CN101710330A - 时间空间混合数据结构及其构建方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种时间空间混合数据结构，包括：若干四叉树结构和一个时间列表，时间列表包括若干时间节点，每一时间节点对应一四叉树结构，每一时间节点按照时间顺序排列。每个四叉树结构包括若干层，每一层上设置若干空间节点，每个空间节点保存着对应地理位置信息。本发明的时间空间混合数据结构能够满足时/空信息系统的发展需求，实现“时/空信息系统”的工程化、产品化开发，加快时/空信息系统的在各个行业的推广应用。

Description

时间空间混合数据结构及其构建方法和系统

技术领域

本发明涉及一种数据结构及其构建方法和系统，尤其涉及一种时间空间混合的数据结构及其构建方法和系统。

背景技术

人类通过地图感知全局，获取信息。地图伴随着人类社会发展走过了漫长的历程，人类使用地理空间信息经历了：古地图→纸质地图→电子地图→地理信息系统→空间信息系统→时空信息系统等阶段。

近年来，随着“数字地球”概念的提出，空间信息技术迅猛发展。“数字地球”是以真实地理空间数据为基础，对现实世界进行数字化，利用计算机技术形成虚拟三维地球。创建“数字地球”的核心技术主要有地球模型等。“数字地球”系统的出现是地理信息系统、空间信息系统发展的最新阶段，以“数字地球”为平台进行开发应用的潜力和前景巨大。

目前，在国内外地球空间信息技术领域中已很好地解决了地理空间数据结构的设计和应用。在现有空间信息系统中，空间数据结构普遍采用四叉树结构，一个空间信息系统中包括一个整体呈金字塔状四叉树结构，四叉树结构将整个图形区域按照四个象限递归分割成2n×2n象元阵列，其将一个2×2图像分解成大小相等的四部分，每一部分又分解成大小相等的四部分，就这样一直分解下去，一直分解到正方形的大小正好与象元的大小相等为止，即逐步分解为包含单一类型的方形区域。

如图1所示，其为现有空间数据的四叉树结构的单层结构示意图。节点10分解成节点10a、10b、10c、10d四个节点，其中，每个节点10a、10b、10c、10d还可继续向下分别分解成四个节点。在四叉树中，同一层次(深度)的节点位置信息和空间地理信息具有一一对应的关系，节点位置表达了地理属性；节点在树中的层次(深度)信息表达了空间数据的分辨率信息，和空间数据分辨率具有一一对应的关系。换句话说，四叉树每一层都是地理属性的复制，层与层之间实现了空间数据的不同分辨率的差异性。节点本身则保存着对应地理位置的对应空间分辨率的影像数据块、高程数据块、矢量数据块和节点的一些属性信息。

空间数据具有地理属性和空间分辨率属性，具有三维的特性，四叉树结构正好完美且有效地实现了与空间数据的这种特征的统一。但是，现有空间信息系统中，每个空间信息系统仅包括一个四叉树结构，只能展现某一特定时间下的地球空间信息，而随着人们对“数字地球”应用需求的提高和信息处理技术的发展，仅有二维、三维的“数字地球”系统平台不能满足需要有时间属性的各类应用，例如，有些时候，人们希望通过查询地图获得十年前某一地理位置的名称，或某一地理位置若干年前的地理状态等，这就需要构建具有时间维的时/空信息系统，但现有的空间数据结构不能满足时/空信息系统的需要，因此，对现有“数字地球”的数据结构进行重新设计，在现有空间数据结构中添加时间数据，设计一种时间空间混合数据结构迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种时间空间混合数据结构，以解决现有空间数据结构不能满足时/空信息系统应用需求的技术问题。

本发明的另一目的在于提供一种时间空间混合数据结构构建方法，以解决现有空间数据结构不能满足时/空信息系统发展需求的技术问题。

本发明的又一目的在于提供一种时间空间混合数据结构构建系统，以解决现有空间数据结构不能满足时/空信息系统应用需求的技术问题。

为达到上述目的，本发明提供一种时间空间混合数据结构，包括：若干四叉树结构和一个时间列表，其中，

时间列表包括若干时间节点，每一时间节点对应一四叉树结构，每一时间节点按照时间顺序排列；

每个四叉树结构包括若干层，每一层上设置若干空间节点，每个空间节点保存着对应地理位置信息。

依照本发明较佳实施例所述的时间空间混合数据结构，该时间空间混合数据结构中的时间节点是以帧结构进行存储的，空间节点也是以帧结构进行存储的，帧结构中包含有文件头信息、时间信息、空间信息和文件尾信息，文件头信息、时间信息、空间信息和文件尾信息按照预先设定的规则分配存储空间。

本发明还提供一种时/空信息系统，包括：

数据库，用于存储包含权利要求1的时间空间混合数据结构；

搜索单元，用于通过时间信息和位置信息从数据库中找到对应的节点信息。

本发明还提供一种时/空信息系统中时间空间混合数据结构构建方法，包括以下步骤：

(1)定义基本元数据结构和基本文件格式的数据结构，包括定义地理点，地理矩形，坐标系和栅格文件、矢量文件以及时间空间混合数据结构的基本数据结构；

(2)导入带有时间信息的栅格数据，提取栅格数据中的时间信息，并按照步骤(1)定义的数据结构对提取后的栅格数据进行统一交换数据格式，生成栅格文件；

(3)导入带有时间信息的矢量数据，提取矢量数据中的时间信息，并按照步骤(1)定义的数据结构对提取后的矢量数据进行统一交换数据格式，生成矢量文件；

(4)导入已有时空混合数据文件；

(5)将栅格文件、矢量文件和已有时空混合数据文件按照步骤(1)定义的数据结构进行处理，生成时间空间混合数据结构。

依照本发明较佳实施例所述的构建方法，步骤(5)还包括：输入时间信息和地理坐标空间信息，为栅格文件、矢量文件分别按步骤(2)和步骤(3)提取出的时间信息打时间戳。

依照本发明较佳实施例所述的构建方法，时间空间混合数据结构采用单台计算机串行处理构建，其中，步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)执行顺序可互换。

依照本发明较佳实施例所述的构建方法，时间空间混合数据结构采用网络多台计算机并行处理构建，其中，步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)由不同的计算机同时处理。

本发明又提供一种时/空信息系统中时间空间混合数据结构构建系统，包括：

基本数据结构定义单元：用于定义基本元数据结构和基本文件格式的数据结构，具体包括定义地理点，地理矩形，坐标系和栅格文件、矢量文件以及时间空间混合数据结构的基本数据结构；

栅格文件处理单元：与基本数据结构定义单元连接，用于处理带有时间信息的栅格数据，统一交换栅格数据类型格式，生成栅格文件；

矢量文件处理单元：与基本数据结构定义单元连接，用于处理带有时间信息的矢量数据，统一交换矢量数据类型格式，生成矢量文件；

已有时空混合数据文件处理单元：用于读取已有的时空混合数据文件；

时间空间混合数据结构创建单元：用于对栅格文件、矢量文件和已有时空混合数据文件按照基本数据结构定义单元定义的数据结构进行处理，生成时间空间混合数据结构；

以及一辅助控件包：用于提取带有时间信息的栅格数据和带有时间信息的矢量数据中的时间信息，并与时间空间混合数据结构创建单元连接，在创建时间空间混合数据结构时，按照提取的时间信息给栅格文件和矢量文件打时间戳。

依照本发明较佳实施例所述的系统，其栅格文件处理单元进一步包括：

栅格文件创建子单元：与辅助控件包连接，用于导入带有时间信息的栅格数据，通过辅助控件包提取栅格数据中的时间信息，创建栅格数据；

栅格文件定义子单元：用于对提取完时间信息的栅格数据按照基本数据结构定义单元定义的数据结构统一交换数据格式，生成栅格文件；

栅格文件读取子单元：用于读取栅格文件，并将栅格文件发送至时间空间混合数据结构创建单元。

依照本发明较佳实施例所述的系统，其矢量文件处理单元进一步包括：

矢量文件创建子单元：与辅助控件包连接，用于导入带有时间信息的矢量数据，通过辅助控件包提取矢量数据中的时间信息，创建矢量数据；

矢量文件定义子单元：用于对提取完时间信息的矢量数据按照基本数据结构定义单元定义的数据结构统一交换数据格式，生成矢量文件；

矢量文件读取子单元：用于读取矢量文件，并将矢量文件发送至时间空间混合数据结构创建单元。

本发明对现有“数字地球”的数据结构进行了重新设计，在现有空间数据结构中加入了时间数据，通过本发明的时间空间混合数据结构可以构建具有时间维的时/空信息系统，人们通过查询地图可获得任意时间下的空间信息，使“数字地球”能够满足需要有时间属性的各类应用。本发明能够满足时/空信息系统的发展需求，实现“时/空信息系统”的产品化开发，加快时/空信息系统的在各个行业的推广应用。

附图说明

图1为现有空间数据的四叉树结构的单层结构示意图；

图2为本发明时间空间混合数据结构的单层局部结构示意图；

图3为本发明时间空间混合数据结构构建系统的结构原理图；

图4为本发明时间空间混合数据结构构建系统的栅格文件处理单元的结构原理图；

图5为本发明时间空间混合数据结构构建系统的矢量文件处理单元的结构原理图；

图6为本发明时间空间混合数据结构构建方法的原理流程图。

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明。

请参阅图2，其为本发明时间空间混合数据结构的单层局部结构示意图。该时间空间混合数据结构包括：多个四叉树结构20和一个时间列表30，其中，时间列表30包括多个时间节点：时间1、时间2、......时间n，每一时间节点对应一四叉树结构，每一时间节点按照时间顺序排列。四叉树结构20的空间节点201进一步分解为空间节点201a、201b、201c和201d，每个空间节点保存着对应地理位置信息。

在本实例中，仅给出四叉树结构20的单层结构，但是由上述对四叉树结构的介绍可知，每个四叉树结构包括若干层，每一层上设置若干空间节点，因此，四叉树结构20还可向上、向下逐步扩展延伸，在此不再赘述。

上述的时间空间混合数据结构中的时间节点是以帧结构进行存储的，空间节点也是以帧结构进行存储的，帧结构中包含有文件头信息、时间信息、时间信息、空间信息和文件尾信息，文件头信息、时间信息、空间信息和文件尾信息按照预先设定的规则分配存储空间。

请参阅图3至图5，一种时/空信息系统中时间空间混合数据结构构建系统，包括：

基本数据结构定义单元40，用于定义基本元数据结构和基本文件格式的数据结构。如定义地理点，地理矩形，坐标系和栅格文件、矢量文件以及时间空间混合数据结构的基本数据结构。

栅格文件处理单元50：与基本数据结构定义单元40连接，用于处理遥感影像、高程数据、标记图像等带有时间信息的栅格数据，统一交换栅格数据类型格式，生成栅格文件，其进一步包括：

栅格文件创建子单元501：与辅助控件包90连接，用于导入带有时间信息的各种栅格数据，通过辅助控件包90提取栅格数据中的时间信息，创建栅格数据；

栅格文件定义子单元502：用于对提取完时间信息的栅格数据按照基本数据结构定义单元40定义的数据结构统一交换数据格式，生成栅格文件；

栅格文件读取子单元503：用于读取栅格文件，并将栅格文件发送至时间空间混合数据结构创建单元80。

矢量文件处理单元60：与基本数据结构定义单元40连接，用于处理带有时间信息的矢量数据，统一交换矢量数据类型格式，生成矢量文件，其进一步包括：

矢量文件创建子单元601：与辅助控件包90连接，用于导入带有时间信息的矢量数据，通过辅助控件包90提取矢量数据中的时间信息，创建矢量数据；

矢量文件定义子单元602：用于对提取完时间信息的矢量数据按照基本数据结构定义单元40定义的数据结构统一交换数据格式，生成矢量文件；

矢量文件读取子单元603：用于读取矢量文件，并将矢量文件发送至时间空间混合数据结构创建单元80。

已有时空混合数据文件处理单元70：用于读取已有的时空混合数据文件；

时间空间混合数据结构创建单元80：用于对栅格文件、矢量文件和已有时空混合数据文件按照基本数据结构定义单元40定义的数据结构进行处理，生成时间空间混合数据结构；

辅助控件包90：用于提取带有时间信息的栅格数据和带有时间信息的矢量数据中的时间信息，并与时间空间混合数据结构创建单元80连接，在创建时间空间混合数据结构时，按照提取的时间信息给栅格文件和矢量文件打时间戳。

在本实例中，辅助控件包90中可包括时间编辑控件和地理坐标控件等，时间编辑控件用于提取带有时间信息的栅格数据和带有时间信息的矢量数据中的时间信息，并按照提取的时间信息给栅格文件和矢量文件打时间戳。地理坐标控件用于输入地理坐标空间信息，以提供基本的字典服务，如根据坐标系数值获取坐标系的名称等。但是，需要说明的是，本发明并不限定辅助控件包90中包含的具体控件，例如，其还可包括PropertyGrid的MFC版控件等，实际应用中采用的控件可根据需要进行选择，本发明并不加以限定。

请参阅图6，一种时/空信息系统中时间空间混合数据结构构建方法，包括以下步骤：

S11：定义基本元数据结构和基本文件格式的数据结构。具体包括：

定义地理点，地理矩形，坐标系和栅格文件、矢量文件以及时间空间混合数据结构的基本数据结构。

S12：导入带有时间信息的栅格数据，提取栅格数据中的时间信息，并按照步骤S11定义的数据结构对提取后的栅格数据进行统一交换数据格式，生成栅格文件。

S13：导入带有时间信息的矢量数据，提取矢量数据中的时间信息，并按照步骤S11定义的数据结构对提取后的矢量数据进行统一交换数据格式，生成矢量文件。

S14：导入已有时空混合数据文件。

S15：将栅格文件、矢量文件和已有时空混合数据文件按照步骤S11定义的数据结构进行处理，生成时间空间混合数据结构。

该步骤还包括：输入时间信息和地理坐标空间信息，为栅格文件、矢量文件分别按步骤S12和步骤S13提取出的时间信息打时间戳。

该步骤中，创建过程中按照空间数据等级进行分块压缩，计算空间位置点写入到时间空间混合数据结构之中，创建基本节点，依次循环，完成整个数据结构的创建。其中，基本节点数据块的创建过程为：

首先根据空间四叉数计算其空间节点位置；然后判断此节点是否存在父节点，如果不存在父节点，说明此节点是无效孤立数据节点，则放弃该节点；否则，如果存在父节点，则继续判断是否存在多时间节点，如果存在多时间节点，建立时间节点关联关系，并判断是否存在下级节点；若不存在多时间节点或下级节点，则创建完成，直接写入数据。对于存在下级节点的节点，先创建上下级节点关联关系，然后再写入节点数据。

在上述的方法中，步骤S12、S13、S14还分别包括：导入数据后，检查是否有新的待处理的数据，如果有便导入新的数据，没有则继续向下进行。

本发明的上述方法既可以采用单台计算机工作的串行流程也可以采用网络多台计算机工作的并行流程。当采用单台计算机串行处理进行构建时间空间混合数据结构时，步骤S12、S13、S14的执行顺序可以互换；当采用网络多台计算机进行并行处理时，步骤S12、S13、S14可分别由不同的计算机同机同时处理，再将分布处理后的结果进行合并，以提高时效性。

除上述的单台计算机工作的串行流程和网络多台计算机工作的并行流程外，本发明还可以采用增量工作方式创建时间空间混合数据结构。增量工作方式分为空间增量和时间增量两类：

空间增量：是将需要的创建的地理空间范围，按区域进行划分，逐步递增完成创建时间空间混合数据结构；

时间增量：是将需要的创建的地理空间范围不同时间的数据，按时间进行划分，逐步递增完成创建时间空间混合数据结构。

增量工作方式是一种适合于需要做特大区域，如全球范围的时空信息系统，而又一次做不完或不需要一次做完的情况下采用的工作方式。另外，采用增量工作方式可以在已有的时间空间混合数据结构的基础上增加时间或空间信息以扩展已有数据结构，可有效地减少工作量。通常，增量工作方式应在网络环境中完成创建工作。

基于前述的时间空间混合数据结构，本发明还提供一种时/空信息系统，包括：数据库和搜索单元，数据库用于存储包含前述的时间空间混合数据结构。搜索单元用于通过时间信息和位置信息从数据库中找到对应的节点信息。

通过本发明的时间空间混合数据结构可以构建具有时间维的时/空信息系统，人们通过查询地图可获得任意时间下的空间信息，使“数字地球”能够满足需要有时间属性的各类应用。以下以“数字地球”为例，介绍在基于本发明的时间空间混合数据结构构建的时/空信息系统中进行空间及时间搜索的过程。其中，

空间搜索的过程为：

当用户将三维地球拖动、缩放到特定等级和区域时，搜索单元获取与此区域相关的上级时空数据块位置，到数据库中调用相应数据块的信息，然后判断此数据块的是否已经满足系统所需要调用的等级要求；如果是，则停止调用，否则再判断此数据块是否具备下级节点；如果不具备下级节点，则数据调用到此结束；否则，将当前显示范围与所有的四个下级节点空间进行比较，获取与显示范围相关的节点数据块位置。依次循环，直到满足系统所需要的等级要求或者数据中已经不具备下级节点信息。

时间搜索的过程为：

任一节点的数据块都具备本节点所控制的时间范围，新时间兄弟节点，旧时间兄弟节点等信息。用户在显示某一区域特定时间的信息后，如用户需要更改其相应的时间信息，其执行过程如下：搜索单元到数据库中调用相应数据块的信息，从数据块中获取本节点的信息后，将当前节点的时间信息与用户更改的时间点的信息进行比较，如果用户更改的时间点比当前节点新，则获取当前节点的新时间兄弟节点位置；如果用户更改的时间点比当前节点老，则获取当前节点的老时间兄弟节点位置；确定位置后，读取相应节点数据块信息，如果用户所设定的时间节点位于此节点所控制是范围值内，但是不是用户当前所设定的时间，判断当前节点是否满足用户的等级要求，如果满足的话，则停止调用；否则，调用此节点的下一级节点，重复以上数据调用的过程，直至满足用户所设定的要求。

本发明对现有“数字地球”的数据结构进行了重新设计，在现有空间数据结构中加入了时间数据，通过本发明的时间空间混合数据结构可以构建具有时间维的时/空信息系统，人们通过查询地图可获得任意时间下的空间信息，使“数字地球”能够满足需要有时间属性的各类应用。本发明能够满足时/空信息系统的发展需求，实现“时/空信息系统”的产品化开发，加快时/空信息系统的在各个行业的推广应用。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种时间空间混合数据结构，其特征在于，包括：若干四叉树结构和一个时间列表，其中，

所述时间列表包括若干时间节点，每一时间节点对应一四叉树结构，每一时间节点按照时间顺序排列；

所述每个四叉树结构包括若干层，每一层上设置若干空间节点，每个空间节点保存着对应地理位置信息。

2.如权利要求1所述的时间空间混合数据结构，其特征在于，所述时间空间混合数据结构中的时间节点是以帧结构进行存储的，空间节点也是以帧结构进行存储的，帧结构中包含有文件头信息、时间信息、空间信息和文件尾信息，所述文件头信息、时间信息、空间信息和文件尾信息按照预先设定的规则分配存储空间。

3.一种时/空信息系统，其特征在于，包括：

数据库，用于存储包含权利要求1的时间空间混合数据结构；

搜索单元，用于通过时间信息和位置信息从数据库中找到对应的节点信息。

4.一种时/空信息系统中时间空间混合数据结构构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)定义基本元数据结构和基本文件格式的数据结构，包括定义地理点，地理矩形，坐标系和栅格文件、矢量文件以及时间空间混合数据结构的基本数据结构；

(2)导入带有时间信息的栅格数据，提取所述栅格数据中的时间信息，并按照步骤(1)定义的数据结构对提取后的栅格数据进行统一交换数据格式，生成栅格文件；

(3)导入带有时间信息的矢量数据，提取所述矢量数据中的时间信息，并按照步骤(1)定义的数据结构对提取后的矢量数据进行统一交换数据格式，生成矢量文件；

(4)导入已有时空混合数据文件；

(5)将所述栅格文件、矢量文件和已有时空混合数据文件按照步骤(1)定义的数据结构进行处理，生成时间空间混合数据结构。

5.如权利要求4所述的构建方法，其特征在于，所述步骤(5)还包括：输入时间信息和地理坐标空间信息，为所述栅格文件、矢量文件分别按步骤(2)和步骤(3)提取出的时间信息打时间戳。

6.如权利要求4所述的构建方法，其特征在于，所述时间空间混合数据结构采用单台计算机串行处理构建，其中，步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)执行顺序可互换。

7.如权利要求4所述的构建方法，其特征在于，所述时间空间混合数据结构采用网络多台计算机并行处理构建，其中，步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)由不同的计算机同时处理。

8.一种时/空信息系统中时间空间混合数据结构构建系统，其特征在于，包括：

基本数据结构定义单元：用于定义基本元数据结构和基本文件格式的数据结构，具体包括定义地理点，地理矩形，坐标系和栅格文件、矢量文件以及时间空间混合数据结构的基本数据结构；

栅格文件处理单元：与所述基本数据结构定义单元连接，用于处理带有时间信息的栅格数据，统一交换栅格数据类型格式，生成栅格文件；

矢量文件处理单元：与所述基本数据结构定义单元连接，用于处理带有时间信息的矢量数据，统一交换矢量数据类型格式，生成矢量文件；

已有时空混合数据文件处理单元：用于读取已有的时空混合数据文件；

时间空间混合数据结构创建单元：用于对所述栅格文件、矢量文件和已有时空混合数据文件按照基本数据结构定义单元定义的数据结构进行处理，生成时间空间混合数据结构；

以及一辅助控件包：用于提取所述带有时间信息的栅格数据和带有时间信息的矢量数据中的时间信息，并与所述时间空间混合数据结构创建单元连接，在创建时间空间混合数据结构时，按照提取的时间信息给所述栅格文件和矢量文件打时间戳。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述栅格文件处理单元进一步包括：

栅格文件创建子单元：与所述辅助控件包连接，用于导入带有时间信息的栅格数据，通过所述辅助控件包提取所述栅格数据中的时间信息，创建栅格数据；

栅格文件定义子单元：用于对提取完时间信息的栅格数据按照所述基本数据结构定义单元定义的数据结构统一交换数据格式，生成栅格文件；

栅格文件读取子单元：用于读取所述栅格文件，并将所述栅格文件发送至所述时间空间混合数据结构创建单元。

10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述矢量文件处理单元进一步包括：

矢量文件创建子单元：与所述辅助控件包连接，用于导入带有时间信息的矢量数据，通过所述辅助控件包提取所述矢量数据中的时间信息，创建矢量数据；

矢量文件定义子单元：用于对提取完时间信息的矢量数据按照所述基本数据结构定义单元定义的数据结构统一交换数据格式，生成矢量文件；

矢量文件读取子单元：用于读取所述矢量文件，并将所述矢量文件发送至所述时间空间混合数据结构创建单元。

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