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行为驱动三维时空建模及分布式索引研究

陈祥葱  
【摘要】:作为沟通数字虚拟世界及现实世界的桥梁,GIS数据模型一直是地理信息科学研究的核心与基础。随着云计算、物联网、大数据等技术飞速发展,“智慧城市”要求在一个立体、动态的环境中进行信息管理、方案模拟与处置决策,解决所面临的气候变化、环境恶化、土地退化、海岸变迁、疾病传播等问题;同时,随着倾斜摄影测量、三维激光扫描、卫星遥感、导航定位等空间信息采集技术飞速发展,空间数据粒度越来越小、时间上的动态性越来越高、语义特征多元化特征日益明显,且呈现出动态联动的趋势,时间、空间和语义一体化建模成为新时期GIS发展的必然要求。数据模型是对现实世界的简化表达,时空建模的前提是时空认知。但现实世界是纷繁复杂的,人类对时空认知也是异构多元的,无论是地理本体认知、三维几何表达或是时空数据建模,现阶段均无法形成归一化、普适化的表达模式。同时,现阶段的各类数据模型均是从几何表达或时空过程某一方面进行建模,忽略了几何表达、时空模型以及数据索引等不同研究内容的系统性和相关性。基于上述背景,针对现阶段GIS时空数据模型的不足,本文以地理本体为方法指导,探讨了粒度化三维几何建模、行为驱动的时空建模方法,并讨论了基于对等网络的分布式索引构建,最后通过实际应用验证研究内容的可行性与正确性。本文主要研究内容如下:一、地理本体视角下的行为研究。结合地理本体研究进展,对比分析了现有地理本体的不足,在综合地理信息基本任务、时空客观规律和时空认知过程的基础上,提出了时空一体化的地理本体:O(28)(27)S_t,A_t,Action(t _i)(29)。从地理本体所具有的多重内涵出发,探讨了地理本体行为的定义、内涵及分类,阐明了地理本体与时空建模任务目标、实施路径的一致性,并阐述了以地理本体为方法论指导时空建模须解决的三个核心问题间的逻辑关系,为本文后续研究提供了统一的理论基础和方法论指导。二、基于语义粒度的三维建模。首先通过对三维建模所面临的约束条件和现有三维几何建模方法的研究,说明了单一考虑几何表达的建模粒度并不能满足应用需要,在综合考虑几何、语义与认知基础上,依托知觉空间提出了分级三维几何建模粒度,并探讨了不同层次三维几何建模方法。为解决粒度操作问题,拓展了整体和部分((is-part-of))的聚合语义,定义了粒度组合的五种操作(组合、附着、分割、包含、投影)模式,并引入图论构建了语义拓扑图和模式字符串,实现三维建模由单纯数学建模向模式建模的转变。三、行为驱动时空建模研究。针对时空数据建模中面临着时空多尺度、建模单元多样化和认知多元化等约束,以时空一体的地理本体为理论出发点,按照时间本体、时空行为以及时空模型的层次逐级讨论了行为驱动时空建模的方法,构建时间本体、时空行为模型和行为驱动的时空模型,并重点阐述了行为驱动时空模型在时空一体化表达、多时空过程、多维空间以及自我拓展等方面的优势。四、分布时空索引研究。为适应分布、并行的计算环境,本文基于Skip Index提出了对等网络(P2P)环境下的分布式时空索引,并通过时间线索引解决了时间范围检索、数据倾斜带来的性能问题,同时实现时间与空间高效检索。该索引实现方法简单、效率稳定,可满足时空对象自主发现或检索相关联的空间对象的需求,为构建具备自主响应能力的“活化”时空对象奠定基础。本文通过引入行为,创新性的提出时空一体地理本体,并以此为方法论指导,通过知觉空间和聚合语义实现粒度化三维建模高效表达,基于时空行为驱动构建了普适化、归一化的时空数据模型,并利用Skip Index的时间扩展实现了分布式时空检索。本文研究丰富了地理本体内涵,为面向多要素、多尺度复杂时空的时间、空间、语义一体化建模提供了可行的方法路径,有效满足“智慧城市”场景下的时空应用。


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