CN106373189A - 一种基于线性十六叉树的时空体数据编码方法 - Google Patents

Abstract

一种基于线性十六叉树的时空体数据编码方法，首先根据时空体对象坐标的位置，确定最小包围盒的位置；其次在空间维度上，将体对象空间区域不断地等分成八个同样大小的子立方体，检测子立方体是否被目标对象占据，对未占据的子立方体继续等分为八个二级子立方体，无法再等分的子立方体对应线性十六叉树的叶子节点；在时间维度上，将同一体数据在不同时间刻度上进行同等的空间划分，使相同空间位置的体数据时间维度不同；最后将四维时空坐标系中所有目标对象所占据的每个子立方体的时空属性转换为线性十六叉树的编码；时空对象属性恢复时，利用编码公式的逆变换为四个坐标值；该方法容易存储和执行，占用存储空间少，可直接在规定的时间域内寻址。

Description

一种基于线性十六叉树的时空体数据编码方法

技术领域

本发明属于地理信息技术、计算机技术领域，特别涉及一种基于线性十六叉树的时空体数据编码方法。

背景技术

在地理信息、地质学领域中，时空数据的海量性、多源异质性已成为制约三维地理信息空间技术发展的短板之一。传统的三维海量空间数据组织往往采用一种文件系统结构，与采用时空数据库技术相比，这种数据组织方式往往占用的存储空间大，访问效率低等特点。传统的线性四叉树及线性八叉树数据编码方法，分别针对的二维平面数据及三维空间数据，而随着地理时空数据发展的需要，如何表达时空体数据的4D属性，将具有时间和空间特点的时空数据进行有效的统一编码，对海量时空数据存储、索引及可视化等具有重要意义，因此提出了一种时空体数据的编码方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，满足海量时空数据存储的需要，本发明的目的在于提供一种基于线性十六叉树的时空体数据编码方法，可解决多源异质海量时空数据的编码存储问题，具有时空体数据的空间和时间特性统一表达、统一描述、统一存储等优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于线性十六叉树的时空体数据编码方法，包括如下步骤：

首先，根据时空对象坐标的位置，确定最小包围盒立方体的位置；

其次，在空间维度上，将空间区域不断地等分成八个同样大小的子立方体，按需检测(对某种属性值的描述需要进行检测)所有子立方体是否被目标对象所占据，若被目标对象全部占据，则该子立方体停止等分，否则对目标对象未占据的子立方体继续等分为八个二级子立方体；如此递归地等分，直到每个目标对象属性值或分辨率全部占据子立方体为止，无法再等分的子立方体对应线性十六叉树的叶子节点；

再次，在时间维度上，将空间划分后的子立方体进行复制，即在不同时间刻度上得到同样数目的子立方体，这些子立方体对应于线性十六叉树的叶子节点；

最后，将四维时空坐标系中所有目标对象所占据的每个超立方体即子立方体属性的时空位置根据编码公式转换为线性十六叉树的编码，反之，如果四维对象属性恢复时，利用编码公式的逆变换为四个坐标值。

所述最小包围盒立方体是在空间维度上将要进行时空数据表达的全部数据的空间建立的一个最小包围块体。

所述的“按需检测”指按照时空体数据对某种属性值的描述需要进行检测，即具有相同属性值的块体可不再进行划分，若块体中仍然包含同一属性的不同值则需要进一步划分块体。

所述子立方体是否被目标对象所占据是指子立方体是否满足时空栅格最小体数据的要求，即分辨率要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该方法通过将时空数据进行栅格化处理，然后利用线性十六叉树进行编码，只需要记录叶子结点的地址码和属性值。它的主要优点有：占用存储空间少，因为只对叶子结点编码，节省大量中间的结点空间。节约了每个结点的指针空间，所有中间结点信息都包含在定位码中。可以直接在规定的时间域内寻址，根据时空坐标值可计算出定位码(也称编码)，不必构建实际的线性十六叉树和存储时空坐标值。在操作方面，所产生的定位码容易存储和执行，容易实现复杂代数合并等组合操作。该方法在时空数据存储、索引及可视化等领域有着广泛的应用前景。

附图说明

图1是时空体数据划分示意图。

图2是时空体数据十六进制编码示意图。

图3是线性十六叉树时空体数据编码及解码流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

基于线性十六叉树的时空体数据编码方法，具体的实施步骤如下：

(1)时空栅格体数据划分。首先在空间维度上将要进行时空数据表达的全部数据的空间建立一个最小包围块体；然后在统一的时间属性的基础上，利用线性十六叉树对整个时空数据进行空间栅格化处理，当划分到一定层次时，根据给定的时空栅格最小体数据的要求，即分辨率要求，可不必对块体进行分解，直到块体内部的属性值统一。线性十六叉树中，该树是N+1维(N是空间维数，1指时间维)的时空树，线性十六叉树结点最小包围盒MBR(minimal bounding rectangle)是叶子结点集合的时空坐标上的属性数据的最小范围(或最细化分)。在时间维度上，在不同的时间刻度上，针对上述空间体数据进行同样的划分，划分后的体数据与上一时间刻度上体数据空间坐标相同，时间坐标不同，如图1所示。

(2)时空体数据十六进制定位码计算。

如图2和图3所示，首先，给定分辨率n的值，则坐标系统的大小也可以确定，并且可以确定具体的立方体位置(前面的立方体或后面的立方体)，每个坐标轴的取值范围是从0到2ⁿ-1之间。任何线性十六叉树构成时空体数据的数学编码模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}X=c_{n-1}{2}^{n-1}+c_{n-2}{2}^{n-2}+\mathrm{...}+c_i{2}^i+\mathrm{...}+c_0\\ Y=d_{n-1}{2}^{n-1}+d_{n-2}{2}^{n-2}+\mathrm{...}+d_i{2}^i+\mathrm{...}+d_0\\ Z=e_{n-1}{2}^{n-1}+e_{n-2}{2}^{n-2}+\mathrm{...}+e_i{2}^i+\mathrm{...}+e_0\\ T=f_{n-1}{2}^{n-1}+f_{n-2}{2}^{n-2}+\mathrm{...}+f_i{2}^i+\mathrm{...}+f_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，c_i,d_i,e_i,f_i分别为X、Y、Z、T轴上坐标值所对应在立方体中的属性数据系数，n为立方体中数据的位数或分辨率。其中公式中的系数f_i、e_i、d_i和c_i(i＝n-1,n-2,…,0)的取值为0或1。

其次，每个线性十六叉树结点的定位码采取的形式为q_n-1q_n-2…0。每个位置上的q_i是从(0，1，…,10,A,…,F)十六进制的十六个数中取其中之一，q_i的个数取决于分辨率n。定位码的十六位数字q_i计算为：

q_i＝f_i2³+e_i2²+d_i2¹+c_i(i＝n-1,n-2,…,0)(2)

其中q_i为定位码，即存储编码，c_i、d_i、e_i、f_i分别为X、Y、Z、T轴上坐标值所对应在立方体中的属性数据系数。

(3)时空体数据的解码计算

如图3所示，解码运算为上述编码运算的逆运算，在已知给定分辨率n，定位码q_i(i＝n-1,n-2,…,0)，以及系数f_i、e_i、d_i和c_i(i＝n-1,n-2,…,0)的取值为0或1后，通过如下公式

q_i＝f_i2³+e_i2²+d_i2¹+c_i(i＝n-1,n-2,…,0)(3)

进行反向运算可以求得f_i、e_i、d_i和c_i(i＝n-1,n-2,…,0)，然后再根据如下公式

$\left\{\begin{array}{c}X=c_{n-1}{2}^{n-1}+c_{n-2}{2}^{n-2}+\mathrm{...}+c_i{2}^i+\mathrm{...}+c_0\\ Y=d_{n-1}{2}^{n-1}+d_{n-2}{2}^{n-2}+\mathrm{...}+d_i{2}^i+\mathrm{...}+d_0\\ Z=e_{n-1}{2}^{n-1}+e_{n-2}{2}^{n-2}+\mathrm{...}+e_i{2}^i+\mathrm{...}+e_0\\ T=f_{n-1}{2}^{n-1}+f_{n-2}{2}^{n-2}+\mathrm{...}+f_i{2}^i+\mathrm{...}+f_0\end{array}\right.---\left(4\right)$

求得第一维坐标X、第二维坐标Y、第三维坐标Z、第四维坐标T的值，从而完成体数据的解码运算。

本发明利用线性十六叉树将时空体数据在时间和空间维度上进行体数据划分，然后根据线性十六叉树时空体数据编码数学模型，对每一块最小体数据单元进行十六进制编码，实际应用过程中可根据编码需要将其转换为八进制及二进制。

综上，本发明产生的时空数据编码，容易存储和执行，占用存储空间少，可直接在规定的时间域内寻址，解决了时空体数据的空间位置与时间统一编码、统一存储的问题，在时空数据存储、索引及可视化等领域有着广泛的应用前景。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于线性十六叉树的时空体数据编码方法，其特征在于，包括如下步骤：

首先，根据时空对象坐标的位置，确定最小包围盒立方体的位置；

其次，在空间维度上，将空间区域不断地等分成八个同样大小的子立方体，按需检测所有子立方体是否被目标对象所占据，若被目标对象全部占据，则该子立方体停止等分，否则对目标对象未占据的子立方体继续等分为八个二级子立方体；如此递归地等分，直到每个目标对象属性值或分辨率全部占据子立方体为止，无法再等分的子立方体对应线性十六叉树的叶子节点；

再次，在时间维度上，将空间划分后的子立方体进行复制，即在不同时间刻度上得到同样数目的子立方体，这些子立方体对应于线性十六叉树的叶子节点；

最后，将四维时空坐标系中所有目标对象所占据的每个超立方体，即子立方体属性的时空位置根据编码公式转换为线性十六叉树的编码，反之，如果时空对象属性恢复时，利用编码公式的逆变换为四个坐标值。

2.根据权利要求1所述基于线性十六叉树的时空体数据编码方法，其特征在于，所述最小包围盒立方体是在空间维度上将要进行时空数据表达的全部数据的空间建立的一个最小包围块体。

3.根据权利要求1所述基于线性十六叉树的时空体数据编码方法，其特征在于，所述按需检测指按照时空体数据对某种属性值的描述需要进行检测，即具有相同属性值的块体可不再进行划分，若块体中仍然包含同一属性的不同值则需要进一步划分块体。

4.根据权利要求1所述基于线性十六叉树的时空体数据编码方法，其特征在于，所述子立方体是否被目标对象所占据是指子立方体是否满足时空栅格最小体数据的要求，即分辨率要求。

5.根据权利要求1所述基于线性十六叉树的时空体数据编码方法，其特征在于，所述线性十六叉树是N+1维的时空树，线性十六叉树结点最小包围盒MBR(minimal boundingrectangle)是叶子结点集合的时空坐标上的属性数据的最小范围或最细化分，其中N是空间维数，1指时间维，在时间维度上，在不同的时间刻度上，针对空间体数据进行同样的划分，划分后的体数据与上一时间刻度上体数据空间坐标相同，时间坐标不同。

6.根据权利要求1所述基于线性十六叉树的时空体数据编码方法，其特征在于，所述转换为线性十六叉树的编码的方法是：

首先，给定分辨率n的值，则坐标系统的大小以及具体的立方体位置也同时被确定，每个坐标轴的取值范围是从0到2ⁿ-1之间，任何线性十六叉树构成时空体数据的数学编码模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}X=c_{n-1}{2}^{n-1}+c_{n-2}{2}^{n-2}+\mathrm{...}+c_i{2}^i+\mathrm{...}+c_0\\ Y=d_{n-1}{2}^{n-1}+d_{n-2}{2}^{n-2}+\mathrm{...}+d_i{2}^i+\mathrm{...}+d_0\\ Z=e_{n-1}{2}^{n-1}+e_{n-2}{2}^{n-2}+\mathrm{...}+e_i{2}^i+\mathrm{...}+e_0\\ T=f_{n-1}{2}^{n-1}+f_{n-2}{2}^{n-2}+\mathrm{...}+f_i{2}^i+\mathrm{...}+f_0\end{array}\right.$

其中，c_i,d_i,e_i,f_i分别为X、Y、Z、T轴上坐标值所对应在立方体中的属性数据，n为立方体中数据的位数或分辨率，f_i、e_i、d_i和c_i的取值为0或1，i＝n-1,n-2,…,0；

其次，每个线性十六叉树结点的定位码采取的形式为q_n-1、q_n-2、…q_i…、0，每个位置上的q_i是从(0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，A，B，C，D，E，F)十六进制的十六个数中取其中之一，q_i的个数取决于分辨率n，定位码的十六进制数字q_i计算为：

q_i＝f_i2³+e_i2²+d_i2¹+c_i(i＝n-1,n-2,…,0)

其中q_i为定位码，即存储编码。

7.根据权利要求6所述基于线性十六叉树的时空体数据编码方法，其特征在于，所述利用编码公式的逆变换为四个坐标值的方法为：

在已知给定分辨率n，定位码q_i(i＝n-1,n-2,…,0)，以及系数f_i、e_i、d_i和c_i(i＝n-1,n-2,…,0)的取值为0或1后，通过如下公式

q_i＝f_i2³+e_i2²+d_i2¹+c_i(i＝n-1,n-2,…,0)

进行反向运算求得f_i、e_i、d_i和c_i(i＝n-1,n-2,…,0)，然后再根据如下公式

$\left\{\begin{array}{c}X=c_{n-1}{2}^{n-1}+c_{n-2}{2}^{n-2}+\mathrm{...}+c_i{2}^i+\mathrm{...}+c_0\\ Y=d_{n-1}{2}^{n-1}+d_{n-2}{2}^{n-2}+\mathrm{...}+d_i{2}^i+\mathrm{...}+d_0\\ Z=e_{n-1}{2}^{n-1}+e_{n-2}{2}^{n-2}+\mathrm{...}+e_i{2}^i+\mathrm{...}+e_0\\ T=f_{n-1}{2}^{n-1}+f_{n-2}{2}^{n-2}+\mathrm{...}+f_i{2}^i+\mathrm{...}+f_0\end{array}\right.$

求得第一维坐标X、第二维坐标Y、第三维坐标Z、第四维坐标T的值，从而完成体数据的解码运算。