基本介紹
- 中文名：無縫時空的多域集成時空數據模型研究
- 具備：對海量時空數據進行有效的表達
- 名稱：GIS
- 基礎：時空數據模型
摘要,目錄,
摘要
下一代GIS必須具備對海量時空數據進行有效的表達、管理與分析能力，而時空數據模型是解決上述問題的基礎和關鍵。由於時空變化語義的複雜性、時間維表達的特殊性、動態多維擴展後技術實現的繁難性以及海量空間信息考慮時變因素後的超海量性，致使目前仍無普遍接受的時空數據模型；GIS基礎平台研製和套用系統開發主體仍沿用傳統空間數據模型與建模方法，已難以滿足GIS對時空套用發展的需求，尤其是對海量時空數據管理與分析的需求。 本研究以面向實體和多尺度時空過程統一集成描述的無縫時空思想為指導，採用基於地理特徵域、時空場域、事件域以及關聯域相綜合的多重表達方法，按時空語義建模、時空數據邏輯建模和時空數據物理建模三個層次對無縫時空的多域集成時空數據模型（SMDI-STDM）進行了理論、技術到實踐的綜合探討。模型在更基礎層面上總結了不同地理事物和現象的時空變化特點，力圖更為完整、有效地表達時空變化語義，設計相應的數據組織結構，並在解決海量時空數據的高效組織與存儲問題上力爭有所突破。
主要研究內容包括：
（1）綜述。
從空間語義、專題語義、時間語義及時空語義出發，構建了時空表達的一般性概念框架，討論了國內外時空建模現狀、發展趨勢和面臨的問題。
（2）SMDI-STDM語義模型。
提出了面向實體時空變化與多尺度時空過程集成統一描述的時空變化刻畫的三層次論，並以此為主體命名為“無縫時空”思想。以無縫時空思想為指導，對時空語義的基本表達對象——①地理特徵與時空場；②時空鏈與時空圖；③事件與事件鏈作了分類討論。最後，通過關聯域集成地理特徵域、時空場域和事件域，提出了基於時空多重表達方法的SMDI-STDM模型，並通過多域集成表達，對複雜時空變化現象進行了時空語義建模，包括“特徵-場”聯合建模和面向時空變化刻畫三個層次的綜合建模。
（3）SMDI-STDM邏輯模型。
以實現無縫時空的多域集成表達為目標，設計了兩層架構的邏輯組織模型：①底層面向對象-關係型資料庫進行了時空綜合擴展，對空間數據類型與操作、時態數據類型與操作、時空數據類型與操作，時空關係與時空關係代數操作，以及時空關聯關係作了形式化定義，並對地理特徵的時空五域結構、時空場的四維時空塊結構、多域關聯結構、特徵-場的數據組織結構，以及面向海量時空數據的時空圖庫集結構進行了討論。②中間層則以面向對象方法實現了統一的邏輯數據組織，對時空對象、時空數據集、時空變化組織和時空實體關係與規則進行了類的層次關係設計。
（4）SMDI-STDM物理模型。
針對當前海量時空數據管理的艱難性和緊迫性，將GIS時空數據特點與當前底層資料庫技術有機結合，提出了基於時空分區與時空聚簇思想和方法的海量時空數據組織與存儲新模式。時空分區方法實現時空非聚集實體的分塊分磁碟並行存儲，時空聚簇方法則進一步在時空分區內部實現時空鄰近與物理存儲位置也鄰近的映射關係。
（5）原型、測試與套用。
討論了原型系統（GeoST）的基本架構、功能模組劃分和開發策略，給出了多域集成表達系列原型，並採用了2～60GB數據量的單表對時空分區與時空聚簇機制進行了分級效率測試。最後，給出了套用實例。 研究、測試與套用表明，SMDI-STDM模型的設計思想是有效的、合理可行的。面向實體和多尺度時空過程統一集成建模的設計思想和方法能更真實地表達地理事物和現象的本質特性，也更能被人們所接受；針對時空語義的特殊複雜性，採用多域集成多重表達方法是必要的，原型實例進一步說明了方法的可實現性；海量時空數據的測試充分驗證了時空分區與時空聚簇機制的有效性，從而為當前迫切需要解決的海量時空數據高效管理問題提供了切實可行的解決方案。
目錄
摘要6-8
Abstract8-15
第一章 緒論15-40
1.1 時態地理信息系統15-18
1.1.1 時態地理信息系統概念15-16
1.1.2 TGIS的發展16-18
1.2 時空數據建模18-31
1.2.1 時空數據建模及其與TGIS的關係18
1.2.2 時空數據建模的幾個重要關係18-21
1.2.3 主流時空數據模型的發展21-24
1.2.4 時空數據建模的新動向及其研究現狀24-28
1.2.5 時空數據建模面臨的關鍵問題28-31
1.3 研究目的和主要研究內容31-35
1.3.1 研究目的31
1.3.2 研究內容31-35
1.4 研究特色和主要創新處35-37
1.4.1 研究特色35
1.4.2 主要創新處35-37
1.5 論文的組織思路和章節安排37-40
第二章 基於時空語義的一般性概念框架和時空建模方法綜述40-71
2.1 時空數據建模概述40-44
2.1.1 地理空間數據建模的不同層次40-43
2.1.2 時空數據建模43-44
2.2 基於時空語義的TSF概念框架44-60
2.2.1 基於時空語義建立模型概念框架的必要性44-45
2.2.2 空間語義45-48
2.2.3 時間語義48-55
2.2.4 屬性語義55-56
2.2.5 時空語義56-60
2.3 典型時空數據模型分類評述60-67
2.3.1 基於位置的時空數據模型61-62
2.3.2 基於對象的時空數據模型62-64
2.3.3 基於時間的時空數據模型64-65
2.3.4 時空的綜合表達方法65-67
2.4 基於TSF概念框架的綜合討論67-70
2.5 本章小結70-71
第三章 時態空間論與無縫時空的多域集成時空數據模型71-120
3.1 GIS多元時空觀71-73
3.2 多元時態空間與多元時態空間描述框架73-77
3.2.1 多元時態空間概念73-74
3.2.2 多元時態空間描述框架MTSF74-77
3.3 時態空間描述——地理特徵與時空場77-87
3.3.1 當前地理事物和現象抽象、表達方式的局限性78-79
3.3.2 地理特徵79-82
3.3.3 時空場82-87
3.4 時態空間描述——時空鏈與時空圖87-102
3.4.1 引言87-90
3.4.2 實體時空變化類型90-94
3.4.3 特徵時空鏈94-98
3.4.4 特徵時空圖98-100
3.4.5 場元時空鏈與場元時空圖100-102
3.5 時態空間描述——事件與事件鏈102-106
3.5.1 研究基礎102-103
3.5.2 多元時態空間論中的事件103-105
3.5.3 事件鏈與多層次事件鏈模型105-106
3.6 無縫時空的多域集成時空數據模型（SMDI-STDM）106-119
3.6.1 主體三域與關聯域107-108
3.6.2 特徵域與場域的關聯——“特徵-場”建模框架的提出108-115
3.6.3 特徵域、場域與事件域的關聯——實現時空變化的三個層次115-117
3.6.4 實體時空變化與時空過程語義的形式化表達117-118
3.6.5 基於TSF概念框架的討論118-119
3.7 本章小結119-120
第四章 SMDI-STDM時空數據邏輯組織與存儲結構120-171
4.1 時空資料庫總體架構模式分析120-126
4.1.1 基礎時空資料庫建模需求重點和難點121
4.1.2 時空資料庫管理平台總體架構模式比較121-123
4.1.3 基於綜合擴展的多源無縫集成模式123-125
4.1.4 時空資料庫邏輯組織總體結構描述125-126
4.2 面向對象時空數據統一邏輯組織模型OOSTGUM設計126-138
4.2.1 OOSTGUM總體組織結構和特點126-127
4.2.2 時空對象組織——STGM_SpaitoTemporalObiect127-131
4.2.3 時空數據集組織——STGM_SpatioTemporalDataset131-135
4.2.4 時空變化組織——STGM_STChangeOrganizer135-136
4.2.5 時空實體關係與規則組織——STGM_2R136-138
4.3 對象-關係型時空數據邏輯擴展模型ORSTGEM設計138-155
4.3.1 ORSTGEM設計思想138-140
4.3.2 空間數據類型與空間基本操作的形式化定義140-145
4.3.3 時態數據類型與時態基本操作的形式化定義145-146
4.3.4 時空數據類型與時空基本操作的形式化定義146-152
4.3.5 時空關係與時空關係代數操作的形式化定義152-154
4.3.6 時空關聯的形式化定義154-155
4.4 多域時空對象的組織與存儲結構分析155-170
4.4.1 地理特徵的時空五域組織結構155-161
4.4.2 時空場的四維時空塊組織結構161-164
4.4.3 事件的組織結構164-166
4.4.4 三域關聯結構及特徵-場的數據組織166-170
4.5 本章小結170-171
第五章 SMDI-STDM無縫海量時空圖庫集邏輯組織與存儲結構171-200
5.1 引言171-172
5.2 時空圖庫集概念的提出與總體設計思想172-175
5.2.1 無縫一體化存儲，地圖庫概念存與亡172-173
5.2.2 時空圖庫集概念與總體結構描述173-175
5.3 OOSTGUM下的時空圖庫集UML結構175-176
5.4 邏輯分幅176-177
5.5 時空分區與時空聚簇177-195
5.5.1 研究背景177-178
5.5.2 基本設計思想178-180
5.5.3 時空分區180-188
5.5.4 時空聚簇188-194
5.5.5 時空目標編碼系統STCS194-195
5.6 時相子集195-199
5.6.1 時相域概念的提出195-196
5.6.2 時相子集及其結構特徵196-199
5.7 本章小結199-200
第六章 原型平台的設計、開發、測試與套用200-231
6.1 GeoST基本架構200-201
6.2 GeoST模組功能劃分201-203
6.3 GeoST開發策略203-207
6.3.1 開發環境203
6.3.2 時空擴展策略203-205
6.3.3 基於橋接模式的多源時空數據無縫集成技術205-207
6.4 GeoST多域集成表達原型207-216
6.4.1 時空特徵、時空場與事件的集成表達207-214
6.4.2 無縫海量時空圖庫集數據組織214-216
6.5 時空分區與時空聚簇效率測試216-226
6.5.1 測試環境216-217
6.5.2 實驗數據217-219
6.5.3 測試項目與結果分析219-226
6.6 GeoST套用實例226-230
6.7 本章小結230-231
第七章 結論與展望231-235
7.1 內容總結231-232
7.2 研究結論232-233
7.3 存在問題與進一步的工作233-235
致謝235-237
參考文獻237-251
圖索引251-256
表索引256-257
作者簡介257
