CN104167021A - 一种基于地球空间立体剖分的空间目标索引方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地球空间立体剖分的目标索引方法，能够解决八叉树索引冗余多、R-树索引插入删除过程复杂的问题，从而实现对空间数据的高效快捷管理。首先对地球及其外层空间进行三维立体剖分；构建以八叉树为主枝并嫁接R-树的混合索引结构；插入空间体X时，找到完全包含该空间体X的、最小的体块Y，如果空间体X与体块Y的空间尺度比大于或等于一设定阈值T，则将空间体X记录到体块Y对应的八叉树节点中，否则，记录到嫁接于体块Y对应的八叉树节点的R-树上；检索时，根据检索范围RC在SR-树中进行检索，查找出所有与给定检索范围RC相交的空间范围体，并最终定位检索的空间体。

Description

一种基于地球空间立体剖分的空间目标索引方法

技术领域

本发明涉及地球空间信息组织、空间数据管理、空间索引技术领域，具体涉及一种地球空间立体剖分网格的构建和基于立体剖分的目标索引方法。

背景技术

随着地球空间信息学的发展，地理空间信息获取与更新从传统的2维、2.5维向真3维的方向大幅度迈进，空间信息的应用领域也从传统的地理、海洋、环境等专业学科领域扩展到更加广阔的地球系统科学领域。另外，数据获取手段的不断成熟和发展，使得空间大数据的雏形逐渐显现，并引起了产业界、科技界和政府部门的高度关注。空间大数据以其海量的数据容量和多源、多尺度、多形态、多时态的特性对传统数据组织方式提出了较高的要求，如何能够在现有基础上建立满足要求的未来空间异构大数据的高效组织与索引已经成为了一项非常重要的研究课题。

当前的地球剖分理论已针对组织和管理地球表面的空间信息取得了大量研究成果，但绝大多数研究成果仍局限于球面，难以反映空间信息本身的三维特性，只能处理地球表面的信息，不能处理整个立体空间的信息。在空间信息组织和表达时，需要将高度信息作为球面信息的属性来处理，较难满足全球三维空间一体化数据组织与建模的需求。

国内外针对空间索引的研究，特别是立体空间索引的研究主要集中在局部空间的八叉树索引、R-树索引等方面，缺乏全球一致的空间划分方式。而且，八叉树索引和R-树索引均具有其各自的问题，具体来说：

对于以四叉树为代表的网格索引(空间上拓展为八叉树)，其是一种基于刚性的空间划分的空间索引，其优点是较易实现，缺点是(1)大量目标及其最小外包范围的映射跨越多个网格，导致索引重复，存储量大大增加；(2)即使一些目标能够映射到单一网格中，也存在网格尺度与目标尺度差距过大的问题，导致索引的冗余较大；(3)索引的重复记录和冗余将直接导致区域查询效率较差。

对于R-树及其各种变体的索引形式，一直以来都是常用的空间数据组织形式，对于立体空间索引来说，记录信息较多，而R-树的主要问题是中间目录范围的大量重叠会导致查询路径的不唯一，严重影响其性能。

可见，在现有的常见的空间数据的索引中，单一索引往往都存在各式各样的问题，而混合索引的出现则能够帮助克服各单一索引的缺陷，解决各自存在的问题。QR-树是一种以四叉树Quadtree和R-树为基础的混合索引，其将整个索引空间划分成多级子索引空间，然后对每级的子索引空间均采用R-树进行索引。其实质是将一棵较大的R-树分解成多棵较小的R-树，从而减少索引空间重叠，提高查询性能。

但是QR-树索引结构均是在每个网格中都使用单一的R-树索引来对数据进行管理，这些索引虽然能够有效地改进四叉树索引的效率，但是没有考虑到空间实体本身的模型特点，同样存在一定的问题，即网格内部的R-树的插入、删除过程较为复杂，R-树的结构越复杂，层级越深，查询的效率可能会更高，但更新维护的工作量较大，极端情况甚至整个索引都需要重建。当需要做较多的更新操作时，索引结构实时都需要调整，效率大幅降低，所以简单地将网格与R-树结合构建的索引缺乏选择性，没有完全结合网格索引和R-树的特点，维护代价太大。

可见，八叉树索引冗余多、R-树索引插入删除过程复杂是亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明首先提出了传统球面网格在三维上的拓展，建立了全球一致的空间划分方式，基于该地球空间立体剖分提供了一种空间目标索引方法，能够解决八叉树索引冗余多、R-树索引插入删除过程复杂的问题，从而实现对空间数据的高效快捷管理，便于对空间数据的检索、插入和删除操作。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于地球空间立体剖分的目标索引方法，包括：

步骤1、对地球及其外层空间进行三维立体剖分：

将对地球表面按经纬维多层剖分获得的二维剖分面片沿高度维方向延展到地心和外层空间，得到面片柱；将面片柱按高度维剖分为多个柱段，每个柱段作为一个体块；对于第m层级的二维剖分面片，其对应的面片柱按照高度维进行均分获得2^m个体块，则一个第m剖分层级的体块由8个第m+1剖分层级的体块组成；

步骤2、构建以八叉树为主枝并嫁接R-树的混合索引结构，称为SR-树；八叉树的根节点对应第1剖分层级，则八叉树的第m层节点对应第m剖分层级的体块，每个八叉树节点上允许最多嫁接一棵R-树；

步骤3、插入空间体X时，找到完全包含该空间体的、最小的体块Y，如果空间体X与体块Y的空间尺度比大于或等于一设定阈值T，则将空间体X记录到体块Y对应的八叉树节点中，否则，在体块Y对应的八叉树节点所嫁接的R-树上记录空间体X，如果没有R-树则嫁接R-树后进行记录；

步骤4、检索时，根据检索范围RC在SR-树中进行检索，查找出所有与给定检索范围RC相交的空间体。

优选地，所述高度维为正高方向、正常高方向、力高方向、大地高方向或地心连线方向。

优选地，所述二维剖分采用GeoSOT剖分方案，体块的经纬维采用GeoSOT编码方案，高度维采用C₁C₂C₃...C_m-1C_m的编码方案，m为体块所在剖分层级，C_k＝0、1，k取值范围为1至m；经纬维编码和高度维编码共同构成了体块的三维编码；所述八叉树的每个节点对应块体的三维编码来标识。

优选地，插入空间体时，找到空间体的最小外包范围体，将最小外包范围体的标识记录到八叉树节点或R-树节点中，形成一条记录。

优选地，采用六个变量来定义一个最小外包范围体：半径r₁、半径r₂、经度α₁、经度α₂、纬度β₁、纬度β₂；其中，连接地球球心和经度为α₁、α₂的两条经线形成两个平面，连接地球球心和纬度为β₁、β₂的纬线形成两个平面，以地球球心为球心、r₁和r₂为半径构成两个球面，这六个面所包围形成的封闭空间块即为一个最小外包范围体。

优选地，所述空间尺度为空间体的最小外包范围体的|α₁-α₂|/360、|β₁-β₂|/180、|r₁-r₂|/(2^md)这三者的最大值，其中，m为最小外包范围体所在体块的剖分层级，d为最小外包范围体所在体块的高度维长度。

优选地，所述步骤3具体为：

S31、获得待插入空间体X的最小外包范围体，将SR-树的根节点作为当前节点；

S32、计算出待插入的最小外包范围体是否能够被完全包含在当前节点的某一个子节点中，如果是则将能够完全包含的子节点作为当前节点，继续S32的操作，否则转到S33；

S33、判断当前待插入的最小外包范围体的空间尺度相对于当前节点的空间尺度的比值是否大于或等于所述设定阈值T；如果是，则直接在当前节点中添加所述待插入的最小外包范围体的记录；否则，在当前节点所嫁接的R-树中添加记录。

优选地，所述步骤4具体为：

S41、给定检索范围RC：包括经度范围、纬度范围和高度范围；将SR-树的根节点作为当前节点；

S42、节点对应体块所占的空间范围称为节点的关联空间，判断当前节点的关联空间是否与检索范围RC相交；如果是，则在根节点及其R-树的记录中进行检索，找到与检索范围RC空间相交的最小外包范围体，加入检索结果；

S43、对于当前节点的每一子节点，比较其关联空间是否与检索范围RC相交，对于不相交的子节点，则将该子节点及其子树截断，不用继续往下查询；对于每个相交的子节点，将其作为当前节点按照S43的步骤进行节点及其R-树的检索；接下来继续比较下一级的子节点，直到叶节点为止；最终查找出所有与检索范围RC相交的最小外包范围体。

优选地，该方法进一步包括删除SR-树中某个空间体的记录，具体为：

1)获得SR-树根节点作为当前节点和待删除空间体的最小外包范围体；

2)如果当前节点是叶节点，则转到4)；如果是非叶节点，则进入3)；

3)节点对应体块所占的空间范围称为节点的关联空间，在当前节点的子节点的关联空间中查询完全包含待删除的最小外包范围体的节点，若能找到，则设能完全包含的子节点为当前节点并转到2)；否则，转到4)；

4)判断待删除的最小外包范围体相对于当前节点的空间尺度比是否大于或等于所述设定阈值T；如果是，则直接在当前节点中进行查找和删除操作；否则在当前节点嫁接的R-树中进行查找和删除操作。

有益效果：

(1)本发明提出了一种新型的地球立体空间的三维剖分方法和用于目标索引的SR-树，SR-树是基于对地球整体剖分的思想，基于地球立体网格而建立的数据组织框架。SR-树的模型借鉴了地球立体网格剖分的思想同时在每个网格内部采取了R-树的组织形式，通过八叉树和R-树混合索引结构，构建出新型空间索引模型SR-树来管理空间中的三维数据，也就是在八叉树网格索引的基础上，有选择地去向R-树插入记录。在网格内部，将不同的空间体分别对待，尽量使得网格内部达到平衡，从而实现了对于数据更新、查询的高效管理。

(2)二维剖分采用GeoSOT剖分编码方案，高度维采用C₁C₂C₃...C_m-1C_m的编码方案，这样构成的GeoSOT三维剖分编码能够做到各个方向一致，从而便于对空间体的后续处理；而且，SR-树的各节点中无需额外记录体块的空间位置，直接根据GeoSOT三维剖分编码就可以获得。

(3)本发明采用空间体的最小外包范围体来进行管理操作，最小外包范围体是规则的形体，按照经度、维度、高程进行划分，在进行空间对比时，容易处理，从而减小计算量。此外，本发明优选实施例中通过六个变量来定义一个最小外包范围体，使得管理工作更为简便，有效，数据表达更加简练。

(4)本发明的空间尺度采用经、纬、高的最大值作为比较基础，能够简单有效地范围最小外包范围体所占空间大小关系，且容易计算。

附图说明

图1是地球立体网格剖分体元示意图；

图2是GeoSOT-3D八叉树剖分示意图；

图3是最小外包范围体结构；

图4是SR-树示意图；

图5是插入操作流程；

图6是检索操作流程；

图7是删除操作流程。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于地球空间立体剖分的目标索引方法，其基本思想是：

步骤1、对地球及其外层空间进行三维立体剖分，从而将从地球表面延展到地心和外层空间设定高度形成的整个空间剖分为一个一个的小空间，称为体块。而且三维立体剖分是多级剖分，同一体块在经纬维和高度维的剖分层级相同，则一个第m剖分层级的体块由8个第m+1剖分层级的体块组成，形成地球空间剖分的八叉树结构。其中，m是整数，指第m剖分层级。

步骤2、构建以地球剖分的八叉树为主枝并嫁接R-树的混合索引结构，称为SR-树；设八叉树的根节点对应为第1剖分层级，则八叉树的第m层节点对应第m剖分层级的体块，每个八叉树节点上最多允许嫁接一棵R-树。该SR-树的特点是以八叉树为基础，辅助R-树，并非每个节点就是一棵R-树。

步骤3、插入空间体X时，找到完全包含该空间体的、最小的体块Y，如果空间体X与体块Y的空间尺度比大于或等于一设定阈值T，则将空间体X记录到体块Y对应的八叉树节点中，否则，在体块Y对应的八叉树节点所嫁接的R-树上记录空间体X，如果没有R-树则嫁接R-树后进行记录。

步骤4、检索时，根据检索范围RC在SR-树中进行检索，查找出所有与给定检索范围RC相交的空间体。

由以上流程可见，本发明的关键技术包括：三维立体剖分、构建SR-树以及对SR-树的管理。下面分别对这三个技术点进行详细描述。

一、对地球及其外层空间进行三维立体剖分。

三维立体剖分包括经纬维剖分和高度维剖分。

经纬维剖分，是对地球表面的剖分，获得二维剖分面片。由于SR-树是多层级的，因此需要采用多层级的二维剖分方法。本发明一个优选实施方式是采用GeoSOT剖分方案，但不限于该方案，该方案具体实现参见北京大学提出的专利申请：“一种统一现有经纬度剖分网格的方法”(公开号为CN102609525，申请日为2012年2月10日)，该专利申请公开了一种GeoSOT地理网格设计方案，用于解决全球地理空间剖分和标识问题。该方案采用全球经纬度整型四叉树递归剖分，将地球表面空间从全球至厘米级共进行了32级剖分(如表1)，每个GeoSOT剖分层级均有其对应大小的GeoSOT网格，GeoSOT网格上下层级之间的面积之比是1/4。采用GeoSOT剖分方案的好处是，该方案与现有各种经纬度剖分方法具有很好的一致性，并且能够全球唯一地标识地球空间区位，对于本发明来说，SR-树的各节点中无需额外记录体块的地理信息，直接根据GeoSOT编码就可以获得。

高度维剖分，是对二维剖分面片高度维延展后得到的空间进行了纵向划分。对于GeoSOT剖分方案来说，将GeoSOT二维剖分扩展至三维立体空间，就得到了地球立体空间剖分，称为GeoSOT-3D，具体来说，剖分具体手段如下：

a)以CGCS2000大地坐标系的地球质心作为基本剖分体的中心O，选择CGCS2000的参考椭球E，其中：半长轴a＝6378.137km，扁率f＝1/298.257222101，选择某种高程系统作为剖分网格的第三维方向——高度维。

其中，高度维的方向可以有多种选择方式：正高方向、正常高方向、力高方向、大地高方向、地心连线方向等，在我国比较常见的可以使用正常高方向、大地高(大地高是地面点沿法线方向到椭球的高度，而大地纬赤道与椭球面上一点的法线间夹角，二者定义都是源自法线，当将二维剖分框架扩展到立体空间时，大地高更有利于剖分框架及其基本单元的定义)方向或地心连线方向。

本例中选择CGCS2000大地高方向作为地球立体剖分网格GeoSOT-3D的高度维方向。

b)将对地球表面按经纬维剖分获得的二维剖分面片沿高度维延展到地心和外层空间，得到面片柱；将面片柱按高度维剖分为多个“柱段”，构成剖分“体块”，体块作为本发明三维剖分框架中的离散分割单元，所有体块构成了真三维环境下地球立体剖分网格模型。

与经纬维剖分相同，高度维也是多层剖分，同一体块在经纬维和高度维的剖分层级相同。例如，某个二维剖分面片属于第m级，则该二维剖分面片所在柱段被均分为2^m个体块。这样一来，一个第m剖分层级的体块由8个第m+1剖分层级的体块组成。

基于上述设计，设高度维取值范围为[h_s，h_s+2ⁿd](单位：m)，h_s为地理空间实体的下界，取其为地球表面到地心的距离的负值，即h_s＝-R，R为设定的地球半径，n＝32(与GeoSOT二维编码的32级相对应)。n为第32剖分层级，d为高度维进行第n层级剖分后的层间隔。

如图1和图2所示，地球立体空间通过上述三维剖分后获得八叉树体块(以下简称体块)，是立体剖分网格的基本单元，将整个GeoSOT-3D剖分空间视作以经纬网为xy平面、以高程为z轴的立方体，对立方体按照GeoSOT三维剖分规则进行逐层八叉树划分所形成的体块。体元的形态如图1所示。对于第m级的二维剖分面片S，在高度维将会存在2^32-m个分层，即高度维剖分层级始终与二维剖分层级相等。八叉树体元的结构如图2所示。

c)体块的编码

由于本发明优选实施例采用的经纬维剖分方案为GeoSOT剖分方案，因此在GeoSOT二维剖分编码的基础上加上了高度维的编码构成GeoSOT三维网格剖分编码会带来如下优点：该方案和现有各种经纬度剖分方法具有很好的一致性，并且能够全球唯一地标识地球空间区位，更重要的是，SR-树的各节点中无需额外记录体块的地理信息，直接根据GeoSOT三维剖分编码就可以获得。

GeoSOT三维剖分编码是在二维剖分编码的基础上加上了高度维的编码。对于高度维的编码取2^md为第n-m级剖分间隔，即第m级剖分将高度维剖分成2^m份，剖分长度编码为m位，(不算编码前用以标识高度维的E)，编码形式为：EC₁C₂C₃...C_m-1C_m，其中C_k＝0,1。对于一个完整的三维GeoSOT编码则是类似G00101213E01101001的形式(经纬维的四进制一维编码加上高度维的二进制一维编码)，这意味这在平面上编码为G00101213的面片对应的空间维选取一段长度为2^n-4，在第八层级自下向上数第1×2⁰+1×2³+1×2⁵+1×2⁶＝105个，编号为E01101001的体块。

二、构建八叉树和R-树的混合索引结构——SR-树。

构建以GeoSOT地球剖分的八叉树为主枝并嫁接R-树的混合索引结构，称为SR-树，如图4所示。八叉树的层级与地球空间的三维剖分层级相对应，每个节点对应一个体块，则每个节点可以由对应块体的三维编码来标识。那么，八叉树的根节点对应第1剖分层级，根节点对应整个地球空间，根节点的8个子节点对应对地球空间进行八分获得的8个体块，以此类推，八叉树的第m层节点对应第m剖分层级的体块。每个八叉树节点上最多嫁接一棵R-树，节点及其嫁接R-树均存储对应体块空间内的空间数据，但区别是，根据待存储空间数据的空间范围与体块空间范围的尺度比进行区别对待，将不同尺度的空间数据选择性地分配给R-树索引或八叉树索引来管理。

这种方式的核心是将一颗大的R-树分解成若干小的R-树，将每一棵小的R-树嫁接到八叉树的对应枝上，这样，合成的SR-树一方面保持了八叉树固定空间索引的优势，另一方面，将那些无法用固定网格管理的空间对象(跨网格的对象)用R-树管理起来。另外，新形成的SR-树在每个八叉树节点上，生成了一棵小的R-树，将大的整体复杂的R-树分散在小范围内管理进行管理，理论上，对于R-树的任意一枝理论上都可以嫁接到八叉树上，最极端的情况，某一枝也可以隶属于八叉树的根节点。

为了方便在SR-树中管理和表达空间体，本发明设计了对于地球为目标的适用于三维空间的GeoSOT网格需求的最小外包范围体的结构。通过六个变量来定义一个最小外包范围体：半径r₁(r₁>0)、半径r₂(r₂>0)、经度α₁(-180°<α₁<180°)、经度α₂(-180°<α₂<180°)、纬度β₁(-90°<β₁<90°)、纬度β₂(-90°<β₂<90°)。在地球空间中(不仅包括地球表面，还包括地球内部和外层空间)，包含地球球心和经度为α₁、α₂的两条经线形成的两个平面、连接地球球心和纬度为β₁、β₂的纬线构成的两个曲面以及以地球球心为球心r₁和r₂为半径构成的两个球面这六个面所包围形成的封闭空间块即为一个最小外包范围体。

一个最小外包范围体共包含有6个面(如图3所示)：

(1)上表面S_u(曲面ABCD)或者下表面(S_d(曲面A’B’C’D’))，以地心为球心的球面；

(2)东表面S_e(平面AA’D’D)(或者西表面S_w(平面BB’C’C))，经过地轴的平面，该平面与地球表面的交线是一条经线；

(3)南表面S_s(曲面ABB’A’)(或者北表面S_n(曲面CC’D’D))，经过地心的光滑曲面，该曲面与地球表面的交线是一条纬线。

后面对空间体进行操作时，根据空间体的最小外包范围进行处理。

三、SR-树的管理。

基于上述最小外包范围的定义，SR-树的管理对象是空间目标/空间体的最小外包范围，因此在管理空间体之前，首选需要确定空间体X的最小外包范围体Z，该最小外包范围体Z分为两类：

第一类：这类空间体的最小外包范围体完全属于某一层次的体块，并且最小外包范围体Z的空间尺度和该层次体块的粒度差距不大(两者的空间尺度比大于某一阈值)；所述空间尺度是指表达占用空间大小的参数，例如本例中的尺度定义为最小外包范围体的|α₁-α₂|/360、|β₁-β₂|/180、|r₁-r₂|/2^md这三者的最大值，其中，m为最小外包范围体所在体块的剖分层级，d为最小外包范围体所在体块的高度维长度。

第二类：这类空间目标的最小外包范围体不完全属于某一层次的一个体块，它可能跨越两个体块，或者即使属于某一层的一个体块，也会由于尺度差异过大(两者的尺度比小于某一阈值)，带来索引的冗余。

对于这两类最小外包范围体，其中第一类当然可以使用SR-树中的八叉树部分作为索引进行管理；而对于第二类，同样也需要对其进行完整的管理，并且由于空间目标的可能存在的动态特性，因此第一类和第二类的快速切换也是非常常见的现象。

针对第二类最小外包范围体，本发明将二维情况的R-树索引引入三维空间，让它配合八叉树索引共同使用，那么就可以用八叉树索引管理第一类目标，用R-树管理第二类目标。

基于两类最小外包范围体的划分，下面分别对SR-树的插入数据、检索数据、删除数据的实现过程进行描述。

(1)插入操作，参见图5

S31、获得待插入空间体X的最小外包范围体，将SR-树的根节点作为当前节点；

S32、计算出待插入的最小外包范围体是否能够被完全包含在当前节点的某一个子节点中，如果是则将能够完全包含的子节点作为当前节点，继续S32的操作，否则转到S33；

S33、判断当前待插入的最小外包范围体的空间尺度相对于当前节点的空间尺度的比值是否大于或等于所述设定阈值T；如果是，则直接在当前节点中添加所述待插入的最小外包范围体的记录，记录中包括待插入空间体的最小外包范围体的ID(待插入空间体的ID与最小外包范围体的ID是一致的)，根据ID可以在其他存储位置索引到待插入空间体的其他信息，例如六参数；否则，在当前节点所嫁接的R-树中添加记录，记录内容同样包括待插入空间体的最小外包范围体的ID，如果当前节点上没有已嫁接的R-树，则先嫁接R-树再进行记录。

(2)检索操作，参见图6

S41、给定检索范围RC：包括经度范围、纬度范围和高度范围；将SR-树的根节点作为当前节点；

S42、节点对应体块所占的空间范围称为节点的关联空间，判断当前节点的关联空间是否与检索范围RC相交；如果是，则在根节点及其R-树的记录中进行检索，找到与检索范围RC空间相交的最小外包范围体，加入检索结果；

S43、对于当前节点的每一子节点，比较其关联空间是否与检索范围RC相交，对于不相交的子节点，则将该子节点及其子树截断，不用继续往下查询；对于每个相交的子节点，将其作为当前节点按照S43的步骤进行节点及其R-树的检索；接下来继续比较下一级的子节点，直到叶节点为止；最终查找出所有与检索范围RC相交的最小外包范围体。

(3)删除操作，参见图7

S51、获得SR-树根节点作为当前节点和待删除空间体的最小外包范围体；

S52、如果当前节点是叶节点，则转到S54；如果是非叶节点，则进入S53；

S53、节点对应体块所占的空间范围称为节点的关联空间，在当前节点的子节点的关联空间中查询完全包含待删除的最小外包范围体的节点，若能找到，则设能完全包含的子节点为当前节点并转到S52；否则，转到S54；

S54、判断待删除的最小外包范围体相对于当前节点的空间尺度比是否大于或等于所述设定阈值T；如果是，则直接在当前节点中进行查找和删除操作；否则在当前节点嫁接的R-树中进行查找和删除操作。

本发明依托地球表面的剖分网格，此基础上完成立体剖分的构建，提出了一种新的GeoSOT地球剖分八叉树与R-树有机结合的SR-树索引模型(Subdivision R-tree)。SR-树是建立在球面剖分网格的基础上的索引方式。建立这种新的地球系统空间索引方式，一方面能够充分利用地球系统网格的层次管理优势，另一方面又能够对空间目标进行有效管理，避免索引重复、冗余，提高查询效率。

通过多方面的实验测试与对比，验证了SR-树剖分网格的更新检索能力在多方面都对普通的立体剖分网格形式有提高。SR-树索引模型对于全球尺度的空间数据能够进行高效管理，尤其对于需要及时的移动目标数据适应性较强。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于地球空间立体剖分的目标索引方法，其特征在于，包括：

步骤1、对地球及其外层空间进行三维立体剖分：

将对地球表面按经纬维多层剖分获得的二维剖分面片沿高度维方向延展到地心和外层空间，得到面片柱；将面片柱按高度维剖分为多个柱段，每个柱段作为一个体块；对于第m剖分层级的二维剖分面片，其对应的面片柱按照高度维进行均分获得2^m个体块，则一个第m剖分层级的体块由8个第m+1剖分层级的体块组成；

步骤2、构建以八叉树为主枝并嫁接R-树的混合索引结构，称为SR-树；八叉树的根节点对应第1剖分层级，则八叉树的第m层节点对应第m剖分层级的体块，每个八叉树节点上允许最多嫁接一棵R-树；

步骤3、插入空间体X时，找到完全包含该空间体的、最小的体块Y，如果空间体X与体块Y的空间尺度比大于或等于一设定阈值T，则将空间体X记录到体块Y对应的八叉树节点中，否则，在体块Y对应的八叉树节点所嫁接的R-树上记录空间体X，如果没有R-树则嫁接R-树后进行记录；

步骤4、检索时，根据检索范围RC在SR-树中进行检索，查找出所有与给定检索范围RC相交的空间体。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高度维为正高方向、正常高方向、力高方向、大地高方向或地心连线方向。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二维剖分采用GeoSOT剖分方案，体块的经纬维采用GeoSOT编码方案，高度维采用C₁C₂C₃...C_m-1C_m的编码方案，m为体块所在剖分层级，C_k＝0、1，k取值范围为1至m；经纬维编码和高度维编码共同构成了体块的三维编码；所述八叉树的每个节点对应块体的三维编码来标识。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，插入空间体时，找到空间体的最小外包范围体，将最小外包范围体的标识记录到八叉树节点或R-树节点中，形成一条记录。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，采用六个变量来定义一个最小外包范围体：半径r₁、半径r₂、经度α₁、经度α₂、纬度β₁、纬度β₂；其中，连接地球球心和经度为α₁、α₂的两条经线形成两个平面，连接地球球心和纬度为β₁、β₂的纬线形成两个平面，以地球球心为球心、r₁和r₂为半径构成两个球面，这六个面所包围形成的封闭空间块即为一个最小外包范围体。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述空间尺度为空间体的最小外包范围体的|α₁-α₂|/360、|β₁-β₂|/180、|r₁-r₂|/(2^md)这三者的最大值，其中，m为最小外包范围体所在体块的剖分层级，d为最小外包范围体所在体块的高度维长度。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

S31、获得待插入空间体X的最小外包范围体，将SR-树的根节点作为当前节点；

S32、计算出待插入的最小外包范围体是否能够被完全包含在当前节点的某一个子节点中，如果是则将能够完全包含的子节点作为当前节点，继续S32的操作，否则转到S33；

S33、判断当前待插入的最小外包范围体的空间尺度相对于当前节点的空间尺度的比值是否大于或等于所述设定阈值T；如果是，则直接在当前节点中添加所述待插入的最小外包范围体的记录；否则，在当前节点所嫁接的R-树中添加记录。

8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

S41、给定检索范围RC：包括经度范围、纬度范围和高度范围；将SR-树的根节点作为当前节点；

S42、节点对应体块所占的空间范围称为节点的关联空间，判断当前节点的关联空间是否与检索范围RC相交；如果是，则在根节点及其R-树的记录中进行检索，找到与检索范围RC空间相交的最小外包范围体，加入检索结果；

S43、对于当前节点的每一子节点，比较其关联空间是否与检索范围RC相交，对于不相交的子节点，则将该子节点及其子树截断，不用继续往下查询；对于每个相交的子节点，将其作为当前节点按照S43的步骤进行节点及其R-树的检索；接下来继续比较下一级的子节点，直到叶节点为止；最终查找出所有与检索范围RC相交的最小外包范围体。

9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括删除SR-树中某个空间体的记录，具体为：

1)获得SR-树根节点作为当前节点和待删除空间体的最小外包范围体；

2)如果当前节点是叶节点，则转到4)；如果是非叶节点，则进入3)；

3)节点对应体块所占的空间范围称为节点的关联空间，在当前节点的子节点的关联空间中查询完全包含待删除的最小外包范围体的节点，若能找到，则设能完全包含的子节点为当前节点并转到2)；否则，转到4)；

4)判断待删除的最小外包范围体相对于当前节点的空间尺度比是否大于或等于所述设定阈值T；如果是，则直接在当前节点中进行查找和删除操作；否则在当前节点嫁接的R-树中进行查找和删除操作。