空间索引技术及其GIS应用综述

空间索引技术可提供高效的空间数据组织与管理方式,以支撑海量空间数据的挖掘与分析。针对当前空间索引存在的知识体系不明晰、选择难等问题,该文通过文献调查法和CiteSpace工具,依据空间划分及映射方法将空间索引划分为基于树结构、格网、空间填充曲线和地址编码的空间索引四大类,并综述其原理、空间结构、适用范围及在GIS领域的应用,最后对空间索引在数据组织、高效计算、可视化、可靠性等方面的研究进行展望。结论如下：基于树结构的空间索引最具普适性且可以处理多维度及多层次的数据,查询性能依赖于树结构的平衡性及数据的分布;基于格网的空间索引可以均匀划分空间以便于高效范围查询,却不适用于非结构化或动态数据集;基于空间填充曲线的空间索引可以在实现维度压缩的同时保持局部邻近性,但插入或删除数据可能导致整个曲线的重构难以频繁更新;基于地址编码的空间索引将语义地址信息转化为编码信息,便于高效检索,然而语义地址匹配仍存在较大误差和不确定性。研究结果可为空间数据组织和结构设计提供参考。     

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。     

城市内部居住环境评价的空间分析——以佳木斯市为例

对城市内部居住环境质量进行定量研究是目前城市研究的热点之一。运用GIS、网格计算和空间数据自相关模型结合的方法对佳木斯市进行实证研究。利用ArcMap平台将研究区域划分成若干相同大小元胞(cell),以元胞为单位进行各种统计运算。以居住环境满意度调查问卷数据为基础建立属性数据库,并与元胞建立拓扑关系生成空间—属性一体化数据库,作为评价的基础,分别对居住环境的主要构成因子:利便环境、周边环境、文化环境进行了评价。通过空间自相关模型对评价单元之间的内在联系进行了探索性分析,发现居住环境是在空间分布形态上相应地表现出整体上的趋同性和局部的差异性。并从空间相关联的角度出发,对研究区域提出了空间布局和规划的方案。     

一种启发式A*算法和网格划分的空间可达性计算方法

本文提出了一个适用于研究城市内部的个体或商业区位的微观可达性计算方法,该方法的核心是将研究区域进行等距的网格划分,通过计算每个网格的可达性指标,来研究整个区域的可达性的空间分布特点。在可达性计算中,利用网格内的道路密度和土地利用状态这两个因素来模拟计算每个网格的交通成本,引入了启发式A ^*空间搜索算法来计算网格间路径的交通成本,并且加入适当的启发信息,提高了搜索效率,使搜索结果更符合实际需求。最后,基于本文提出的方法,利用GIS二次开发工具ArcEngine开发了计算程序,收集了多源数据,以广州市商务区的可达性作为计算对象,进行了商务区的可达性和易达性案例计算。     

基于数据分治与双层索引的并行点面叠加分析方法研究

地图叠加分析是一种计算密集型算法,并行化计算是加快算法执行速度的一种有效方法。该文研究分布式环境下的点面图层并行化叠加分析方法与实现。首先根据点面叠加的特点设置并行数据分解的方式,基于分治法分解空间数据,在并行系统下将地理要素分而治之。然后引入双层索引的并行叠加机制,一是对面图层根据Hilbert空间索引的排序方式分发数据,二是对点图层建立四叉树索引,对每一个进行相交运算的多边形进行快速过滤和求交。最后在Linux集群系统下实现该并行算法,其一利用MPI分布式计算环境实现在整体计算框架下的消息通讯模式的并行,其二在每个子节点中实现基于多核OpenMP工具的本地并行化。结果表明,利用双层空间索引分治的方法可实现并行数据分块,各子节点实现独立计算,减少并行系统中的I/O冲突,并行加速比明显。该方法对矢量地图运算的并行化进行了有益的尝试,为大数据时代的空间数据分析提供一种有效的途径。     

分布式空间数据服务两级检索方法研究

针对当前分布式多尺度空间数据服务检索效率较低,无法满足集成应用需求的问题,该文提出一种基于两级空间索引结构的分布式多尺度空间数据索引方法,即以空间网格索引为基础,结合空间数据服务元数据管理,实现了空间数据服务及其空间对象的索引。在检索过程中,先通过一级索引检索出目标空间数据服务,再使用二级索引在目标服务内检索出目标数据对象。对二级索引结构和基于服务注册的检索效率的对比测试表明,该方法的效率优于服务注册方法,且随服务数量的增加,效率优势更显著;对单个服务的数据量对二级索引性能的影响进行测试,发现单个数据服务随着数据对象的增加,二级索引的检索时间逐渐增加,但总体检索时间基本可以满足多数应用需求。     

基于Geohash的面数据区域查询

鉴于Geohash编码的全球唯一性、多层次递归性和一维的特性,以及Geohash目前通常只用于邻近点数据的空间查询而鲜用于面数据空间查询的现状,提出了一种基于Geohash的面数据区域查询方案,描述了对面数据和查询区域的处理方法.主要思路是将面数据关联到若干Geohash单元网格,并在数据库中保存网格的Geohash编码与面数据的对应关系,查询时将查询区域根据规则对应到最多4个Geohash编码,再根据编码查询与区域相交的面数据.通过对比试验可知,在数据量较大且查询区域较小的情况下,基于Geohash编码的面数据查询效率较基于经纬度和R-树的查询效率高,在海量空间数据检索上具有一定应用价值.     

基于数据场的出租车轨迹热点区域探测方法

利用空间聚集模式探测方法可以从出租车轨迹中挖掘城市热点区域,从而为城市规划和交通管理提供支持。数据场借鉴物理学中场的理论,通过定量化计算数据对象间的相互作用,可分析空间数据的聚集模式。针对轨迹数据的特点,该文提出了一种利用数据场势值阈值法探测轨迹点的聚集模式,从而提取城市热点区域的方法。该方法首先在轨迹空间上划分网格,将轨迹点映射在网格中,并利用数据场势函数计算各网格单元的势值,然后利用单一阈值或多阈值分割法提取城市热点区域。以武汉市的出租车轨迹为例进行实验,利用单峰直方图阈值法进行高势值区域筛选,得到轨迹聚集区域,从而提取城市热点区域。且通过武汉市节假日与非节假日多时段的提取结果的对比分析,得到城市热点区域的时空分布模式。进一步研究将该文方法扩展到时空聚集模式探测,以多角度分析城市热点的时空动态变化。     

地理空间数据本质特征语义相关度计算模型

关联数据是跨网域整合多源异构地理空间数据的有效方式,语义丰富的关联是准确、快速发现目标数据的关键。根据地理空间数据在空间、时间、内容上的语义关系,提出地理空间数据本质特征语义相关度计算模型。通过构建本质特征的关联指标体系,分层次逐级计算地理空间数据的语义相关度。与传统的语义相关度计算方式不同,以地理元数据为语料库,充分考虑地理空间数据的特点及空间、时间、内容在检索中不同的重要程度,分别采用几何运算、数值运算、词语语义相似度计算和类别层次相关度计算的方式,构建地理空间数据的语义相关度计算模型。该模型具有构建简单、适用于多源异构数据、充分结合了数学运算和专家经验知识等特点。实验表明：模型能够有效地计算地理空间数据本质特征的语义相关度,并具备一定的扩展性。     

一种新的邻近点间相互作用大小的可视化方法

在分析空间相互作用理论及其可视化方法的基础上,针对现有的空间相互作用大小可视化方法的不足,提出一种邻近点间相互作用大小的可视化方法.该方法以可视化理论为基础,利用断裂点的特性确定可视化结果的大小,通过建立可视化规则优化可视化效果,实现了邻近点间相互作用大小的二维可视化,可有效地观察与分析空间实体间的相互作用大小.实例表明,该方法简单易行,有利于总体和个体的空间相互作用大小的比较,具有较强的直观性和可比性.     

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。     

空间数据访问控制研究

空间数据安全,尤其是访问控制在GIS应用(特别是网络应用)中已经成为不可或缺的功能部件。该文主要讨论设计和实现空间数据访问控制功能所涉及的基本问题,包括空间数据访问控制分类、空间数据访问控制的要求、空间数据访问控制模型、授权规则的存储结构和管理方式、授权规则与访问请求的匹配决策算法以及空间数据访问控制的实现策略等。提出一种空间数据访问控制的参考框架,定义了各组件的功能,并解释访问控制功能的实现流程。     

多尺度空间单元区域划分方法

传统空间单元的区域划分通常仅以属性数据作为划分依据，而对单元之间空间依赖关系考虑不周。在尺度空间理论基础上，提出多尺度空间单元区域划分方法，在考虑空间单元属性信息的同时，增加了空间单元的相互依赖关系，使得在空间尺度在由小变大过程中，具有高度空间相互依赖关系的空间单元相互融合，得到不同空间尺度下的区域划分。以江苏省从1978年到1995年的18年社会经济发展数据为基础，进行了全省社会经济发展水平的区域划分的试验，结果表明与实际发展水平的分布情况相吻合。     

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。     

多维空间分析的关键技术--空间数据立方体

介绍空间数据立方体在“数字城市”建设中的作用以及国内外研究现状;讨论非空间维、空间维、数字度量、空间度量的基本概念和结构,给出空间数据立方体的完整描述。空间数据立方体的分析操作主要由概括分析、局部分析、全局分析和旋转分析组成,介绍这些分析操作的功能和结构;结合具体实例数据介绍多维缓冲区空间分析。     

空间编码QuaPA方法的改进与实验

空间编码是GIS与全球空间数据组织与共享的重要基础。针对QuaPA编码方法进行三维与全球空间编码时存在数据冗余和象限二义性问题,采用双Morton编码和象限标识后置方式进行改进,提出QuaPA 方法。介绍QuaPA 编码步骤及其反演原理,并以中国及邻区地表及地下10 km2、0 km以浅的三维球壳空间网格划分为例,分别进行了球壳网格的QuaPA和QuaPA 编码实验。实验表明,QuaPA 编码解决了象限二义性问题,缩短了编码长度,节省了存储空间。     

矢量空间数据渐进传输研究进展

渐进传输被认为是解决目前海量空间数据传输与实时用户体验之间矛盾的有效方法。栅格数据渐进传输的相关研究比较成熟,但矢量数据的渐进传输理论和技术还存在问题。为了推进矢量数据渐进传输的相关研究,该文对与矢量数据渐进传输密切相关的二维矢量数据、三维表面模型两种数据的多分辨率表达和渐进传输的研究现状进行归纳与总结,指出相关研究的发展方向,为海量空间数据适用于分布式网络传输提供参考依据。     

空间数据关联规则挖掘的不确定性处理及度量

针对传统空间数据关联规则挖掘缺乏不确定性处理及度量的局限性,将空间数据的不确定性和空间数据挖掘的不确定性有机结合,初步建立了空间数据关联规则挖掘的不确定性处理模型及度量指标,包括空间数据不确定性的Monte Carlo模拟、基于不确定性空间数据的空间自相关度量和关联规则不确定性度量等,并以我国某地区环境调查数据为例进行验证。     

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Web Service的空间数据共享平台

分析传统GIS软件存在的数据共享、集成困难和应用间互操作复杂的问题,提出了基于Web Service的数据共享平台的简单原型和实现技术。阐述如何基于开放的规范和协议构建开放的数据存储一体化模型,并在此基础上,提出了分布式环境下基于Web Service数据节点集群、互操作方案,以及上层充一的应用开发模式,包括提供以面向对象的思想定义的、构建上层应用的组件支持。重点研究了在空间数据文本化之后数据的索引、查询问题,提出了结合元数据和GML的两阶段数据查询方案。并对该平台下空间数据的语义共享方式做初步探讨。