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地球信息科学学报 >

2021 , Vol. 23 >Issue 1: 76 - 83

DOI: https://doi.org/10.12082/dqxxkx.2021.200417

专栏："全空间信息建模分析方法与应用研究"

基于时空域的全空间数字世界时空对象组织与管理研究

  • 华一新 ,
  • 张江水 , * ,
  • 曹一冰
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  • 中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 地理空间信息学院,郑州 450052
* 张江水（1979— ）,男,河南平顶山人,博士,副教授,主要从事地理信息系统平台及其应用技术研究。E-mail:

华一新（1963— ）,男,江苏句容人,博士,教授,主要从事地理信息系统平台及其应用技术研究。E-mail:

收稿日期: 2020-07-30

  修回日期: 2020-09-26

  网络出版日期: 2021-03-25

基金资助

国家重点研发计划项目(2016YFB0502300)

版权

版权所有，未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
收起

Research on Organization and Management of Spatio-temporal Objects in Pan-spatial Digital World based on Spatio-temporal Domain

  • HUA Yixin ,
  • ZHANG Jiangshui , * ,
  • CAO Yibing
Expand
  • Institute of Geographic Space Information, People's Liberation Army of China Strategic Support Force Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China
* ZHANG Jiangshui, E-mail:

Received date: 2020-07-30

  Revised date: 2020-09-26

  Online published: 2021-03-25

Supported by

National Key R&D Project of China(2016YFB0502300)

Copyright

Copyright reserved © 2010.
Fold

摘要

全空间数字世界是在计算机系统中由描述现实/虚拟世界各种实体与要素的时空对象数据所构成的综合数据体,是一种对从宏观到微观的现实/虚拟世界的对象化数据描述。传统GIS对地理空间数据的分块与分层管理方法,无法满足全空间数字世界中复杂、动态、关联的时空对象组织与管理的需要,因此,本文研究提出了一种基于时空域的全空间时空对象组织与管理方法。在分析了全空间数字世界的概念、内容和特点的基础上,提出了时空域的基本概念,明确了时空域的数据组织方式和本质特性;建立了面向时空域的子时空域、时空对象类、对象关系类和时空域时空对象生命周期序列的时空对象数据组织体系和管理方法,并进行了时空域数据的存储与管理实验,验证了基于时空域的全空间时空对象组织与管理方式在管理全空间数字世界中的实用性和可行性,为后续示范应用场景中时空对象的生成与处理、检查与校验、可视化与输出提供底层支撑。

关键词： 全空间数字世界; 时空域; 子时空域; 时空实体; 时空对象; 时空对象类; 对象建模; 关系类

本文引用格式

华一新 , 张江水 , 曹一冰 . 基于时空域的全空间数字世界时空对象组织与管理研究[J]. 地球信息科学学报, 2021 , 23(1) : 76 -83 . DOI: 10.12082/dqxxkx.2021.200417

Abstract

The pan-spatial digital world is a comprehensive data body composed of spatiotemporal objects describing various entities and elements in the real/virtual world in the computer system. It is an object-oriented description of the real/virtual world from macro to micro dimensions. Since the traditional management method using blocks and layers in GIS is not suitable for managing the complex and dynamic spatio-temporal objects in the pan-spatial digital world, an organization and management method of pan-spatial spatio-temporal objects based on spatio-temporal domain is proposed in this study. Based on analyzing the concept, composition, and characteristics of pan-spatial digital world, the concept of spatio-temporal domain is put forward. This study defines the data organization mode and essential characteristics in the spatio-temporal domain, and establishes a data organization system and management method including sub spatiotemporal domain, spatio-temporal object class, object relation class, and life cycle sequence of spatio-temporal objects in the spatio-temporal domain. The storage and management experiments of spatio-temporal data are carried out, which proves the practicability and feasibility of the organization and management of spatio-temporal objects based on spatio-temporal domain. This study provides an underlying support for the generation and processing, inspection and verification, visualization and output of spatio-temporal objects for future application scenarios.

Key words： pan-spatial digital world; spatio-temporal domain; sub-spatio-temporal domain; spatio-temporal entity; spatio-temporal object; spatio-temporal object class; object modeling; relationship class

1 引言

随着信息化社会的不断发展,传统GIS所构建的地理信息世界已经无法满足人们对现实世界认知的需求。周成虎[1]提出了全空间信息系统的概念,将空间信息系统的范畴从传统测绘空间扩展到了宇宙空间、室内空间、微观空间等可量测空间,从空间思维的角度提出了构建无所不在的 GIS 世界的构想。华一新等[2,3]进一步提出了多粒度时空实体和时空对象的基本概念,明确了基于多粒度时空对象构建全空间信息系统（PSIS）的技术路线及其关键问题。
早在20世纪就有学者提出了基于对象的时空数据模型[4],提出了矢量栅格一体化的对象数据模型,并将其扩充到了时间维。随着基础测绘从模拟测绘阶段发展到新型基础测绘阶段[5],制定了地理实体数据规范国家标准,提出了建立“实体中国”的目标,实体化已经成为当前测绘科学研究和发展的主要趋势。同时国内外也出现了更多关于本体,时空对象模型及其应用等方面的研究[6,7,8,9],通过时空对象来描述和构建数字世界已经成为技术发展的趋势。华一新等[3]提出了一种多粒度时空对象数据模型,并系统地阐述了其描述框架,提出了基于时空对象构建全空间数字世界的目标。
传统GIS通常采用分块与分层的方式进行空间数据的组织和管理[10],即按照数据所在的空间区域,将其划分为不同的图幅或者工作区;在同一图幅或工作区内,按照数据的专题属性,将其再划分为不同的图层。这种管理方式的主要缺点是容易在不同图层和图幅之间产生实体描述的割裂。全空间数字世界管理的基本要素是时空对象,时空对象具有在时间、空间和属性上的动态变化以及对象之间的泛在关联等特征。这就使得采用传统分层分幅的管理模式管理时空对象时,需要进行大量的跨图幅和跨图层处理,难以满足全空间数字世界对时空对象管理的需要。因此本文提出了时空域的概念,研究实践了基于时空域来构建全空间数字世界和进行华一新等[3]所提出的时空对象模型的组织与管理的技术方法。

2 全空间数字世界的概念与特点

2.1 全空间数字世界的概念

人类所认知的现实世界与真实的现实世界是有差别的,与人类对现实世界认知水平相关。根据人类理解和认识现实世界的普遍方式,可以认为现实世界是由不同类型、不同粒度、不同形态、相互关联、动态变化的实体组成的。作为组成现实世界的基本单元,时间和空间是实体的基本特征,因此称为时空实体。
为了在计算机中存储、管理和使用时空实体,需要对时空实体进行数字化描述,即将现实中的时空实体描述为计算机中的时空对象。在计算机中由时空对象构成的世界就是一种数字世界。全空间数字世界中的时空对象采用多粒度时空对象数据模型[3],通过多粒度时空对象建模[11]的方法,从时空参照、空间位置、空间形态、属性特征、关联关系、组成结构、行为能力和认知能力8个方面[12,13,14,15]进行描述。如图1所示,全空间数字世界就是在计算机系统中由描述现实世界各种实体的时空对象所构成的综合数据体,是一种对从宏观到微观的现实世界的对象化数据描述。另外,通过将非现实世界的虚拟实体描述为时空对象,全空间数字世界也能描述思维空间、网络空间、想象空间等虚拟世界。
图1 全空间数字世界的抽象过程

Fig. 1 The abstract process of the pan-spatial digital world

由于多粒度时空对象模型封装了时空参照、空间形态和空间位置的描述,因此每个多粒度时空对象既可以以自身为参照独立存在,也可以通过建立与其它对象的参照,统一进行对现实世界的描述。虽然受认知水平、观测手段、信息技术等的限制,目前还无法建立一个与现实世界完全对应的数字世界,但是理论上可以通过不断的引入各种粒度的时空对象,对全空间数字世界进行无限扩展。全空间数字世界中的“全空间”就是指这种能够不断扩展的泛在空间。

2.2 全空间数字世界的特点

时空对象是构成全空间数字世界的基本要素,通过建立时空对象八个特征的描述体系,使得全空间数字世界具有如下3个方面的特点：
（1）在记录内容方面
首先在时间上能够描述现实世界的过去、现在和未来。时空对象本身就记录了其历史信息;通过接入实时数据源,可以实现与当前世界的同步;通过对象认知与行为的预测,可以形成对象未来的信息。其次在空间上能够描述从宏观到微观的现实世界。在全空间数字世界中,通过增加不同粒度的宏观和微观对象,可以使其描述的空间向宏观和微观扩展。最后在信息完备性上,能够更加全面的描述现实世界。全空间数字世界记录了时空实体的时空参照、空间位置、空间形态、属性特征、组成结构、关联关系、行为能力和认知能力,即描述了实体自身的时空和属性特征,又描述了实体之间的关系,同时还记录了实体的动态变化规律。
（2）在与现实世界的关系方面
全空间数字世界既能够实现与现实世界的交互,也能够独立于现实世界进行演化。这种交互包括通过接入现实世界中的实时观测信息完成时空对象状态的实时更新,以及通过对象向其描述的实体发送指令,进行对实体的控制。全空间数字世界的独立演化体现在它既能够通过对象的行为能力和认知能力,实现按照自身规律的演化,也能通过感知其它对象的状态,完成自身状态的调整。
（3）在描述扩展方面
全空间数字世界除了能够描述现实世界外,还能够描述思维空间、网络空间、想象空间等虚拟世界。通过构建相应空间中虚拟实体的抽象的时空参照体系,将其中的虚拟实体抽象为时空对象,全空间数字世界可以像描述现实世界一样描述虚拟世界。

2.3 全空间数字世界对时空对象组织的要求

时空对象是全空间数字世界构成的基本要素,是全空间数字世界特色的主要体现。为实现全空间数字世界的组织与管理,从对全空间数字世界构建、管理和认知的角度对时空对象的组织提出以下要求：
（1）便于全空间数字世界的构建。全空间数字世界是无限复杂的,按照人们对现实世界的认识规律,需要逐次的对一定时空范围或者一定主题内容的现实世界进行时空对象集合的构建,并将它们合并成一个最终的全空间数字世界。
（2）便于全空间数字世界的管理。首先,面对全空间数字世界中巨量、多尺度的时空对象,需要根据其时空分布规律,按照时空范围和专题划分为不同的对象集合,从而实现按照时空范围和专题对时空对象进行快速检索和高效管理。其次,在全空间数字世界管理过程中,需要进行大量对象集合的生成、增加、修改、导入、导出等操作,这些操作往往集中在一定的主题和时空范围内,对时空对象的组织要便于按照主题和时空范围对对象集合进行操作。
（3）便于对全空间数字世界的认知。人类对世界的认知具有明显的层次性,首先需要对认知区域建立全局的概念,然后才逐次渐进到实体个体及其细节。因此,在进行全空间数字世界时空对象组织时,同样需要按照时空范围逐次构建从整体到局部的时空对象逻辑视图,满足用户认识全空间数字世界的需要。

3 基于时空域的全空间数字世界管理

3.1 时空域的定义

为了满足全空间数字世界对象组织与管理的需要,本文提出了时空域的概念。时空域是全空间数字世界中在一定的时间和空间范围内的某些时空对象组成的数据集合,即通过约束时空范围和主题内容形成的时空对象集合,记为SD（Spatio-temporal Domain）,形式化描述如下：
SD = T , TR , V , SR , E
式中： T = [ t 1 , t 2 ] ,表示以时间参照 TR 描述的从t1时刻到t2时刻的区间; V 是以空间参照 SR 描述的空间区域; E 为在该区域内的对象集合。通常为了便于对象管理,将 V 划定为规则形状的三维包络;但有时为了应用需要,也可将 V 划定为不规则三维包络。主题约束不是强制性约束,通常由时空域内时空对象类的集合来体现。
时空域可以是一个确定的时空范围内时空对象的集合,也可以是多个时空范围内时空对象的集合的并集。因此,时空域可以更一般的形式化描述为如下3种形式：
SD = T , TR , ∑ V i , SR , E
SD = ∑ T i , TR , V , SR , E
SD = ∑ T i , TR , ∑ V i , SR , ∑ E i
式（2）表示多个空间区域对应一个时间区间的时空域,式（3）表示多个时间区间对应同一空间区域的时空域,式（4）则表示多个子时空域合并而成的时空域。

3.2 时空域的特点

时空域是按照时空范围划分的对象集合,是全空间数字世界时空对象的组织单元。通过时空域能够基本满足全空间数字世界对时空对象组织与管理的要求。时空域具有如下特点：
（1）时空域是全空间数字世界时空对象的组织单元,可将全空间数字世界看作多个时空域的集合。另外,如在式（1）中,当 T → ∞ 并且 V → ∞ 时,全空间数字世界也可以看作一个在时空上无限扩展的时空域。
（2）如式（4）所示,一个时空域可以由若干子时空域组成;子时空域可以继续划分为若干子子时空域,时空域与子时空域在逻辑结构上是一致的。通过对时空域的逐级划分,可以形成对象时空分布的逻辑视图,不仅便于人们认识全空间数字世界,也便于通过不同级别的时空范围进行时空对象的高效检索和管理。
（3）时空域中的时空对象通常按照一定的主题进行组织,同一时空范围内可以存在不同主题的时空域。
（4）不同时空域的时空范围可以重叠、相交或独立;不同时空域中可以存在相同的时空对象。
（5）全空间数字世界可以按照时空域为单位进行管理,以时空域为单位进行对象集合的生成、增加、修改、导入、导出等操作。
（6）时空域的边界可以是闭合的,也可以是开放的。有些主题的时空域可以随着时空对象的变化,动态调整其时间和空间边界。

3.3 时空域的数据内容

根据式（1）中时空域的定义,作为时空对象的组织管理单元,其数据主要由时空范围描述数据和时空对象集合组成。为了对时空域内的时空对象进行组织与管理,还需要在时空域内记录时空对象的组织数据。这些组织数据主要包括：子时空域、时空对象类、时空对象关系类和时空域时空对象生命周期序列。
（1）子时空域
子时空域是对时空域的进一步划分,这些划分可以是对时空区域的划分,也可以是对同一时空区域不同专题的划分。
（2）时空对象类
时空对象类是对具有相同空间形态、相似属性特征与组成结构、相近认知与行为能力的对象的抽象与描述。对象类是一种层次结构,一个类可以派生出子类。从建模的角度看,时空对象继承自时空对象类,是时空对象类的实例化。
（3）关系类
关系类是对时空对象之间相同类型关联关系的抽象,包括关系的内容、描述方式等。每种关系类的实例化都能够构成一个记录对象间某种关系的关系网。
（4）时空域时空对象生命周期序列
每个时空对象都有自己的生命周期,记录其特征的变化情况。时空域时空对象生命周期序列是时空域内所有时空对象生命周期的有序集合,是将所有时空对象按照生命周期中的演进特征变化的时间点进行排序,按排列顺序记录时空域内所有对象的变化过程。

3.4 基于时空域的全空间数字世界管理方法

全空间数字世界是一个抽象概念,是一个理论中存在的对现实世界的完全数字化的描述,它通过一个个具体的时空域的并集来实现。因此,如图2所示,对全空间数字世界的管理就是对这些时空域及其包含的时空对象进行管理。这种管理分为2个部分,一部分是对时空域的管理,另一部分是对时空域内部时空对象的管理。基于虚拟世界建立的全空间数字世界可以看做是一个个并行的数字世界,它们通过描述相同的实体建立关联和交互,并采用相同的管理方法。如在网络空间和现实空间各自对应的数字世界中,都对一个共同的服务器进行了建模,那么它们就可以基于该服务器对象建立关联和交互。
图2 基于时空域的全空间数字世界管理示意

Fig. 2 The schematic diagram of management of Pan-spatial digital world based on spatio-temporal domain

以时空域为单元的管理内容包括时空域的创建、删除、维护和多个时空域的集合操作。
（1）时空域的创建。每个全空间数字世界至少包含一个时空域,每个对象生成时至少隶属于一个时空域,时空对象和对象类可以在多个时空域内引用。时空域需要在创建对象之前先进行创建,需要指定时空域的时空范围和包含的对象类。对象关系网和时空域生命周期则需要跟随全空间数字世界的生成过程,动态创建和维护。
（2）时空域的删除。删除时空域时将会删除时空域内的各种管理信息。由于时空对象和对象类可以被多个时空域引用,因此删除时空域时只是减少时空域内所有对象和对象类的时空域引用计数,引用计数为零时才彻底删除对象和对象类。
（3）时空域的维护。时空域的维护主要涉及当对象离开或者进入一个时空域时对时空域的操作。当对象出现在一个时空域范围内时,只有当前时空域包含了该对象的类,才会自动在时空域内添加此对象的引用。而当一个对象离开某个时空域范围时,一般不影响其曾经存在的时空域的状态。
（4）时空域的集合操作。时空域的集合操作主要包括求取多个时空域之间的交集、并集、差集等。其操作的核心是对不同时空域内时空对象及对象类的识别、合并与分解。

4 时空域中时空对象的组织与管理

4.1 时空域中时空对象的组织

（1）基于子时空域的对象层次组织方式
如图3所示,时空域可以按照时空范围或者专题进行组合与分解,把一个时空域划分为子时空域后,还可以对子时空域进行继续划分。如一个描述城市的时空域可以按照各个区划分为子时空域;某个区也可以按照街道范围进一步划分为子时空域。考虑到边界对象的完整性,允许不同子时空域之间有时空覆盖。再如在同一个城市时空范围内,也可以按照教育、医疗等不同专题划分子时空域。按照子时空域进行时空对象组织有2种形式,一种是将时空对象划分到不同的子时空域中进行物理存储,另一种是只在相应的子时空域中加入对象的引用,这种组织方式只是为了便于用户基于时空域快速构建面向特定应用的对象视图。
图3 时空域的组合与分解

Fig. 3 Combination and decomposition of spatio-temporal domain

（2）基于时空对象类的对象层次组织方式
如图4所示,每个立方体代表了时空域中某一类时空对象的集合,一个时空域被划分为互不相交的多个类别的时空对象集合。时空域记录了其所包含的所有时空对象类数据,而每个时空对象类则记录了所有继承自该类的对象。比如在某城市时空域中,包含了道路、桥梁、楼房等多种对象类,每个对象类下存储了继承自该类的对象。
图4 基于对象类组织时空对象

Fig. 4 Organizing objects based on spatio-temporal object class

（3）基于时空对象关系类的时空对象网状组织方式
如图5所示,每个立方体代表了一种时空对象关系类中对象和关系形成的关系网,多个这样的关系网的叠加形成了整个时空域的对象关系网。各个关系网并不是互相独立的,同一个对象可以在多个关系网中出现,从而将这些关系网关联在一起,形成一个复杂的大型网络。图中对象B出现在上下2个关系类的关系网中,通过对象B可以将对象A、C、D、E进一步关联在一起。
图5 基于对象关系类组织时空对象

Fig. 5 Organizing objects based on spatio-temporal object relationship class

（4）基于时空域时空对象生命周期序列的时空对象线性组织方式
在时空域内,每个对象都在按照自己的生命周期进行演进。用户一个最常用的操作就是浏览某个时刻下,时空域内所有时空对象的状态特征。将时空域内所有对象按照状态发生变化的时刻进行排序,并按照时间顺序进行时空对象集合的线性组织,形成时空域时空对象生命周期序列。如在图6中,将对象A、B、C生命周期中发生状态变化的结点按照时间顺序重新排列,形成成了包含9个结点的序列,在每个结点上记录了对应的对象和状态变化信息。
图6 基于时空域时空对象生命周期序列组织时空对象

Fig. 6 Organizing objects based on life cycle sequence of spatio-temporal objects in spatio-temporal domain

4.2 时空域中时空对象的管理

时空对象的管理主要包括对时空对象和对象集合的增、删、改、查等操作。在时空域中,对时空对象的管理方式主要分为如下3种：
（1）自顶而下的层级管理方式
对象的层级管理方式主要分为子时空域和对象类2种模式,其中子时空域可以继续分解,形成多层级的管理。层级管理模式下,对象具有明确的查询路径,能够对不同层级下的对象和对象集合进行统一的增、删、改等操作。
（2）对象交叉引用的网络管理方式
网络管理模式主要依托时空对象关系类形成的复杂关系网络实现。其管理操作分为2部分, ① 针对某一关系类形成的单一关系网,进行相应的关系和对象集合操作;② 以某一具体对象为入口,沿整个关系网查询符合关联条件的相关对象,根据入口对象的状态变化,同步更新相关对象的状态信息。由于同一对象可以存在于多个关系网中,因此通过这类对象可以实现跨关系网的查询与管理。
（3）基于时空域时空对象生命周期序列的线性管理方式
基于时空域时空对象生命周期序列的线性管理方式主要用于快速检索某具体时刻对象的状态。通过时空域时空对象生命周期序列,可以按照时间顺序查询时空域中某个时刻下,哪个时空对象发生了状态改变,进而对该对象进行相应的管理操作。

4.3 实验分析

基于上述的采用时空域进行全空间数字世界时空对象组织与管理的方法,本文设计并实现了基于时空域、对象类、对象关系类和时空域时空对象生命周期序列的全空间数字世界时空对象组织与管理软件模块,依托全空间时空对象可视化工具,进行了如下实验,软件运行结果如图7所示。
图7 全空间时空对象可视化工具

Fig. 7 Visualization tools of the pan-spatial spatio-temporal objects

采用全空间时空对象可视化工具围绕全空间数字世界创建的卫星、建筑、设施、舰船、岛礁、人员等1000多万个对象,进行了相应的对象组织,具体功能包括：
（1）将管理的全空间数字世界时空对象划分为近地空间、苏州园区—2019、南海示范区等多个时空域,将南海示范区又划分为多个子时空域。在时空域或子时空域下按照对象类进行时空对象的组织,如图左侧窗口。能够按照时空域或对象类实现时空对象的查询、显示、导入和导出等功能。
（2）在每个时空域下按照对象关系类将对象组织为关系网,如图右侧窗口所示。能够进行关系类、关系的显示控制,能够根据关系查询时空对象。
（3）将时空域内所有时空对象按照生命周期特征变化点进行重新排序,如图7下方红色时间条所示,其中黄色线条标识了所有对象生命周期特征变化点。能够按照时间顺序,查询任意时刻时空对象的特征。
工具软件展现了基于时空域的全空间数字世界时空对象的组织和部分管理功能,验证了文中提出方法的可行性。

5 结语

全空间数字世界是在计算机系统中由描述现实/虚拟世界各种实体与要素的时空对象数据所构成的综合数据体,具有时空范围全、信息内容全、支持虚实交互与独立演化等特点。为了实现对全空间数字世界时空对象的管理,本文提出了时空域的概念,即在时间区域和空间区域组合范围内的时空对象集合。全空间数字世界可以看作是由多个时空域组合而成,对时空域以及时空域内时空对象的组织与管理是全空间数字世界时空对象组织与管理的基本内容。针对全空间数字世界的特点及其对时空对象组织管理的要求,本文提出了基于子时空域、对象类、关系类、时空域对象生命周期序列的时空域时空对象的组织管理方法,设计实现了相应的时空对象组织管理工具,验证了该方法的实用性和可用性。与此同时,为了提高管理的智能化,还需要针对不同时空域下,同一实体的智能识别、时空域合并时的对象冲突检测和自动化数据融合等方面开展更加深入的研究。

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