软件原型。     

分布式水文模型的并行计算研究进展

大流域、高分辨率、多过程耦合的分布式水文模拟计算量巨大,传统串行计算技术不能满足其对计算能力的需求,因此需要借助于并行计算的支持。本文首先从空间、时间和子过程三个角度对分布式水文模型的可并行性进行了分析,指出空间分解的方式是分布式水文模型并行计算的首选方式,并从空间分解的角度对水文子过程计算方法和分布式水文模型进行了分类。然后对分布式水文模型的并行计算研究现状进行了总结。其中,在空间分解方式的并行计算方面,现有研究大多以子流域作为并行计算的基本调度单元;在时间角度的并行计算方面,有学者对时空域双重离散的并行计算方法进行了初步研究。最后,从并行算法设计、流域系统综合模拟的并行计算框架和支持并行计算的高性能数据读写方法3个方面讨论了当前存在的关键问题和未来的发展方向。     

基于HBase的矢量空间数据存储与查询方法及其应用

研究了HBase存储机制,针对现有存储查询方法效率低等缺陷,设计了HBase矢量空间数据存储表模式,如行键、过滤列族、几何列族及非几何列族等,以MapReduce算法为基础改进了原有的区域查询方法,上述改进有效提高了HBase中矢量空间数据查询效率。以某地近100 a地质灾害数据进行实验,结果表明：设计的存储模型可行,查询算法与传统查询算法相比效率更高;由于MapReduce运行过程中的通信等原因,当数据量小于5万级时,算法优势并不明显;当数据量大于10万级时,算法查询时间低于原来的1/2,而数据量达到100万级时,算法查询时间仅为算法改进前查询时间的1/20。数据量越大,并行化处理优势越明显。     

一种改进的DQG格网编码与经纬度高效转换算法

格网编码与经纬度间的转换效率是影响格网应用的关键因素。现有转换算法难以满足海量空间大数据的实时计算与分析需求,效率有待提升。为此,该文提出一种改进的DQG格网编码与经纬度高效转换算法:首先,引入二进制DQG格网编码代替四进制编码;然后,根据DQG格元的分布特征推导出格元行号和经度差的关系,以此改进格元列号的计算过程;最后,使用查找表进行Morton码的编码和解码,以提高转换效率。实验结果表明,该文提出的DQG格网编码与经纬度转换算法的平均效率分别是四进制DQG、单层二维SDZ算法的20.15倍和4.58倍,基本满足海量格网数据的实时转换与计算需求,为海量空间大数据的高效计算与分析奠定了基础。