申请/专利权人：中国科学院东北地理与农业生态研究所

申请日：2017-06-22

公开（公告）日：2020-07-24

公开（公告）号：CN107480321B

主分类号：G06F30/20(20200101)

分类号：G06F30/20(20200101);G06F16/29(20190101);G06T17/05(20110101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.07.24#授权;2018.01.09#实质审查的生效;2017.12.15#公开

摘要：本发明涉及GIS时空数据模型构建领域，具体涉及一种泛知识化时空对象表达数据库建立方法，本发明为了解决现有的时空数据模型对于时空一体化表达及四维时空数据的表达能力不足，不能有效表达在空间或者时间上连续的现象，无法表达时空对象的几何形状与姿态的缺点，而提出一种泛知识化时空对象表达数据库建立方法，包括：建立时空对象表达数据模型；所述时空对象表达数据模型的种类包括：刚体运动模型、流体运动模型、场模型、准动态模型、静态模型；采集时空数据；根据时空数据所属的种类，使用所述时空对象表达数据模型对时空数据进行建模并将建模后的时空数据存储在数据库中。本发明适用于时空数据建模。

主权项：1.一种泛知识化时空对象表达数据库建立方法，其特征在于，包括：步骤一、建立时空对象表达数据模型；所述时空对象表达数据模型的种类包括：刚体运动模型、流体运动模型、场模型、准动态模型、静态模型；所述刚体运动模型包括如下特征：运动对象、采样时刻、时空对象的初始姿态、时空对象初始位置、时空对象的理论轨迹、时空对象的理论姿态、实际测量获得的时空对象理论轨迹、时空对象的实际姿态、时空对象的属性；其中，运动对象为点、线、面、体以及复合体中的一种；时空对象的理论轨迹为通过一般运动方程计算获得的连续轨迹或离散轨迹；时空对象的理论姿态为通过一般运动方程的旋量获得；一般运动方程f具体为： 其中，x、y、z表示空间点在选定参考系中的坐标，用于表示时空对象的几何形状、空间位置；所述选定的参考系一经选定，则不随时空对象的变化而发生任何形式的变化，是静止不动的；t为时间维度，用于表示采样时刻；xr，yr，zr分别为运动对象在空间坐标系中x、y、z三个方向上的旋量；旋量遵守右手法则，用于表示绕坐标轴的旋转量，即时空对象的自转运动；流体运动模型包括如下特征：采样时刻、轨迹的理论集族、旋量的理论集族、形状的理论集族、轨迹的实测集族、旋量的实测集族、形状的实测集族、时空对象的属性；场模型包括如下特征：场源、场的虚拟几何体、采样时刻、场强、时空对象的属性；其中场源为点、线、面、体以及复合体中的一种；准动态模型包括如下特征：准动态对象集族、准动态属性集族、采样时刻；准动态模型用于描述几何形状或者属性在某一时间能够发生突变的时空对象；静态模型包括如下特征：静态对象的几何结构以及静态对象的属性集族；步骤二、采集时空数据；步骤三、根据时空数据所属的种类，使用所述时空对象表达数据模型对时空数据进行建模并将建模后的时空数据存储在数据库中。

全文数据：一种泛知识化时空对象表达数据库建立方法技术领域[0001]本发明涉及GIS时空数据模型构建领域，具体涉及一种泛知识化时空对象表达数据库建立方法。背景技术[0002]自1998年美国副总统戈尔提出数字地球，1999年建立的美国麻省理工学院自动识别中心Auto-ID首次阐明物联网的基本含义万物皆可联网）及2006年Google首席执行官首次提出了云计算概念以来，人类对智慧地球、智慧城市等信息平台的应用需求正快速增长。2008年IBM首次提出了智慧地球概念，其是数字地球通过物联网与现实世界的有机融合，在国防与国家安全等领域得到了广泛运用。而智慧城市则是在数字城市的基础上，通过物联网将其与现实城市关联起来，将海量数据的存储、管理、计算、分析与决策交由云计算平台进行处理，并按照分析决策结果，对各智能设施进行自动化控制。智慧城市是智慧地球的具体应用，其已在智慧教育、智慧医疗、智慧交通等许多行业展开了研究应用。基于云计算技术的智慧信息平台，能对多源异构的时空大数据进行有效的管理与分析，并提取对人类有用的信息与知识，以提供智能服务。以数字地球、数字城市、物联网、云计算等技术的发展为契机，GIS正逐步从二维向三维、静态向动态及云GIS的方向发展。而传统的二维、静态GIS理论已经难以满足当前的GIS发展需求，亟待进一步研究三维GIS、动态GIS及云GIS等新理论与技术。[0003]时空数据模型作为虚拟世界与现实世界的桥梁，是对客观世界的抽象与形式化表达，是智慧地球、智慧城市等的应用基础。时空数据模型的研究大约兴起于上世纪70年代末，1989年Langran首先研究总结了前人关于时空数据模型的研究成果，并出版了时空GIS领域的第一本专著一《TimeInGeographicInformationSystem》；其中，对序列快照模型、基态修正模型、时空立方体模型及时空组合模型等4种时空数据模型进行了研究总结，上述模型主要是描述时空实体在某一时刻的状态，没有反映引起时空变化的原因。其后，基于事件的时空数据模型、基于图的时空数据模型、第一范式时空数据模型、非第一范式时空数据模型等相继被提出，这些模型旨在描述时空实体的变化过程。随着计算机中面向对象的编程思想的出现，许多学者继而将面向对象的思想引入到时空数据建模中，以着重描述时空对象本身，如Hagerstrand等在上世纪70年代构建的时空立体模型、面向特征与本体的时空数据模型等;但都不是真正意义上的面向对象的时空数据模型。Wochowicz和Healy建立了第一个面向对象的时空数据模型来反映现实世界的现象与事件。由于数字地球的现实世界是一个动态的三维空间，所以4DGIS是GIS发展的必然趋势；关于四维时空数据模型，也有相关专家学者做了大量研究。郭达志等利用线性编码技术构建了面向矿山开采的四维时空数据模型；龚建雅将面向对象的思想与超地图结合起来，提出了一种四维时空数据模型;袁林旺等采用几何代数的方法构建了与坐标无关的多维统一GIS数据表达模型。在时空离散表达方面，前人已经做了大量卓有成效的工作;但在时空连续表达方面，相关的研究成果还较少，包括Sistla提出的连续型MOSTMovingObjectsSpatio-Temporal时空数据模型及Giiting等的抽象数据类型。[0004]可以看出，为了满足人们对时态数据的需要，多种类型的时空数据模型已经被提出并在不断发展完善。然而，面对高维3D4D、复杂场景的建模，传统建模方法难以应对多源异构的海量时空数据建模需求，而构建一个放之四海而皆准的时空数据模型也是不现实的。[0005]当前的时空数据模型大多是将三维动态的现实世界抽象为以时间标记的二维空间对象，时空一体化表达及四维时空数据的表达能力不足。对时间的表达大多采用离散方式将时间作为时空对象的属性或时空数据库的时间戳;导致空间数据与非空间数据必须进行分开存储并建立更多的附加关系以进行时空分析、时空查询、属性查询等分析计算；由此，数据的存储空间也将迅速增长;如时空立方体模型，只能表示二维空间数据随时间的变化，且由于对每个空间格网数据都存储一个时间序列，故还存在时间标记本身的冗余存储。在时空对象的几何表达方面，无论是规则图形或不规则图形，多采用离散结构（点、线、面等），导致存在大量数据冗余，且不符合人类认知规律。由于当前三维GIS数据模型与空间分析理论还不成熟，当前大多数时空数据模型还不能对四维时空数据进行有效表达，主要采用序列快照模型记录三维空间对象在某一时刻的状态。[0006]此外，当前的时空数据模型不能有效表达在空间或者时间上连续的现象，如空间连续的电磁场、洋流等，时间连续的台风移动以及车辆运动等。序列快照模型、基态修正模型等时空数据模型都只是记录时空对象在某一时刻的状态，可以实现空间连续表达，但时间仍是离散的。基于图的时空数据模型虽然描述了引起时空对象状态发生变化的因素事件），实现了时间的连续表达，但是其图模型的节点往往需要将空间进行离散表达。而Sistla提出的MOST连续型时空数据模型实现了时空连续表达，但是其将空间对象抽象为点模型，无法表达时空对象的几何形状与姿态。MOST时空数据模型图如图10所示。MOST模型定义了动态属性，将属性作为时间的函数进行更新、插值、查询。其时空数据库中定义了现实时间（validtime和事务时间（transactiontime，动态属性的定义包括属性值A.value、更新时间（A.updatetime及属性更新函数A.function。对于时刻A.time+to的属性值，可采用下式进行插值获得。A.value+A.functionto。其中，A.value是属性A在A.time时刻的属性值。[0007]由此可以看出，当前的时空数据模型在空间数据表达或者时间表达方面，大多采用单一的数据表达方式，无法适应高维（3D4D、复杂场景的海量数据建模需求，导致时空数据模型无法进行跨行业、跨平台的应用。如在智慧城市的建设中，面临的数据类型多种多样，有规则的地表三维建筑物模型，也有不规则的地形数据;对同一数据的应用因各部门的需求而不同，如对于道路交通数据，城市市政部门关注道路的状态，以便安排资金对道路进行养护，而交警部门则更多关注道路各个时间段的车流量以便合理安排警力维持交通秩序。因此，当前的时空数据模型不能满足智慧地球、智慧城市等的发展需求。发明内容[0008]本发明的目的是为了解决现有的时空数据模型对于时空一体化表达及四维时空数据的表达能力不足，不能有效表达在空间或者时间上连续的现象，无法表达时空对象的几何形状与姿态的缺点，而提出一种泛知识化时空对象表达数据库建立方法。[0009]—种泛知识化时空对象表达数据库建立方法，包括：[0010]步骤一、建立时空对象表达数据模型;所述时空对象表达数据模型的种类包括:刚体运动模型、流体运动模型、场模型、准动态模型、静态模型；[0011]步骤二、采集时空数据；[0012]步骤三、根据时空数据所属的种类，使用所述时空对象表达数据模型对时空数据进行建模并将建模后的时空数据存储在数据库中。[0013]本发明的有益效果为：[0014]1、本发明在3DGIS的研究基础之上提出的表达三维空间对象的运动，并引入了地质学中的产状面方程以及一般运动方程来描述时空对象的空间姿态与空间运动过程，使之更加符合人类的认知规律。[0015]2、本发明根据时空对象的行为特征，将时空对象的运动类型分为刚体运动、流体运动、场、准动态及静态等五类运动类型。根据五类运动类型的不同行为特征，构建基于本体的时空对象模型，并利用产状面方程与一般运动方程构建多样化的表达方法，以适应不同的应用需求。与MOST时空对象模型相比，本发明的表达方式更多元，能够有效地进行时空分析，大大拓宽了应用领域。附图说明[0016]图1为本发明的泛知识化时空对象表达数据库建立方法的流程图；[0017]图2为本发明的刚体运动时空对象模型的UML图；[0018]图3为本发明的流体运动时空对象模型的UML图；[0019]图4为本发明的场时空对象模型的UML图；[0020]图5为本发明的准动态时空对象模型的UML图；[0021]图6为本发明的静态时空对象模型的UML图；[0022]图7为产状面三要素的示意图；[0023]图8为广状面的不意图；[0024]图9为令〇与γ不变时，绕法线旋转后的产状面示意图；[0025]图10为MOST时空数据模型的UML图。具体实施方式[0026]具体实施方式一:本实施方式的泛知识化时空对象表达数据库建立方法，如图1所示，包括：[0027]步骤一、建立时空对象表达数据模型；时空对象表达数据模型的种类包括:刚体运动模型、流体运动模型、场模型、准动态模型、静态模型。[0028]步骤二、采集时空数据。[0029]步骤三、根据时空数据所属的种类，使用时空对象表达数据模型对时空数据进行建模并将建模后的时空数据存储在数据库中。[0030]本实施方式的有益效果如下：[0031]首先，目前GIS时空数据模型大多是描述二维空间对象的运动，缺乏二、三维一体化及时空一体化表达的能力。本发明通过研究三维空间数据表达模型、三维空间分析理论及时空对象的一般运动方程，并引入地质学中的产状面方程构建了泛知识化时空对象表达数据模型（UbiquitousKnowledgeableSpatio-TemporalRepresentationDataModel,UKSTRDM，实现了对象二、三维一体化及时空参照一体化描述。[0032]其次，现有的时空数据模型大多是针对特殊的行业应用而构建的，没有抽象时空对象本体，可扩展性差;无法实现跨行业、跨平台的应用。本发明从时空对象的运动出发，依据时空对象的行为特征，将时空对象运动分为刚体运动、流体运动、场、准动态及静态等五类模式，并分别抽象时空对象的本体;构建面向对象的基础性可扩展数据模型。[0033]最后，在时间表达方面，当前的时空数据模型大多采用离散方式将时间作为时空对象的属性或时空数据库的时间戳;而在连续型时空数据模型中，虽以运动方程的形式实现了时空一体化表达，但其将时空对象的运动抽象为点运动，无法有效表达时空对象的几何形状、姿态、空间关系等特征，并基于关系型数据库对时空数据进行管理，无法真正实现面向对象的时空数据建模。本发明以时空对象本体为基础，通过一般运动方程将时间信息与空间信息（空间位置、几何形状及姿态进行一体化表达，并采用时空数据库对数据进行统一管理，实现真正的面向对象的时空数据建模。[0034]本发明以面向对象的方式抽象表达现实世界的实体，并实现时空一体化表达。本发明通过一般运动方程实现时空一体化表达，并引入地质学中的产状面方程来描述时空对象在空间坐标系中的姿态;最后，通过研究时空对象行为、特征、状态、事件、过程等的关系，得出依据时空对象的行为特征可将客观现实世界中实体的运动分为刚体运动、流体运动、场、准动态及静态等五类运动模式。[0035]具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中，[0036]以时空为“信息核”的场融合可实现知识空间与物理空间的双向映射，将物理空间与知识空间统一表达于全息空间。而物理学采用运动描述对象时空连续变化，所以时空GIS模型应从运动特征描述开始。然而，客观世界中时空对象的运动形式千变万化，采用统一模型描述时空对象运动是不现实的。由于行为是时空对象运动的具体表现之一，本文依据时空对象的行为特征将其分为刚体运动、流体运动、场、准动态及静态等五类运动形式。[0037]⑴刚体运动[0038]根据微分几何学中的定义，如果一个物体在三维欧式空间（E3空间）中的运动不改变它的形状与大小，只改变它在空间中的位置，即运动对象内部相互间相对速度v=〇、加速度a=0，则这个物体的运动称为刚体运动，如卫星、车船的运动。[0039]刚体运动模型如图2所示，包括如下特征:运动对象OBJECT，）、采样时刻⑴、时空对象的初始姿态（STANCE0、时空对象初始位置（P0SITI0N0，）、时空对象的理论轨迹THE0RETIC_L0⑶S、时空对象的理论姿态THE0RETIC_STANCE、实际测量获得的时空对象理论轨迹MEASURE_L0CUS、时空对象的实际姿态MEASURE_STANCE、时空对象的属性ATTRIBUTE。[0040]dynamicObject{OBJECT，t，STANCE0，P0SITI0N0，THE0RETIC_L0CUS，THEORETIC—STANCE，MEASURE_L0CUS，MEASURE_STANCE，ATTRIBUTE}[0041]式中，OBJECT为运动对象，可以是点（point、线（line、面surface、体body及复合体complex等;t表示采样时间；STANCE0为时空对象的初始姿态;P0SITI0N0表示时空对象的初始位置;THE0RETIC_L0⑶S表示时空对象的理论轨迹，即由GME获得的连续轨迹或离散轨迹;THEORETIC_STANCE表示时空对象的理论姿态，根据GME中的旋量获得;MEASURE_LOCUS为实际测量获得的时空对象运动轨迹，对于不规则的运动，理论轨迹与实际测量轨迹往往存在差异;MEASURE_STANCE是时空对象的实际姿态;ATTRIBUTE表示时空对象的属性。[0042]根据刚体的几何形状，可将刚体分为不规则刚体与规则刚体两类;对于不规则刚体则采用离散结构表示;而规则刚体可采用函数结构表示;对于在空间或时间上重复出现、但其空间姿态不同的时空对象，可采用映射结构表示;这样便可大大降低数据冗余，节省存储空间。上述三类数据结构，采用了张树清等（2016的泛知识化三维GIS表达模型，这种模型可以有效表达时空对象的几何形状，便于进行空间分析。刚体的时空对象模型UML图如图2所示。UML图中，实心菱形箭头表示包含关系，空心菱形箭头表示聚合关系，实心三角形箭头表示泛化，空心三角形箭头表示实现。[0043]时空对象的理论姿态通过一般运动方程的旋量获得。[0044]—般运动方程具体为：[0045]6[0046]其中，x、y、z表示空间点在选定参考系中的坐标，用于表示时空对象的几何形状、空间位置;选定的参考系一经选定，则不随时空对象的变化而发生任何形式的变化，是静止不动的;选定参考系由参考基准及度量单位组成;分为绝对时空参考系及相对时空参考系。[0047]t为时间维度，用于表示采样时刻;Xr，yr，Zr分别为运动对象在空间坐标系中X、y、z三个方向上的旋量;旋量遵守右手法则，用于表示绕坐标轴的旋转量，即时空对象的自转运动。[0048]一般运动方程可以描述宏观世界的动态目标，如卫星、洋流、台风等；同样适合微观世界中粒子运动的描述，包括电子、分子、质子等。一般运动方程中的参数x、y、z、t表示的时空对象的时空属性，包括时空位置、几何形状、姿态等。为了描述时空对象的运动，必须建立统一的时空参照系统以实现时空一体化表达。[0049]—般运动方程隐含地表达了时空对象的线速度、线加速度、角速度及角加速度等运动特征，其线速度与角速度可以通过GME对时间t的一阶导数获得，线加速度与角加速度则可通过一般运动方程对时间t的二阶导数计算获得。[0050]2流体运动[0051]在静力平衡时，不能承受拉力或剪力的物体则为流体，其自身无固定几何形状，运动时除对象本身发生运动外，对象内部相互间相对位置常常也会发生变化。流体在空间域内的运动称为流体运动，如台风、洋流等。[0052]流体运动模型包括如下特征：采样时刻、轨迹的理论集族、旋量的理论集族、形状的理论集族、轨迹的实测集族、旋量的实测集族、形状的实测集族、时空对象的属性。[0053]流体运动的形式化表达为：[0054]dynamicObject{t，THEORETIC_LOCUS，THEORETIC_EDDY，THEORETIC_SHAPE,MEASURE_L0CUS,MEASURE_EDDY,MEASURE_SHAPE,ATTRIBUTE}[0055]其中，LOCUS为轨迹集族;EDDY为旋量集族;SHAPE为形状集族，即点、线、面、体等；上述三种集族分为理论集族THEORETIC和实测集族MEASURE，且都随时间变化而发生改变，所以可将其分别作为时间t的函数。如热带气旋表示旋量时以风速多少、半径多少表示。基于以上原因，流体可以以宏观动态特征进行表示:如河流具有固定轨迹，但流速因流域的区段不同而各异;云团运动无固定轨迹和形状;地下水污染扩散污染源固定不动等。热带气旋理论轨迹接近抛物线状。[0056]由于流体表面受到外力的作用而经常呈现出起伏且不规则的曲面，如海面受到天体引力的作用而产生潮汐。为了表示流体的几何形状，本发明采用三角形格网TIN来表示三维流体的几何外形。且流体运动描述的是流体的整体运动特征，而非流体内部之间的相对运动如分子运动等）。流体运动的时空对象模型如图3所示。[0057]⑶场[0058]场是物质存在的一种基本形式，它看似无形，但又客观存在，如：电场、磁场、引力场、各种高能粒子场等。场边界一般为模糊的，已知的场在距离足够远的情况下，会衰减到无法测量的程度。场具有以下特征:1无色无形;2边界模糊;3场是距离或时间的函数。[0059]场模型包括如下特征:场源、场的虚拟几何体、采样时刻、场强、时空对象的属性；其中场源为点、线、面、体以及复合体中的一种。[0060]场的形式化描述为：[0061]dynamicObject{OBJECT,FieIdBody,t,v,ATTRIBUTE}[0062]其中，OBJECT为场源，形状为点Point、线Line、面Surface、体Body或复合体Complex中的一种;t为时间；V为场强，当OBJECT的外包盒Box尺寸r与场中点PP点处场强V在可观测范围内）到场源距离L比足够小时，可视OBJECT为一个点，有：[0063]7[0064]而场强V是距离或时间的函数，即有些场在某个时间段内与时间无关，如灯光、磁场、重力场;而有些场是时间与距离的函数，其场强随时间和距离的变化而变化，如放射性铀的衰变现象，其放射性随时间推移而发生变化；离放射源的距离不同，其放射强度也不同。由于场无色无形的特征，在动态GIS中，场是一种特殊分类。[0005]根据场强范围值可以将空间场划分为若干subFieldbody。对于定向场的描述，如波束、高能粒子束等，采用投影锥做为FieldBody更为合适。[0066]场的时空对象模型如图4所示。[0067]⑷准动态[0068]准动态是指不具备持续运动特性，速率为零，其几何形状二维或三维或者属性在某一时间发生突变。如国土地籍使用，随着建筑信息模型BIMBuildingInformationModel等的应用，三维地籍的动态管理对4D时空数据模型提出了日益迫切的需求。[0069]准动态模型包括如下特征:准动态对象集族、准动态属性集族、采样时刻;准动态模型用于描述几何形状或者属性在某一时间能够发生突变的时空对象。[0070]准动态的形式化描述为：[0071]dynamicObject{OBJECT,t,ATTRIBUTE}[0072]其中，OBJECT与ATTRIBUTE都为集族，分别表示准动态对象及其属性;t表示时间。在准动态类中，其准动态对象的几何、属性等都会在某一时刻发生突变，如地块形状的变更，如图5所示。[0073]⑶静态[0074]传统的二维GIS与三维GIS都是采用单一的静态数据模型表示时空对象在某一时刻的状态。静态寓于动态之中，是动态的特例，在表达静态的客观实体时，可以忽略时间维度，如静止的大楼、高山等。然而，传统的二维与三维GIS数据模型往往是分开的，不能实现一体化表达。本发明在这一部分采用张树清等2016的泛知识化三维GIS表达模型，该模型以符合人类认知规律的方式很好地实现了二三维一体化表达，并大大减少了数据冗余。[0075]静态模型包括如下特征:静态对象的几何结构以及静态对象的属性集族，其形式化表达方式如下式所示。[0076]staticObject={Object,ATTRIBUTE}[0077]其中，staticObject表示静态对象。Object表示静态对象的几何结构，ATTRIBUTE是静态对象的属性集族。UML图如下图6所示。[0078]其它步骤及参数与具体实施方式一相同。[0079]具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：[0080]准动态模型中的准动态对象集族进一步包括:形状改变、姿态改变、位置改变、初始形状、初始位置、初始姿态以及采样时刻；其中，形状改变为关于时空对象的形状和采样时刻的函数，姿态改变为关于时空对象的倾角、走向以及倾向的函数;位置改变为关于时间以及空间参考坐标系中的三维坐标的函数；[0081]准动态模型中的准动态属性集族进一步包括:时空对象的ID、时空对象的名称、时空对象的值以及随时间变化的时空对象属性改变值。即图5中示出的UML图中的数据结构。[0082]这样设置的好处是，可以用来描述会发生突变的属性。传统的时空数据模型主要用来描述自然条件变化，而实际上有一些类似于地籍动态管理的信息，其属性可能经常发生突变，本实施方式的数据结构解决了现有技术缺少相关功能的缺陷。[0083]其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。[0084]具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：[0085]步骤一执行完成后，还包括：[0086]步骤一一、为每个时空对象定义一个与其对应的活动标架，所述活动标架固定于时空对象，活动标架的原点随时空对象的移动而发生变化，活动标架与选定参考系的关系为：[0087]x，y，z=a+x’，y’，z’）AI[0088]其中，（x，y，z为空间点在参考系中的坐标，（x’，y’，z’）为该点在活动标架中的坐标，a表示活动标架相对参考系的位移矩阵;A表示活动标架相对参考系的姿态矩阵;a和A的表达式如下：[0091]其中，ai，a2，a3表示点的位移在分别X，Y，Z轴上的分量。A中的元素表示参考系与活动标架之间的转换系数。ani=l，2,3是活动标架中的坐标轴X’与参考系中的坐标轴Χ，Υ，Z之间的转换系数，S卩为坐标轴X’的单位向量：为坐标轴X、Υ、Ζ的单位向量）；同理，a2i与a3i分别是与单位向量之间的转换系数。[0092]活动标架一旦确定之后，其与选定参考系的相对方位关系则不再发生变化，S卩A的值不变。[0093]其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。[0094]具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：[0095]姿态改变以及初始姿态均使用倾角、倾向以及旋转角表示。[0096]传统GIS采用时空对象的活动标架的x、y、z轴与空间参照系的夹角表示时空对象的姿态，但这种方式不符合人类的认知规律。而引入地质学中地质体的产状，可使时空数据模型的语义更丰富，更加符合人类的认知规律。产状是指物体在空间产出的状态和方位的总称，倾角、倾向及走向是产状的三个要素，如下图7所示，三者的定义如下：[0097]1倾角:倾角是指产状面的法线与坐标轴Z轴的夹角，采用α表示，0彡α彡π。[0098]2走向：在地质学中，岩层层面与任意水平面的交线称为走向线，走向线指示的地理方位与地理北极沿顺时针方向的夹角）叫走向；在泛知识化时空对象表达数据模型中，定义产状面与XOY平面的交线为走向线，走向线与X轴正方向沿顺时针方向的夹角称为走向，以β表示。[0099]3倾向：与走向线垂直向岩层下倾方向引出的射线称为倾斜线，倾斜线在水平面上的投影线指示的地理方位称倾向；在泛知识化时空对象表达数据模型中，定义倾斜线在XOY平面上的投影线与X轴正方向沿顺时针方向的夹角为倾向，以γ表示：[0100]产状面的走向确定，其倾向不一定确定;而倾向确定后，贝Ij其走向确定。另外，走向与倾向之间存在如式⑷所示的数量关系；因此，为了描述简单有效，本文只采用α和γ描述一般产状面方程。[0101]4[0102]因此，由〇与γ定义的一般产状面方程如式5所示，一般产状面方程定义了产状面在三维欧式空间（E3空间）中的姿态，并通过原点到产状面的矢量距离F表示了空间点与面的关系，便于进行三维空间分析以及空间关系表达。产状面示意图如图8所示;令α与γ不变，绕法线旋转后的产状面如图9所示。[0103]F=Xcosγsina+ysin2π-γsina+zcosa5[0104]但一般产状面方程只表示了空间平面的姿态，依据产状面方程不能唯一确定时空对象的姿态（图9。因此，定义旋转角Θ为时空对象绕产状面法线的旋转角度，根据倾角a、倾向γ及旋转角Θ方可定义时空对象的空间姿态。[0105]其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。[0106]因此可以看出，本发明与现有技术的时空对象表达数据模型最显著的不同在于：[0107]1首次将活动标架引入时空对象的空间姿态定义中。[0108]2本发明引入产状面方程来描述时空对象的空间姿态。[0109]3通过一般运动方程，定义了客观现实世界中时空对象的空间运动，并使用旋量来描述时空对象姿态的变化。[0110]4本发明根据时空对象的行为特征，将客观现实世界中的时空对象分为刚体运动、流体运动、场、准动态及静态等五类运动模式，并分别给出了其形式化表达方式以及UML模型图。[0111]本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。[0112]参考文献：[0113][1]ArmstrongMP.Temporalityinspatialdatabases[C]proceedingsofGISLIS.1988,882:880-9·[0114][2]LangranG.TimeinGeographicInformationSystems[J].1992.[0115][3]LangranG,ChrismanNR.Aframeworkfortemporalgeographicinformation[J].Cartographica:TheInternationalJournalforGeographicInformationandGeovisualization,1988,253:1-14.[0116][4]YuanM.WildfireconceptualmodelingforbuildingGISspace-timemodels[C]proceedingsofGISLIS.1994,94:860-869.[0117][5]RenolenA.Historygraphs:Conceptualmodellingofspatiotemporaldata[J].Gisfrontiersinbusinessandscience，1996，2·[0118][6]PangY.Developmentofprocess-basedmodelfordynamicinteractionprocessinspatio-temporalGIS[D].,1999.[0119][7]fforboysMF.0bject-〇rientedmodelsofspatiotemporalinformation[C]GISIis-internationalconference-.AmericanSocietyforPhotogrammetryandremotesensing,1992,2:825-825.[0120][8]PeuquetDJ.Makingspacefortime:Issuesinspace-timedatarepresentation[J].GeoInformatica,2001,5I:11-32.[0121][9]PelekisNjTheodoulidisBjKopanakisI，etal.Literaturereviewofspatio-temporaldatabasemodels[J].TheKnowledgeEngineeringReview,2004,1903:235-274.[0122][10]SistlaAPjWolfsonOjChamberlainS，etal.Modelingandqueryingmovingobjects[C]icde.1997,97:422-432.[0123][11]薛存金，谢炯.时空数据模型的研究现状与展望[J].地理与地理信息科学，2010,01:1-6.[0124][12]ZhangSQjZhouCHjZhangJY,etal.AubiquitousknowledgeabledatarepresentationmodelUKRMforthree-dimensionalgeographicinformationsystems3DGIS[J].ScienceChinaEarthSciences，2016,59⑷：780-794.[0125][13]张树清，周成虎，张俊岩，陈祥葱.泛知识化三维GIS表达模型UKRM[J].中国科学:地球科学，2016,（02:214-228.[0126][14]陈维桓.微分几何初步[M].北京大学出版社，1990.

权利要求：1.一种泛知识化时空对象表达数据库建立方法，其特征在于，包括：步骤一、建立时空对象表达数据模型;所述时空对象表达数据模型的种类包括:刚体运动模型、流体运动模型、场模型、准动态模型、静态模型；步骤二、采集时空数据；步骤三、根据时空数据所属的种类，使用所述时空对象表达数据模型对时空数据进行建模并将建模后的时空数据存储在数据库中。2.根据权利要求1所述的泛知识化时空对象表达数据库建立方法，其特征在于，所述步骤一中：刚体运动模型包括如下特征:运动对象、采样时刻、时空对象的初始姿态、时空对象初始位置、时空对象的理论轨迹、时空对象的理论姿态、实际测量获得的时空对象理论轨迹、时空对象的实际姿态、时空对象的属性；其中，运动对象为点、线、面、体以及复合体中的一种;时空对象的理论轨迹为通过一般运动方程计算获得的连续轨迹或离散轨迹;时空对象的理论姿态为通过一般运动方程的旋量获得；一般运动方程f具体为：其中，x、y、z表示空间点在选定参考系中的坐标，用于表示时空对象的几何形状、空间位置;所述选定的参考系一经选定，则不随时空对象的变化而发生任何形式的变化，是静止不动的；t为时间维度，用于表示采样时刻;Xr，yr，Zr分别为运动对象在空间坐标系中x、y、z三个方向上的旋量;旋量遵守右手法则，用于表示绕坐标轴的旋转量，即时空对象的自转运动；流体运动模型包括如下特征：采样时刻、轨迹的理论集族、旋量的理论集族、形状的理论集族、轨迹的实测集族、旋量的实测集族、形状的实测集族、时空对象的属性；场模型包括如下特征:场源、场的虚拟几何体、采样时刻、场强、时空对象的属性;其中场源为点、线、面、体以及复合体中的一种；准动态模型包括如下特征:准动态对象集族、准动态属性集族、采样时刻;准动态模型用于描述几何形状或者属性在某一时间能够发生突变的时空对象；静态模型包括如下特征:静态对象的几何结构以及静态对象的属性集族。3.根据权利要求2所述的泛知识化时空对象表达数据库建立方法，其特征在于，准动态模型中的准动态对象集族进一步包括:形状改变、姿态改变、位置改变、初始形状、初始位置、初始姿态以及采样时刻；其中，形状改变为关于时空对象的形状和采样时刻的函数，姿态改变为关于时空对象的倾角、走向以及倾向的函数;位置改变为关于时间以及空间参考坐标系中的三维坐标的函数；准动态模型中的准动态属性集族进一步包括:时空对象的ID、时空对象的名称、时空对象的值以及随时间变化的时空对象属性改变值。4.根据权利要求1所述的泛知识化时空对象表达数据库建立方法，其特征在于，步骤一执行完成后，还包括：步骤--、为每个时空对象定义一个与其对应的活动标架，所述活动标架固定于时空对象，活动标架的原点随时空对象的移动而发生变化，活动标架与选定参考系的关系为：x,y,z=a+x,y,zA其中，（x，y，z为空间点在参考系中的坐标，（x’，y’，z’）为该点在活动标架中的坐标，a表示活动标架相对参考系的位移矩阵;A表示活动标架相对参考系的姿态矩阵;a和A的表达式如下：Ά—cil,Ά2,3其中，ai，a2，a3表不点的位移在分别Χ，Υ，Ζ轴上的分量。其中，A中的元素表示参考系与活动标架之间的转换系数。ani=l，2,3是活动标架中的坐标轴X’与参考系中的坐标轴X，Y，Z之间的转换系数，S卩为坐标轴X’的单位向量，f、}，I-为坐标轴Χ、Υ、Ζ的单位向量）；同理，a2i与a3i分别是ϋ与单位向量i.、，I之间的转换系数。活动标架一旦确定之后，其与选定参考系的相对方位关系则不再发生变化，即A的值不变。5.根据权利要求3所述的泛知识化时空对象表达数据库建立方法，其特征在于，所述姿态改变以及初始姿态均使用倾角、倾向以及旋转角表示;其中倾角表示产状面的法线与坐标轴Z轴的夹角，用α表示，倾向是指倾斜线在xoy平面上的投影线与X轴正方向沿顺时针方向的夹角，倾斜线为水平面上的投影线指示的地理方位称倾向；倾向用Y表示，〇γ旋转角为时空对象绕产状面法线的旋转角度；产状面的一般方程为：F=xcosγsina+ysin2π-γsina+zcosa其中F表示选定坐标系的原点到产状面的矢量距离。

百度查询： 中国科学院东北地理与农业生态研究所 一种泛知识化时空对象表达数据库建立方法

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