空间信息剖分组织是以地球剖分网格为基础，通过建立空间数据与其所对应的地球剖分网格之间的映射关系，实现“集装箱”模式的空间信息网格化编目、存储与检索，从而提高多源空间信息的整合和综合管理能力。本书围绕空间信息数据库剖分存储与检索体系，系统论述了地球剖分时空数据库的概念与定义、时空编码、体系架构、存储结构、索引模型、时空关系计算、查询策略、时空引擎，展望了地球剖分时空数据库与时空引擎的应用前景。
样章试读
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前言
第1章 概述 1
1.1 大数据与时空大数据 1
1.2 时空数据管理现状与发展趋势 2
1.3 时空数据库 4
1.4 地球剖分时空数据库 6
1.5 本章小结 7
第2章 地球空间剖分编码 8
2.1 GeoSOT地球剖分网格的提出 8
2.2 GeoSOT地球剖分网格的设计规约 8
2.3 GeoSOT地球剖分网格的平面剖分 12
2.4 GeoSOT地球剖分网格的立体剖分 17
2.5 GeoSOT地球剖分网格编码 34
2.6 本章小结 39
第3章 时间剖分编码 40
3.1 时间剖分编码的提出 40
3.2 单尺度时间剖分编码模型 43
3.3 多尺度时间剖分编码模型 45
3.4 时间跨度编码 57
3.5 时间剖分编码计算方法 59
3.6 时间剖分编码应用方法 60
3.7 本章小结 64
第4章 时空四维剖分编码与数据建模 65
4.1 时空对象 65
4.2 时空剖分网格与编码 69
4.3 时空对象建模 82
4.4 时空剖分编码生成与解码试验 85
4.5 本章小结 89
第5章 地球剖分时空数据库体系架构 90
5.1 经典数据库系统 90
5.2 分布式数据库系统 91
5.3 云数据库系统 95
5.4 地球剖分时空数据库架构 97
5.5 本章小结 100
第6章 地球剖分时空数据库存储结构 101
6.1 典型数据库存储结构 101
6.2 地球剖分时空数据库存储结构 107
6.3 基于时空网格的数据重分布机制 111
6.4 本章小结 113
第7章 地球剖分时空数据库索引模型 114
7.1 空间数据库索引 114
7.2 时空数据库索引 120
7.3 地球剖分时空索引模型 122
7.4 地球剖分时空索引构建与维护 126
7.5 本章小结 128
第8章 地球剖分时空数据库时空关系计算 129
8.1 空间关系计算 129
8.2 时间关系计算 141
8.3 空间分析计算 144
8.4 时空网格体元关系计算 152
8.5 时空网格体元关系计算试验 153
8.6 本章小结 156
第9章 地球剖分时空数据库查询策略 157
9.1 网格并行化处理策略 157
9.2 时空范围查询策略 158
9.3 KNN查询 162
9.4 本章小结 167
第10章 地球剖分时空引擎原型及试验 168
10.1 地球剖分时空引擎原型设计 168
10.2 时空数据加载试验 174
10.3 全局数据划分试验 175
10.4 时空数据部署试验 176
10.5 时空查询与分析试验 179
10.6 时空统计生成试验 185
10.7 时空伴随模式挖掘试验 187
10.8 本章小结 191
参考文献 192
图目录
图2.1 GeoSOT剖分网格的虚拟扩展示意图 13
图2.2 GeoSOT剖分的第0～第3级“度”级网格 14
图2.3 GeoSOT剖分的第10～第15级“分”级网格 15
图2.4 GeoSOT剖分的第16～第21级“秒”级网格 15
图2.5 GeoSOT两极地区剖分示意图 17
图2.6 GeoSOT-3D立体网格剖分 18
图2.7 地球立体空间 19
图2.8 基于经纬度坐标的地球立体空间 19
图2.9 GeoSOT-3D剖分0级网格 20
图2.10 GeoSOT-3D剖分1级网格立体视图（a）和顶视图（b） 20
图2.11 GeoSOT-3D剖分1级网格实际形状 21
图2.12 GeoSOT-3D剖分2级网格立体视图（a）和顶视图（b） 22
图2.13 GeoSOT-3D剖分2级部分网格实际形状 23
图2.14 GeoSOT-3D剖分3级网格立体视图（a）和顶视图（b） 23
图2.15 GeoSOT-3D剖分3级部分网格实际形状 24
图2.16 GeoSOT-3D剖分4级网格立体视图（a）和顶视图（b） 25
图2.17 GeoSOT-3D剖分4级部分网格实际形状 25
图2.18 GeoSOT-3D剖分5级网格立体视图（a）和顶视图（b） 26
图2.19 GeoSOT-3D剖分6级网格立体视图（a）和顶视图（b） 26
图2.20 GeoSOT-3D剖分6级部分网格实际形状 27
图2.21 GeoSOT剖分7级网格立体视图（a）和顶视图（b） 27
图2.22 GeoSOT-3D剖分7级部分网格实际形状 28
图2.23 GeoSOT-3D9级体块扩展示意图 29
图2.24 非等距高程地球立体空间及高度域网格粒度关系示意图 31
图2.25 GeoSOT剖分框架的四种编码形式 35
图2.26 三维填充Z序曲线及其顶视图 35
图2.27 二进制一维编码方案构成 36
图2.28 GeoSOT-3D二进制三维编码 36
图2.29 GeoSOT剖分框架编码间的转换 37
图2.30 GeoSOT剖分框架编码与坐标系统间的转换关系 38
图3.1 时间剖分编码模型总体架构 42
图3.2 单尺度时间剖分编码结构示意图 43
图目录
图2.1 GeoSOT剖分网格的虚拟扩展示意图 13
图2.2 GeoSOT剖分的第0～第3级“度”级网格 14
图2.3 GeoSOT剖分的第10～第15级“分”级网格 15
图2.4 GeoSOT剖分的第16～第21级“秒”级网格 15
图2.5 GeoSOT两极地区剖分示意图 17
图2.6 GeoSOT-3D立体网格剖分 18
图2.7 地球立体空间 19
图2.8 基于经纬度坐标的地球立体空间 19
图2.9 GeoSOT-3D剖分0级网格 20
图2.10 GeoSOT-3D剖分1级网格立体视图（a）和顶视图（b） 20
图2.11 GeoSOT-3D剖分1级网格实际形状 21
图2.12 GeoSOT-3D剖分2级网格立体视图（a）和顶视图（b） 22
图2.13 GeoSOT-3D剖分2级部分网格实际形状 23
图2.14 GeoSOT-3D剖分3级网格立体视图（a）和顶视图（b） 23
图2.15 GeoSOT-3D剖分3级部分网格实际形状 24
图2.16 GeoSOT-3D剖分4级网格立体视图（a）和顶视图（b） 25
图2.17 GeoSOT-3D剖分4级部分网格实际形状 25
图2.18 GeoSOT-3D剖分5级网格立体视图（a）和顶视图（b） 26
图2.19 GeoSOT-3D剖分6级网格立体视图（a）和顶视图（b） 26
图2.20 GeoSOT-3D剖分6级部分网格实际形状 27
图2.21 GeoSOT剖分7级网格立体视图（a）和顶视图（b） 27
图2.22 GeoSOT-3D剖分7级部分网格实际形状 28
图2.23 GeoSOT-3D9级体块扩展示意图 29
图2.24 非等距高程地球立体空间及高度域网格粒度关系示意图 31
图2.25 GeoSOT剖分框架的四种编码形式 35
图2.26 三维填充Z序曲线及其顶视图 35
图2.27 二进制一维编码方案构成 36
图2.28 GeoSOT-3D二进制三维编码 36
图2.29 GeoSOT剖分框架编码间的转换 37
图2.30 GeoSOT剖分框架编码与坐标系统间的转换关系 38
图3.1 时间剖分编码模型总体架构 42
图3.2 单尺度时间剖分编码结构示意图 43
图6.1 基于关系型数据库的时空数据存储管理系统分类 101
图6.2 基于数据模型的NoSQL 数据库系统分类 104
图6.3 不同子划分单元上数据访问频率分布示例 109
图7.1 R树索引结构 114
图7.2 分布式存储系统中名称节点与数据节点 115
图7.3 二维与三维Z阶曲线 117
图7.4 Geohash两种常见的编码形式 118
图7.5 二维与三维Hilbert曲线 119
图7.6 S2值生成流程 120
图7.7 地球剖分网格两级索引结构 123
图7.8 空间域四叉树划分的不均衡现象（θ=5） 124
图7.9 索引键结构 126
图7.10 基于MapReduce的时空网格索引并行构建 127
图8.1 两种不同的空间关系示意图 129
图8.2 网格膨胀结果示意图 130
图8.3 两个实体的Voronoi边界终止情形示意图 131
图8.4 两个实体对象的球面Voronoi计算结果图 132
图8.5 含有空洞的对象Voronoi图 133
图8.6 实体之间相离关系的四种情形 134
图8.7 实体之间相接关系的三种情形 135
图8.8 实体之间相交关系的四种情形 135
图8.9 实体之间包含关系的四种情形 136
图8.10 膨胀路径逆向追溯的过程图 138
图8.11 两个实体形心之间的方位关系示意图 139
图8.12 边界的方位分类模板示意图 139
图8.13 实体对象的方位关系判断方法示意图 140
图8.14 实体对象的方位关系定量计算方法示意图 140
图8.15 Allen提出的13种时态关系 141
图8.16 剖分体元集合缓冲区网格分析流程图 144
图8.17 剖分多路径原理示意图 146
图8.18 空间叠加运算示意图 147
图8.19 剖分体元间并运算流程图 147
图8.20 剖分体元集合间交运算流程图 148
图8.21 剖分体元集合间并运算流程图 148
图8.22 地理空间与剖分空间各层级网格数量对比图 149
图8.23 空间数据的剖分表达效果图 150
图8.24 剖分数据的绘制过程示意图 151
图8.25 剖分数据绘制的屏幕分辨率转换示意图 152
图8.26 基于不同形式编码的包含关系判断 154
图8.27 基于不同形式编码的邻域关系判断 155
图9.1 查询条件转换的一般过程 159
图9.2 时空范围查询条件的分解与合并示例 161
图9.3 并行化时空范围查询 161
图9.4 时空KNN查询区域扩展 164
图10.1 GeoSOT-STDOM系统架构与功能模块 168
图10.2 基于GeoSOT-STDOM的多源异构数据集成组织 169
图10.3 数据剖分预处理步骤 170
图10.4 物理视图 171
图10.5 GeoSOT-STDOM两层索引结构 172
图10.6 GeoSOT-STDOM的数据分布示例 172
图10.7 GeoSOT-STDOM的查询处理流程 173
图10.8 数据入库试验结果示意图 175
图10.9 全局划分数据分布 176
图10.10 集群节点层数据的访问时间分布 177
图10.11 集群节点层数据的访问时间分布标准差 178
图10.12 集群节点层的数据量分布 178
图10.13 不同方法范围查询的耗时对比 180
图10.14 不同方法范围查询的候选集对比 181
图10.15 层级对查询优化效果的影响 182
图10.16 查询优化对比结果 184
图10.17 集群规模对时空范围查询的影响 184
图10.18 基于GeoSOT-STDOM 热力图生成流程 185
图10.19 热力图生成应用示例 186
图10.20 FP树的构造 189
图10.21 船舶伴随模式挖掘应用示例 190
表目录
表2.1 中国国家基本比例尺图幅网格分析 11
表2.2 中国国家基本比例尺图幅网格的聚合情况 11
表2.3 中国国家地理网格的经纬度网格分析 11
表2.4 中国国家地理网格的经纬度网格的聚合情况 12
表2.5 两极地区网格形状一览表 16
表2.6 GeoSOT网格特性统计表 17
表2.7 GeoSOT-3D剖分1级网格编码一览表 21
表2.8 GeoSOT-3D等距高程网格及纵向粒度（地上） 29
表2.9 GeoSOT-3D非等距高程网格及纵向粒度（地上） 33
表3.1 时间单位符号说明 42
表3.2 单尺度时间剖分编码示例（2014-05-11T10:21:50.000002） 43
表3.3 优化后的单尺度时间剖分编码示例（2014-05-11T10:21:50.000002） 46
表3.4 时间剖分编码符号说明 49
表3.5 时间跨度编码示例（10年5个月11天10小时21分钟50秒） 58
表4.1 STCode各层级时间剖分网格大小 68
表4.2 地理实体基本类型的语义描述 69
表4.3 GeoSOT-ST时空剖分域的虚拟扩展 72
表4.4 GeoSOT-ST各层级时空剖分网格大小 74
表4.5 GeoSOT-ST时空剖分网格二进制一维编码生成算法 76
表4.6 GeoSOT-ST时空剖分网格二进制一维编码的解码算法 77
表4.7 Base64编码表 81
表4.8 编码时间 87
表4.9 解码时间 87
表6.1 目前主流的NoSQL 数据库分类对比 105
表6.2 基于差异访问模式的子划分聚类算法 110
表6.3 物理映射表 111
表7.1 Geohash不同分段级别（1～12级）的精度 116
表7.2 全局划分分区映射表 125
表7.3 局部时空索引构建的Map 算法 127
表8.1 逆向追溯膨胀路径算法步骤 137
表8.2 编码tcA与tcB时态关系（LA=LB） 142
表8.3 编码tcA与tcB时态关系（LA>LB） 143
表8.4 编码tcA与tcB时态关系（LA<LB） 143
表8.5 地理空间各层级真实网格数量统计表 149
表8.6 GeoSOT-ST时空剖分网格单元的包含关系计算算法 152
表8.7 GeoSOT-ST时空剖分网格单元的邻域关系计算算法 153
表8.8 包含关系判断时间 154
表8.9 邻域关系判断时间 155
表9.1 基于MapReduce的时空范围查询算法 162
表9.2 时空KNN查询算法 166
表10.1 逻辑视图 170
表10.2 原始数据集格式 174
表10.3 全局数据划分试验（r=1%） 176
表10.4 数据集D1的时空范围查询 179
表10.5 层级选择的影响（selectivity=10%） 183
表10.6 查询窗口尺度与最佳层级的查询网格尺度 183
表10.7 时空网格轨迹序列表 188
表10.8 时空网格索引表 188
表10.9 频繁1-项集及对应项的支持度统计 189
京公网安备 11010102004214号