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時空數據模型原理與應用 版權信息
- ISBN：9787030720443
- 條形碼：9787030720443 ; 978-7-03-072044-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
時空數據模型原理與應用 內容簡介
本書以傳統時空數據模型為基礎，通過引入馬爾可夫鏈狀態轉移和時空粒度兩個概念描述地理時空對象的時空演變，依據信息論、人工智能和大數據分析等技術理論設計了一種基于馬爾可夫鏈的時空數據范式模型，進而圍繞時空數據模型在智能交通系統和地理空間數據綜合服務領域內的應用，揭示時空數據模型在時空大數據管理、處理、分析與應用等環節的理論價值和應用價值，從而滿足跨學科、跨專業的服務需求，推動信息技術科學的發展。 本書可作為高等院校遙感科學與技術、地理信息科學專業或其他相關專業本科生和研究生教材，也可供從事信息化建設、時空數據處理與分析、智慧城市建設等有關科研、企*單位的科技工作者閱讀參考。
時空數據模型原理與應用 目錄
目錄
前言
第1章緒論1
1.1時空數據1
1.1.1時空數據的概念1
1.1.2時空數據的應用需求2
1.2時空數據模型及其研究動態5
1.2.1時空數據模型的概念5
1.2.2時空數據模型的研究動態6
1.2.3時空數據模型的問題7
第2章時空數據模型的基本理論9
2.1地理空間及其語義表達9
2.1.1空間的概念9
2.1.2空間結構9
2.1.3空間關系10
2.2時間及其語義表達21
2.2.1時間概念21
2.2.2時間結構22
2.2.3時間維度23
2.2.4時間密度24
2.2.5時間元素單位25
2.2.6時間類型25
2.2.7時間粒度26
2.2.8時間的拓撲關系28
2.2.9事件和狀態30
2.2.10時態數據庫類型30
2.3時空及其語義表達32
2.3.1時空數據類型32
2.3.2時空對象及其標識32
2.3.3時空演變32
2.3.4時空查詢能力34
2.4時空數據模型35
2.4.1序列快照模型36
2.4.2離散格網單元列表模型37
2.4.3基態修正模型38
2.4.4時空立方體模型41
2.4.5時空復合模型43
2.4.6基于事件的模型44
2.4.7時空三域模型47
2.4.8面向對象的模型49
2.4.9**范式關系時空數據模型54
2.4.10非**范式關系時空數據模型54
2.4.11運動對象模型54
2.4.12時空數據模型的比較56
2.5小結60
第3章基于馬爾可夫鏈的時空數據模型61
3.1時空對象的抽象和描述61
3.1.1時空對象及其標識61
3.1.2時空對象的數據類型62
3.1.3時空對象邏輯結構63
3.2時空對象的時空變化特性65
3.2.1無后效性65
3.2.2短時平穩性66
3.2.3誤差特性66
3.3基于馬爾可夫鏈的時空數據模型的建立68
3.3.1時空數據模型的構建原理68
3.3.2時空數據模型的對象時空描述及數據存儲70
3.3.3時空數據模型的時空粒度選擇73
3.3.4時空數據模型的動態馬爾可夫編碼76
3.3.5時空數據模型的空間索引78
3.3.6時空數據模型的統計建模90
3.4小結100
第4章面向城市智能交通的時空
數據建模及應用方法101
4.1交通信息101
4.2交通基礎地理信息的抽象和表達102
4.2.1基礎地理信息數據對象要素103
4.2.2基于Web瀏覽服務的矢量地圖發布103
4.3動態交通信息的數據采集與管理104
4.3.1動態交通信息采集技術104
4.3.2運動對象的抽象與描述106
4.4基于浮動車的交通信息采集間隔優化112
4.4.1顧及實際道路網絡的浮動車自適應采樣算法113
4.4.2浮動車采樣間隔評價標準122
4.4.3仿真試驗與分析123
4.5浮動車時空數據與地理空間數據的匹配128
4.5.1在線地圖匹配技術 129
4.5.2離線地圖匹配技術140
4.6基于時空數據的城市交通信息分析150
4.6.1基于浮動車數據的交通擁擠度量標準150
4.6.2基于浮動車數據的交通擁擠判別依據151
4.6.3基于浮動車數據的交通擁擠判別算法152
4.6.4面向動態導航的浮動車交通擁擠判別算法153
4.7小結159
第5章地理時空數據綜合服務平臺技術161
5.1地理時空數據161
5.2地理時空數據綜合服務平臺架構162
5.2.1硬件結構162
5.2.2軟件結構164
5.3地理時空數據模型的建立165
5.3.1全球多級格網166
5.3.2基于多分辨率金字塔時空瓦片組織方式167
5.3.3基于時空記錄體系的時空數據組織方式175
5.3.4地理時空數據的時空信息探測177
5.4小結183
主要參考文獻184
前言
第1章緒論1
1.1時空數據1
1.1.1時空數據的概念1
1.1.2時空數據的應用需求2
1.2時空數據模型及其研究動態5
1.2.1時空數據模型的概念5
1.2.2時空數據模型的研究動態6
1.2.3時空數據模型的問題7
第2章時空數據模型的基本理論9
2.1地理空間及其語義表達9
2.1.1空間的概念9
2.1.2空間結構9
2.1.3空間關系10
2.2時間及其語義表達21
2.2.1時間概念21
2.2.2時間結構22
2.2.3時間維度23
2.2.4時間密度24
2.2.5時間元素單位25
2.2.6時間類型25
2.2.7時間粒度26
2.2.8時間的拓撲關系28
2.2.9事件和狀態30
2.2.10時態數據庫類型30
2.3時空及其語義表達32
2.3.1時空數據類型32
2.3.2時空對象及其標識32
2.3.3時空演變32
2.3.4時空查詢能力34
2.4時空數據模型35
2.4.1序列快照模型36
2.4.2離散格網單元列表模型37
2.4.3基態修正模型38
2.4.4時空立方體模型41
2.4.5時空復合模型43
2.4.6基于事件的模型44
2.4.7時空三域模型47
2.4.8面向對象的模型49
2.4.9**范式關系時空數據模型54
2.4.10非**范式關系時空數據模型54
2.4.11運動對象模型54
2.4.12時空數據模型的比較56
2.5小結60
第3章基于馬爾可夫鏈的時空數據模型61
3.1時空對象的抽象和描述61
3.1.1時空對象及其標識61
3.1.2時空對象的數據類型62
3.1.3時空對象邏輯結構63
3.2時空對象的時空變化特性65
3.2.1無后效性65
3.2.2短時平穩性66
3.2.3誤差特性66
3.3基于馬爾可夫鏈的時空數據模型的建立68
3.3.1時空數據模型的構建原理68
3.3.2時空數據模型的對象時空描述及數據存儲70
3.3.3時空數據模型的時空粒度選擇73
3.3.4時空數據模型的動態馬爾可夫編碼76
3.3.5時空數據模型的空間索引78
3.3.6時空數據模型的統計建模90
3.4小結100
第4章面向城市智能交通的時空
數據建模及應用方法101
4.1交通信息101
4.2交通基礎地理信息的抽象和表達102
4.2.1基礎地理信息數據對象要素103
4.2.2基于Web瀏覽服務的矢量地圖發布103
4.3動態交通信息的數據采集與管理104
4.3.1動態交通信息采集技術104
4.3.2運動對象的抽象與描述106
4.4基于浮動車的交通信息采集間隔優化112
4.4.1顧及實際道路網絡的浮動車自適應采樣算法113
4.4.2浮動車采樣間隔評價標準122
4.4.3仿真試驗與分析123
4.5浮動車時空數據與地理空間數據的匹配128
4.5.1在線地圖匹配技術 129
4.5.2離線地圖匹配技術140
4.6基于時空數據的城市交通信息分析150
4.6.1基于浮動車數據的交通擁擠度量標準150
4.6.2基于浮動車數據的交通擁擠判別依據151
4.6.3基于浮動車數據的交通擁擠判別算法152
4.6.4面向動態導航的浮動車交通擁擠判別算法153
4.7小結159
第5章地理時空數據綜合服務平臺技術161
5.1地理時空數據161
5.2地理時空數據綜合服務平臺架構162
5.2.1硬件結構162
5.2.2軟件結構164
5.3地理時空數據模型的建立165
5.3.1全球多級格網166
5.3.2基于多分辨率金字塔時空瓦片組織方式167
5.3.3基于時空記錄體系的時空數據組織方式175
5.3.4地理時空數據的時空信息探測177
5.4小結183
主要參考文獻184
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時空數據模型原理與應用 節選
第1章緒論 1.1時空數據 1.1.1時空數據的概念 隨著科學技術的快速發展，人類對自身生活環境的探索已經不僅僅局限于周圍的世界，而向空間外沿急劇擴展，遍及地球各個圈層、各個角落，并延伸到外太空。因此，表述人類活動的客觀世界和人類活動特征，成為科研機構和研究人員的重點工作。計算機技術的發展，使學者利用計算機模擬和表征客觀世界及人類活動成為可能。 伴隨著人們探索空間的過程，各種信息的獲取范圍也從局部地面、全球地表、地球各個圈層擴展到地球內外的整個空間，從原有二維平面空間基準(x，y)逐步演變到三維空間基準(x，y，z)，進而演變到反映地理空間對象時空分布的四維空間基準(x，y，z，t)。時空數據(spatio-temporal data，STD)是指具有時間元素并隨時間變化而變化的空間數據，是地球環境中地物要素信息的一種表達方式(RaMm et al.，2005)。這些時空數據涉及各式各樣的數據，如地球環境地物要素的數量、形狀、紋理、空間分布特征、內在聯系及規律等的數字、文本、圖形和圖像等，其不僅具有明顯的空間分布特征，而且具有數據量龐大、非線性以及動態變化等特征。 圖1-1簡易描述了時空數據的概念內涵，即時刻下地物對象乂在T2時刻發生了形狀變化而演變為地物對象B，隨后地物對象B在時刻又發生變化演變為地物對象C。地物要素變化依賴于環境和場景。狹義上講，時空數據就是該地物對象的變化歷程集合。由此可見，時空數據描述地理實體對象object空間和屬性狀態信息隨時間的變化信息，其數學模型f(std)可定義為(Rahim et al.，2005) 由時空數據概念內涵可見，時空數據主要由空間特征、時態特征和屬性特征組成，這也構成了時空數據的多維結構(姜曉軼，2006)，如圖1-2所示。 圖1-2時空數據的多維結構示意圖 1.1.2時空數據的應用需求 隨著數字通信技術、遙感技術和全球導航衛星系統等時空數據采集技術的發展，時空數據也在眾多應用領域得到了廣泛應用，下面簡單介紹幾種典型的應用需求。 1.地學分析 地理學是研究地理環境的結構、分布規律、發展變化以及人地關系的學科，其致力于地理現象的定位、定性與定量分析研究(姜曉軼，2006)。隨著各種遙感技術的發展，用以描述地理環境和現象的信息數據也在不斷積累，地理信息系統(geographic information system，GIS)為描述、組織和管理這些數據提供了新的思想和技術，同時地理學也成為地理信息系統的理論依托，促進著地理信息系統理論與技術的發展。由此可見，地理信息系統和地理學之間的關系密不可分。 1995年的國際地圖學協會提出了發展概念模型和相關工具來描述時空過程、加強動態地圖與時態GIS(temporal GIS，TGIS)之間的聯系以及地學信息的三維或多維動態表達的三個研究目標(王英杰等，2003)。反映地學各種現象的信息數據具有多維、多尺度、時變等特征，因此傳統GIS已經難以滿足地學對信息數據組織管理的新要求，進而催生了時態GIS。時態GIS是一種采集、存儲、管理、分析與顯示地學對象隨時間變化信息的計算機系統(王家耀等，2004)。時態GIS區別于傳統GIS的是能夠對地學對象的時間維進行表征，并可以通過動態處理分析提供歷史總結和趨勢預測的決策輔助功能。其中，作為組織管理地學數據的時空數據模型是時態GIS的核心基礎，如圖1-3所示(姜曉軼，2006)。總而言之，在模擬地學各種現象的過程中，時空數據模型是前提和基礎，時態GIS是手段和途徑，應用是目的和歸宿。 2.地籍管理 地籍管理是指國家為取得有關地籍資料和為全面研究土地的權屬、自然和經濟狀況而采取的以地籍調查(測量）、土地登記、土地統計和土地分等定級等為主要內容的措施。地籍管理的對象是作為自然資源和生產資料的土地，地籍管理的核心是土地的權屬問題。制定健全的地籍管理制度，不僅可以及時掌握土地形狀、數量、質量等屬性的動態變化規律，而且可以對土地利用及權屬變更進行監測，為土地管理的各項工作提供、保管、更新有關自然、經濟、法律方面的信息。地籍管理系統通常被認為是關注土地記錄地理信息系統的一個子集，其結構如圖1-4所示。 地籍信息數據是地籍管理系統主要管理的對象，主要包括地籍專題數據和基礎地理數據。其中，反映土地所有權、使用權及利用狀態等應用主題的面狀地塊對象變更*為頻繁，即地籍信息數據除具有空間和屬性特征之外，更具時變性，如采用多時相的遙感影像對非法建筑進行動態監測。因此，地籍管理系統是典型的通過增加時間維度存儲管理對象歷史信息的應用系統。地籍管理系統的技術核心就是構建合理科學的時空數據模型對土地時空數據進行組織管理，利用時空分析監測及總結土地的利用歷史變化，進一步預測土地利用趨勢，為政府部門和研究機構提供決策依據(張山山，2001;張祖勛和黃明智，1995)。 3.智能交通系統 交通的產生源于人類的出行和活動，是人類社會和經濟活動的“紐帶”與“動脈”，與社會和諧穩定、經濟繁榮發展以及人們物質生活的提高有著密切關系。不同出行工具的更新換代，提高了人們的出行效率并推動了社會的發展，更在潛移默化地改變社會結構。但汽車、火車、飛機等交通工具的迅猛發展，也帶來了日益惡化的交通擁塞、交通事故和環境污染等問題。因此，如何通過信息技術提高公共交通管理和規劃能力是人們亟待解決的主要問題。隨著計算機技術、遙感技術、通信技術、網絡技術等科學技術的高速發展，作為解決城市交通管理問題的智能交通系統的概念應運而生，也成為科學理論研究領域的熱點。 交通信息數據反映了交通出行者、管理者、交通工具、道路網絡等相關信息，智能交通系統就是圍繞這些交通信息數據為現代社會交通的設計、規劃、運營、維護等環節提供數據支持，從而進行交通信息的可視化分析和交通規劃的輔助決策(蔡先華，2005)。由于對交通現象高度抽象和提煉濃縮，交通信息數據種類繁多，主要包括基礎地理信息數據、交通管理信息數據、交通管理者信息數據、交通管理對象信息數據、動態交通數據等，其具有海量、多源、時變、異構等特點。由此可見，智能交通系統的核心和基礎是構建一個先進的、科學的以及可操作性強的時空數據模型，為智能交通系統提供數據組織管理手段。 4.國防軍事 隨著各國國防軍事信息化建設的快速發展，原有戰場模式與戰場空間都在急劇地發展和變化，尤其是作戰空間，已經從地球表面擴展到了地下、水下、空中等地球各個圈層，乃至太空空間。 陸戰場空間已經從過去的地表空間擴展到地表之下，如地下掩體、洞庫工事、城市人防工程等。各種地下建筑之間的分布、關聯十分復雜，如何描述地下三維空間的作戰行動、定位作戰目標等地下戰場環境仍屬研究空白，該問題也急需人們解決。空戰場和海戰場也已經向縱深方向快速發展，其中空戰環境從中、低空拓展到平流層；海戰環境中深海探測及深海對抗也日趨頻繁。同時，宇宙空間探測與空間對抗已經成為當前以及未來的重要軍事行動，太空戰場已經進入作戰環境領域。因為軍事活動已經從地球表面擴展到地月空間、太陽系乃至更遙遠的太空，所以需要我們準確定位和描述空間飛行器、空間武器和空間碎片的軌道及位置，精確描述月球、火星、其他星球及各星球間的時空數據。隨著深空、大氣、海洋、地下探測技術的不斷深入，人們已經可以獲得宇宙空間、地球大氣圈不同高度、海洋圈不同深度、地表不同深度的各個截斷面及各種性質的海量時空數據。 在海陸空(包含深空)作戰環境中需要準確地描述作戰實體位置、統一組織管理海陸空一體化戰場海量時空數據，實現對圈層內各層面數據的統一組織管理，戰場對象、戰場過程、態勢要素及其相互關系的準確描述，為軍事國防提供堅實的技術基礎和支撐。 總之，凡是應用集空間、時間和屬性三元特性時空數據的領域和部門都需要對時空數據進行統一管理、動態處理、精確分析、快速查詢和預測推演，此過程中涉及的時空數據技術研究主要有時空本體(Studer et al.，1998)、時空查詢語言、時空數據模型、時空數據存儲結構、時空數據索引技術、時空數據查詢以及時空數據挖掘等。其中，時空數據模型是時空數據技術研究的核心內容，其是時空數據查詢、處理、分析等應用環節的基礎。 1.2時空數據模型及其研究動態 1.2.1時空數據模型的概念 根據時空數據的特性可以將其抽象為“是什么”“什么地方”和“什么時候”三個基本要素，要素之間是相輔相成、不可分割的(Allen，1983)，如圖1-5所示。“是什么”表示時空對象的屬性，如對象屬于什么類型的東西，即屬性特性；“什么地方”表示對象的空間位置，即空間特性；“什么時候”表示對象存在或發生的時間位置，即時間特性。因此，人們迫切需要一種技術對這些時空數據進行統一管理、動態處理、精確分析和快速查詢，即建立合理的空間、時間和屬性聯合的數據模型一時空數據模型。 傳統的空間數據模型是基于空間信息中空間和屬性兩個維度的，將實際動態變化的世界視為靜態世界，因此其大多不支持對時間維度的處理和分析功能，而只是將描述地理環境對象的數據看作一個瞬時快照。當這些信息數據發生改變時，傳統的空間數據模型就將已有信息數據替換為當前*新的信息數據，此時已有數據也被刪除，因此無法對空間地理等現象的歷史狀態進行處理分析，更不能根據歷史信息對未來事件發展趨勢進行預測。隨著環境監測、地籍管理、遙感動態監測、近景攝影變形監測等應用領域對空間數據時變性的重視，傳統的空間數據模型已經遠遠不能滿足人們對時空數據的應用需求。因此，時空數據模型應綜合、完整、準確地表征時空數據的空間特性、時間特性和屬性特性，這樣才能真正實現對時空數據的集成化、一體化和智能化組織管理。 1.2.2時空數據模型的研宄動態 自湯姆林森在1963年首次提出地理信息系統(GIS)之后，GIS的研究便得到了各國政府、研究機構和學者的普遍關注，其中空間數據模型是GIS軟件組織管理空間數據的方法和理論基礎。但隨著遙感監測、近景攝影變形監測、地籍管理、災害應急、交通管理、軍事國防等應用領域對空間實體的時間尺度和時態關系的注重以及實體空間、時間和屬性一體化管理的需求，傳統的GIS已經無法有效地表達地理實體的動態特性，因此時態GIS或多維GIS步入歷史舞臺，作為理論核心的時空數據模型也成為廣大機構和學者的研究重點。 20世紀70年代初，受數據庫技術和大容量存儲設備的限制，時空數據模型僅停留在對時間語義的描述和表征。到了80年代中期，眾多學者開展了時間語義和數據庫技術的集成和融合，時態數據庫及其查詢語言方面的研究成為該時期的重點，如Ben-Zvi提出的非**范式的時態數據庫①、Clifford和Warren(1983)提出的歷史關系數據庫、Ginsburg(1983)提出的對象歷史模型、Snodgrass(1987)提出的時間維度(事務時間、有效時間)和時態查詢語言TQuel，Armstrong基于柵格和矢量數據兩種時空數據庫組織模型等。進入90年代，隨著Langran(1992)《地理信息系統中的時間》的出版，時態GIS也正式成為地理信息學科中重要的一員。該階段時態GIS的研究重點為時空的語義、拓撲關系、查詢語言、演變推演及時空數據模型等基本理論，同時側重點不同的時空數據模型也相繼出現。其中，Langran提出的時空立方體模型、序列快照模型、基態修正模型和時空復合模型*具代表性。隨后以Langran、Peuquet、Yuan、Pelekis、Worboys等為代表的國外學者以及以陳軍、黃明智、龔健雅、舒紅、張祖勛、黃杏元等為代表的國內學者陸續推出了側重點不同的時空數據模型，但這些時空數據模型均在不同程度上參考了如上四個時空數據模型的思想。進入21世紀，時空數據模型更趨于從概念模型和原型系統向面向實際應用轉變，其中隨著面向對象技術的成
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