面向BDS時(shí)空數(shù)據(jù)的多粒度時(shí)空模型構(gòu)建研究

鄧超,王磊,章秉川,賈寶

(1.中國(guó)人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué),河南 鄭州 450001; 2.武警浙江省總隊(duì),浙江 杭州 310016; 3.河南省測(cè)繪工程院,河南 鄭州 450003)

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是我國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)．隨著國(guó)家綜合實(shí)力的提升和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求,基于BDS的位置服務(wù)不斷應(yīng)用到國(guó)防建設(shè)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)中．目前BDS進(jìn)入全球服務(wù)的新時(shí)代,可為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)及短報(bào)文通信服務(wù),受到越來越多國(guó)家的青睞．隨著BDS服務(wù)能力的不斷提升,接收與發(fā)送BDS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的終端大幅增長(zhǎng),同時(shí)產(chǎn)生海量具有時(shí)間-空間信息的BDS時(shí)空數(shù)據(jù)．傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)模型對(duì)空間實(shí)體表達(dá)局限于單一粒度的幾何特征,不能滿足BDS時(shí)空數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)空分析的需求．BDS時(shí)空數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析已經(jīng)成為制約BDS服務(wù)能力發(fā)展的關(guān)鍵問題．因此,基于BDS時(shí)空數(shù)據(jù)的多粒度表達(dá)方法成為當(dāng)前地理信息系統(tǒng)(GIS)研究的熱點(diǎn)．

國(guó)外學(xué)者Anderson[1]最早提出用時(shí)間來進(jìn)行多粒度建模的思想．Dettori等[2]通過抽象格子復(fù)合體上連續(xù)函數(shù)的理論研究,提出空間粒度的形式化模型,以用來展示地圖要素的多分辨率特性,并對(duì)制圖中可能發(fā)生的幾何實(shí)體的變化類型進(jìn)行分類．Katri等[3]通過改進(jìn)注記擴(kuò)展統(tǒng)一語義模型,建立對(duì)時(shí)間粒度與空間粒度語義進(jìn)行捕捉的ST-USM模型．Camossi等[4-5]對(duì)ODMG面向?qū)ο竽Ｐ椭械臅r(shí)間與空間多粒度進(jìn)行擴(kuò)展,提出基于多粒度的時(shí)空數(shù)據(jù)符號(hào)表示模型．Cuadra等[6-8]在元數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上建立了支持時(shí)間多粒度和空間多粒度的符合Open-GIS簡(jiǎn)單要素規(guī)范的對(duì)象-關(guān)系模型．國(guó)內(nèi)學(xué)者王東生等[9]提出了一種新的粒度理論,用于多粒度時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)．李陽(yáng)東等[10]探討一種支持粒度擴(kuò)展的多粒度的時(shí)空數(shù)據(jù)模型．王珂等[11-12]對(duì)多粒度時(shí)空數(shù)據(jù)的組織與建模進(jìn)行探討,構(gòu)建了多粒度時(shí)空數(shù)據(jù)組織與建模的一種方法．研究現(xiàn)狀表明,目前多粒度研究只對(duì)時(shí)間多粒度和空間多粒度進(jìn)行形式化定義的概念建模,并沒有深入地進(jìn)行多粒度時(shí)空數(shù)據(jù)邏輯模型的研究[13-16]．針對(duì)BDS時(shí)空數(shù)據(jù)的時(shí)空需求和多粒度應(yīng)用需求,本文以BDS時(shí)空數(shù)據(jù)為研究對(duì)象,將時(shí)空粒度理論與基于面向?qū)ο?、基態(tài)修正的時(shí)空建模技術(shù)相結(jié)合,提出一種面向BDS的多粒度時(shí)空數(shù)據(jù)模型構(gòu)建方法,運(yùn)用實(shí)驗(yàn)證明該模型構(gòu)建方法可有效實(shí)現(xiàn)BDS時(shí)空數(shù)據(jù)的組織與管理,滿足BDS時(shí)空數(shù)據(jù)使用中海量數(shù)據(jù)的組織與存儲(chǔ)．

1 BDS時(shí)空數(shù)據(jù)

BDS時(shí)空數(shù)據(jù)是在BDS時(shí)空基準(zhǔn)下,具有時(shí)間-空間以及屬性的地理時(shí)空數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,數(shù)據(jù)展示形式豐富．BDS自運(yùn)行以來,BDS產(chǎn)業(yè)化不斷推進(jìn),數(shù)據(jù)規(guī)模不斷擴(kuò)大,BDS時(shí)空數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出海量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)[17],包括結(jié)構(gòu)化信息、半結(jié)構(gòu)化信息和非結(jié)構(gòu)化信息．此外還具有位置、時(shí)間、屬性、多尺度、多源異構(gòu)、多維度的特征[18],如圖1所示．

圖1 BDS時(shí)空數(shù)據(jù)特征圖

2 BDS多粒度時(shí)空數(shù)據(jù)模型表達(dá)

2.1 時(shí)空?；枷?/h3>

粒度是指對(duì)世界認(rèn)知的最小分辨單元,是時(shí)空數(shù)據(jù)的固有分割單元．時(shí)空?；枷氚臻g粒度、時(shí)間粒度和時(shí)空粒度．空間粒度表示BDS時(shí)空對(duì)象在空間上的變化,時(shí)間粒度表示BDS時(shí)空對(duì)象在時(shí)間軸上的變化,時(shí)空粒度綜合考慮空間粒度和時(shí)間粒度對(duì)BDS時(shí)空對(duì)象進(jìn)行時(shí)空表達(dá)．

2.1.1 空間粒度

空間粒度是表達(dá)地理現(xiàn)象的最小空間維度,表示地理信息數(shù)據(jù)在空間變化上的詳細(xì)程度．空間粒度越小,地理現(xiàn)象刻畫越清晰,表達(dá)地理層次越準(zhǔn)確．反之空間粒度越大,地理現(xiàn)象刻畫越粗略,表達(dá)地理層次越模糊．

假設(shè)S是我們要研究的與地理信息空間有關(guān)的信息集合,這些屬性信息包括BDS時(shí)空對(duì)象的停留次數(shù)、軌跡數(shù)量、短報(bào)文發(fā)報(bào)次數(shù)、活躍度、時(shí)間等變化信息．函數(shù)S(r,t)是時(shí)刻t內(nèi)在區(qū)域r中的屬性集合．若S是需要研究的空間區(qū)域,在空間區(qū)域S中存在m個(gè)互不相交的空間子區(qū)域:

SG(i)?S(1≤i≤m)且SG(i1)∩SG(i2)=

∮(1≤i1,i2≤m)．

給定的時(shí)刻t,若有r?SG(i)(1≤i≤m),則會(huì)有S(r,t)?I(SG(i),t)(表示在空間區(qū)域SG(i)中,S是唯一不變的),SG(i)稱為一個(gè)空間粒,如果在空間區(qū)域S中,所有的SG(i)都是空間粒,那么這些空間粒就組成了一個(gè)空間粒度．

2.1.2 時(shí)間粒度

時(shí)間粒度是時(shí)間維度上最小單位,在時(shí)間軸線上表示一段時(shí)間區(qū)間．時(shí)間粒度越小,時(shí)間分割越細(xì),表達(dá)世界變化越精細(xì),數(shù)據(jù)量越大;反之，時(shí)間粒度越大，時(shí)間分割越粗糙,表達(dá)世界變化就越粗略,數(shù)據(jù)量越小．

設(shè)時(shí)間域是T=[t0,tn],在時(shí)間域中,空間區(qū)域r在任一時(shí)刻T都是空間粒．假設(shè)在時(shí)間域T中有n個(gè)互不相交的時(shí)間區(qū)間,

2.1.3 時(shí)空粒度

時(shí)空粒度同時(shí)考慮空間粒度和時(shí)間粒度．SG是空間域S中空間粒度,TG是時(shí)間域T中的時(shí)間粒度,時(shí)空粒度在滿足空間粒度和時(shí)間粒度基礎(chǔ)上,可以表示為STG=SG?ST．

2.2 BDS多粒度時(shí)空對(duì)象的表達(dá)

BDS多粒度時(shí)空數(shù)據(jù)的表達(dá)在不同的粒度上有多種表達(dá)方式．空間幾何層次上,空間粒度表示BDS時(shí)空對(duì)象的空間位置信息,包括BDS終端用戶的空間坐標(biāo)、所屬區(qū)域．時(shí)間粒度表示BDS時(shí)空對(duì)象的時(shí)間信息,包括BDS用戶終端接收BDS衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)間、發(fā)送短報(bào)文的時(shí)間．語義屬性方面的表達(dá)包括BDS終端用戶的停留次數(shù)、軌跡數(shù)量、短報(bào)文發(fā)報(bào)次數(shù)、活躍度時(shí)間以及短報(bào)文內(nèi)容信息[20]．因此,考慮時(shí)間粒度和空間粒度以及屬性的變化關(guān)系,BDS多粒度時(shí)空對(duì)象可以表示為

T(Ts,Te,Td),Opera).

(1)

S(t)表示在一定空間坐標(biāo)系下BDS時(shí)空對(duì)象隨時(shí)間變化而變化的空間特性集合,

S(t)={(q1,t1),(q2,t2),…，(qn,tn)},

(2)

其中，qi={q1,q2,…,qn,}表示BDS時(shí)空對(duì)象的空間數(shù)據(jù)類型的集合,

qk={(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),…,

(3)

表示BDS時(shí)空對(duì)象的空間屬性坐標(biāo)信息序列；

(4)

3 BDS多粒度時(shí)空數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

3.1 BDS時(shí)空對(duì)象的多粒度選擇

多粒度時(shí)空數(shù)據(jù)模型對(duì)BDS時(shí)空對(duì)象分析時(shí),需要設(shè)定不同的時(shí)間來定量分析BDS時(shí)空對(duì)象在時(shí)間-空間上的變化．時(shí)間粒度的選擇根據(jù)事件變化的頻率、時(shí)間的精度確定,不同的多粒度選擇影響著分析結(jié)果．BDS時(shí)空數(shù)據(jù)使用的時(shí)間系統(tǒng)是BDS時(shí)間系統(tǒng)(BDT),需要借助時(shí)間轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換為大眾能夠認(rèn)知的時(shí)間格式,BDS時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)間刻畫主要為整年、整周、年內(nèi)分鐘、周內(nèi)秒,經(jīng)過時(shí)間粒度轉(zhuǎn)化為年、月、日、時(shí)、分、秒的世界時(shí),最終轉(zhuǎn)換為我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間．BDS多粒度時(shí)空對(duì)象的時(shí)間粒度轉(zhuǎn)換關(guān)系,如圖2所示．

BDS時(shí)空對(duì)象在三維空間坐標(biāo)系中的位置不均勻分布,空間粒度的選擇采用基于四叉樹索引的空間粒度思想[22-23],四叉樹索引的設(shè)計(jì)理念是將地理空間遞歸分割為不同層次的樹狀結(jié)構(gòu),首先將現(xiàn)有的地理空間范圍等分為四個(gè)相同的子空間,再對(duì)子空間進(jìn)行分割,直至樹的層次有著一定的深度或是滿足特定的需求后停止分割,并且具有很好的空間數(shù)據(jù)插入與較高的查詢效率．

首先將BDS時(shí)空對(duì)象的地理空間范圍等分為四個(gè)相同的子空間,按照需求決定是否再對(duì)子空間進(jìn)行分割,直至分割滿足特定空間分析的需求后停止分割．如圖3所示是基于四叉樹的空間粒度選擇圖,BDS時(shí)空對(duì)象根據(jù)空間分析的需求首先劃分四個(gè)相等的區(qū)域,子區(qū)域1根據(jù)需要逐層劃分2層空間分析區(qū)域,子區(qū)域2根據(jù)各自的需求劃分1層空間分析區(qū)域．經(jīng)過空間粒度的選擇可以有效提高BDS時(shí)空對(duì)象空間分析與查詢的效率,并且有效降低BDS時(shí)空數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量．

圖3 空間粒度選擇圖

3.2 BDS多粒度時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型

BDS時(shí)空對(duì)象主要由本身帶有的空間經(jīng)緯度、時(shí)間信息、屬性信息以及BDS時(shí)空對(duì)象的需求和環(huán)境組成．既能夠表達(dá)BDS時(shí)空對(duì)象的靜態(tài)屬性信息,又表達(dá)BDS時(shí)空對(duì)象的時(shí)間-空間上的動(dòng)態(tài)信息．BDS時(shí)空對(duì)象的屬性中上級(jí)管理單位、環(huán)境、需求等在一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生大的變化,可以作為BDS時(shí)空對(duì)象的靜態(tài)信息．BDS時(shí)空對(duì)象的速度、航向、空間位置、屬性中的停留次數(shù)、軌跡數(shù)量、短報(bào)文發(fā)報(bào)次數(shù)、活躍度時(shí)間信息會(huì)隨時(shí)動(dòng)態(tài)變化,作為BDS時(shí)空對(duì)象的時(shí)間和空間上的動(dòng)態(tài)信息．由此構(gòu)建BDS多粒度時(shí)空數(shù)據(jù)模型概念模型,為下文的BDS多粒度時(shí)空數(shù)據(jù)模型提供概念構(gòu)建基礎(chǔ)．BDS多粒度時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型如圖4所示．

圖4 概念模型圖

3.3 BDS時(shí)空對(duì)象多粒度表達(dá)

時(shí)間、空間、屬性是BDS時(shí)空數(shù)據(jù)的三個(gè)主要特征,而本文主要在時(shí)間-空間上研究BDS時(shí)空對(duì)象的時(shí)空變化,時(shí)空變化的表征是借助BDS時(shí)空對(duì)象屬性信息的變化．因此,本文在時(shí)空立方體模型的基礎(chǔ)之上[21],引入時(shí)空粒化思想,同時(shí)參考面向?qū)ο蠛突鶓B(tài)修正模型的思想,據(jù)此設(shè)計(jì)BDS時(shí)空對(duì)象多粒度表達(dá)方法,如圖5所示．

圖5 BDS多粒度時(shí)空數(shù)據(jù)模型圖

BDS時(shí)空對(duì)象由三維空間坐標(biāo)下的時(shí)間維度、空間維度和對(duì)象維度組成．在模型中,時(shí)間、空間和對(duì)象需要經(jīng)過量化．時(shí)間量化為時(shí)間粒度,表示BDS時(shí)空對(duì)象每隔一段時(shí)間獲取的BDS定位數(shù)據(jù),表示BDS時(shí)空對(duì)象隨時(shí)間變化的特征;空間量化為空間粒度,表示BDS時(shí)空對(duì)象空間位置的變化,使用BDS多粒度時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究BDS時(shí)空對(duì)象的軌跡數(shù)量、停留次數(shù)、短報(bào)文發(fā)報(bào)次數(shù)、活躍度時(shí)間等屬性信息隨時(shí)間-空間的變化關(guān)系．

采用BDS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)BDS多粒度時(shí)空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．將經(jīng)緯度信息、時(shí)間信息、短報(bào)文信息以及其他屬性信息分別封裝為BDS時(shí)空對(duì)象的空間特征、時(shí)間特征和屬性特征．使用BDS多粒度時(shí)空數(shù)據(jù)模型構(gòu)建方法進(jìn)行數(shù)據(jù)建模,借助地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行BDS時(shí)空數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ),根據(jù)存儲(chǔ)在地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)中的BDS時(shí)空數(shù)據(jù),使用編程語言和位置糾偏算法,解決BDS時(shí)空對(duì)象的位置偏移的問題,在實(shí)驗(yàn)界面上展示BDS時(shí)空對(duì)象的位置,如圖6所示．實(shí)驗(yàn)證明該模型可以實(shí)現(xiàn)BDS時(shí)空數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)．

圖6 BDS時(shí)空對(duì)象定位可視化圖

4 結(jié)束語

本文從解決BDS時(shí)空數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)的角度出發(fā),分析了BDS時(shí)空數(shù)據(jù)的特點(diǎn),結(jié)合時(shí)空?；枷?描述了BDS時(shí)空對(duì)象的表達(dá)與多粒度選擇,提出一種面向BDS的多粒度時(shí)空數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建方法,通過實(shí)驗(yàn)證明該模型可以有效進(jìn)行BDS時(shí)空數(shù)據(jù)的組織與存儲(chǔ),滿足BDS時(shí)空數(shù)據(jù)多粒度空間管理、分析和可視化,便于漁政、海事、交通等部門進(jìn)行BDS時(shí)空對(duì)象可視化管理,為未來的漁政、海事監(jiān)管提供保障．