CN113392493A - 数字地球磁层的构建及基于数字地球磁层的时空计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明数字地球磁层的构建及基于数字地球磁层的时空计算方法，所述数字地球磁层的构建包括：以地球磁层为一种自然实体，确定其空间实体、时间实体和要素实体；对空间实体和时间实体分别进行形式化，构建空间基本单元和时间基本单元；通过对空间基本单元、时间基本单元以及各基本单元之间内在联系的表达，重构地球磁层的数字时空实体；通过要素映射建立要素实体与数字时空实体之间的关联关系，由此构建与地球磁层自然实体对应的数字实体，即数字地球磁层，实现各要素信息在时空框架下的组织。通过该方法建立的数字地球磁层，有利于支撑粒子通量分布、粒子运动特征分析等自然实体计算。

Description

数字地球磁层的构建及基于数字地球磁层的时空计算方法

技术领域

本发明涉及数据组织领域，具体涉及支持具有时空特征的实体数字化及其组织存储的方法，特别涉及数字地球磁层的构建及基于数字地球磁层的时空计算方法。

背景技术

随着观测和考察手段的日益丰富，数据驱动研究模式成为当前科学研究的主要手段。基于全样本数据、利用大数据技术对自然世界中的对象和事件进行处理和计算是当前科学研究的热点问题，基于数字对象的分析预测等技术得到了快速发展。在数据驱动研究模式下，构建自然世界与计算机世界的映射，从而构造对象、事件的数字化实体是利用计算机对其进行处理和计算的重要前提。

在此数据驱动研究模式的发展需求下，地学领域提出了一系列数据组织模型。从空间数据模型、时态数据模型逐渐发展到时空数据模型，并且实现了如GIS系统、“数字地球”、“数字城市”等具体应用，发展较为完善。这些工作在地学领域的研究定位是数据组织模型及其应用，然而可以发现，这些模型本质上是针对特定自然对象或事件的数字化建模。但是，地学领域对数字化建模缺少概念定义和过程提取，也即缺乏数字对象建模的完整的理论框架。在理论框架的指导下，对地球磁层这一特定的自然实体进行研究。

当前空间物理领域的磁层模型如经验模型、T96半经验模型等主要用于地磁场结构的描述、分析，一般不直接用于空间物理数据资料的组织，而当前日地空间物理学科的数据组织通常采用基于语义标注的组织模型，如SPACE数据模型等，这些语义模型无法处理日益丰富的数据资源和愈发复杂的时空计算需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出一种基于时空框架的数据组织模型的构建方法，该方法在自然实体数字化建模理论框架的指导下，选取地球磁层为特定自然实体进行研究，利用数字化建模方法，构建“数字地球磁层”，可以实现基于时空关系的粒子资料高效组织与存储。

为实现上述目的，本发明提出了一种数字地球磁层的构建方法，所述方法包括：

以地球磁层为一种自然实体，确定其空间实体、时间实体和要素实体；

对空间实体和时间实体分别进行形式化，构建空间基本单元和时间基本单元；

通过对空间基本单元、时间基本单元以及各基本单元之间内在联系的表达，重构地球磁层的数字时空实体；

通过要素映射建立要素实体与数字时空实体之间的关联关系，由此构建与地球磁层自然实体对应的数字实体，即数字地球磁层，实现各要素信息在时空框架下的组织。

作为上述方法的一种改进，所述以地球磁层为一种自然实体，确定其空间实体、时间实体和要素实体，具体包括：

将地球磁层作为自然实体记为NE，其空间、时间、要素分别记为SE、TE、EE，则NE＝{SE，TE，EE}；

要素实体包含K个要素，即EE＝{E₁，E₂，...，E_k，...，E_K}，一个要素称为要素实体的一个维度，其中，E_k表示第k个要素维度，D_(k，Q)＝[D₁，D₂，...，D_Q]表示要素E_k有Q个分量。

作为上述方法的一种改进，所述对空间实体和时间实体分别进行形式化，构建空间基本单元和时间基本单元；具体包括：

利用对各漂移壳进行剖分离散实现漂移壳形式化，在磁经方向离散为一系列的磁力线，在磁纬方向进行等磁纬的磁力线追踪离散，利用追踪的各磁力线段和磁力线之间的磁纬线构成的格网，即为漂移壳空间的空间基本单元su；operation(su)表示定义在空间基本单元上的操作算子；

用集合SU表示所有空间基本单元，SU＝{su_i|i＝1，2，...，M}；su_i表示第i个空间基本单元；M个空间基本单元的个数；

对时间实体进行适应性离散，得到的等间隔或适应性的时间段为时间基本单元tu；operation(tu)表示定义在时间基本单元上的操作算子；

用集合TU表示所有空间基本单元，TU＝{tu₁，tu₂，...，tu_N}；tu_j表示第j个时间基本单元，N为时间基本单元的总数。

作为上述方法的一种改进，所述通过对空间基本单元、时间基本单元以及各基本单元之间内在联系的表达，重构地球磁层的数字时空实体；具体包括：

stu表示一个耦合的时空对基本单元，stu∈STU＝SU×TU，其中，stu＝(su，tu)，符号×表示STU是SU和TU的笛卡尔积；

空间基本单元之间的内在联系包括空间拓扑关系、空间度量关系、空间分布关系和空间方向关系，表示为RS＝{RS_topology，RS_metrics，...}，RS表示所有空间基本单元之间内在联系的集合，其下标表示空间关系的类型；

依据对空间基本单元及其一种空间内在联系的表达重构数字空间实体，并在其基础上对应所有时间基本单元，从而实现数字时空实体的重构。

作为上述方法的一种改进，所通过要素映射建立要素实体与数字时空实体之间的关联关系，由此构建与地球磁层自然实体对应的数字实体，具体包括：

要素与时空对基本单元之间的关联关系通过要素映射构建；

用向量e_(k，Q)表示第k个要素E_k在数字时空实体下的映射值，e_(k，Q)即为D_(k，Q)的取值范围，则e_(k，Q)有Q个分量，即e_(k，Q)＝[e_(k，1)，e_(k，2)，...，e_(k，q)，...，e_(k，Q)]，其中e_(k，q)表示第k个要素第q个维度的取值；当第k个要素为标量要素时，Q＝1；

要素映射关系表示为：

{[e_(k，1)，e_(k，2)，...，e_(k，Q)]＝f_k(su，tu＝const)|k＝1，2，...，k；Q}

其中，tu＝const表示在一个时间基本单元下，时间为常数，构造要素与空间基本单元之间的映射；k＝1，2，...，K表示对要素实体的K个要素构造K个映射，对于每一个要素映射，其映射的形式f_k各不相同；Q表示每类要素的分量个数。

作为上述方法的一种改进，所述通过对空间基本单元、时间基本单元以及各基本单元之间内在联系的表达，重构地球磁层的数字时空实体；具体包括：

stu表示一个耦合的时空对基本单元，stu∈STU＝SU×TU，其中，stu＝(su，tu)，符号×表示STU是SU和TU的笛卡尔积；

时间基本单元之间的内在联系包括顺序关系、时态拓扑关系，表示为RT＝{RT_ordering，RT_topology，...}，RT表示所有时间基本单元之间内在联系的集合，其下标表示内在联系的类型；

依据对时间基本单元及一种时间内在联系的形式化表达重构数字时间实体，并在其基础上对应所有空间基本单元，从而实现数字时空实体的重构。

作为上述方法的一种改进，所述通过要素映射建立要素实体与数字时空实体之间的关联关系，由此构建与地球磁层自然实体对应的数字实体，具体包括：

要素与时空对基本单元之间的关联关系通过要素映射构建；

用向量e_(k，Q)表示第k个要素E_k在数字时空实体下的映射值，e_(k，Q)即为D_(k，Q)的取值范围，则e_(k，Q)有Q个分量，即e_(k，Q)＝[e_(k，1)，e_(k，2)，...，e_(k，q)，...，e_(k，Q)]，其中e_(k，q)表示第k个要素第q个维度的取值；当第k个要素为标量要素时，Q＝1；

要素映射关系表示为：

{[e_(k，1)，e_(k，2)，...，e_(k，Q)]＝f_k(su＝const，tu)|k＝1，2，...，K；Q}

其中，su＝const表示在每个空间基本单元下进行要素与各时间基本单元之间的映射，k＝1，2，...，K表示对要素实体的K个要素构造K个映射，对于每一个要素映射，其映射的形式f_k各不相同；Q表示每类要素的分量个数。

作为上述方法的一种改进，所述通过对空间基本单元、时间基本单元以及各基本单元之间内在联系的表达，重构地球磁层的数字时空实体；具体包括：

通过时空对应关系，将空间基本单元与时间基本单元耦合为时空对基本单元；stu表示一个耦合的时空对基本单元，stu∈STU＝SU×TU，其中，stu＝(su，tu)，符号×表示STU是SU和TU的笛卡尔积；

根据耦合的时空对基本单元之间的时空内在联系重构数字时空实体，RST＝{RST_topology，...}，RST表示所有时空对基本单元之间的内在联系的集合，所述时空对基本单元之间的内在联系包括时空邻接关系和时空拓扑关系；

利用时空耦合编码对空间基本单元、时间基本单元进行耦合编码，通过编码对耦合的时空对基本单元及其之间的内在邻接关系进行表达，实现地球磁层的数字时空实体重构。

作为上述方法的一种改进，所述通过要素映射建立要素实体与数字时空实体之间的关联关系，由此构建与地球磁层自然实体对应的数字实体，具体包括：

要素与时空对基本单元之间的关联关系通过要素映射构建；

用向量e_(k，Q)表示第k个要素E_k在数字时空实体下的映射值，e_(k，Q)即为D_(k，Q)的取值范围，则e_(k，Q)有Q个分量，即e_(k，Q)＝[e_(k，1)，e_(k，2)，...，e_(k，q)，...，e_(k，Q)]，其中e_(k，q)表示第k个要素第q个维度的取值；当第k个要素为标量要素时，Q＝1；

要素映射关系表示为：

{[e_(k，1)，e_(k，2)，...，e_(k，Q)]＝f_k(su，tu)|k＝1，2，...，K；Q}

其中，k＝1，2，...，K表示对要素实体的K个要素构造K个映射，对于每一个要素映射，其映射的形式f_k各不相同；Q表示每类要素的分量个数。

基于上述方法构建的所述数字地球磁层实现，本发明还提供了一种基于数字地球磁层的时空计算方法，所述方法包括：

在数字地球磁层中，定义时空计算算子，所述时空计算算子包括：相关时空范围查询、时空度量算子和时空拓扑算子；

所述相关时空范围查询，用于支持数字地球磁层中的数据时空访问；

所述时空度量算子，用于计算空间基本单元的面积、单元之间的距离、方位，以及时间基本单元之间的顺序关系；

所述时空拓扑算子，用于在空间、时间两个维度上分析数据间的相邻、相离、相交和覆盖的拓扑关系；

利用所述时空计算算子实现各要素的时空计算。

本发明的优势在于：

本发明的方法从概念层、逻辑层和应用层实现了针对地球磁层的数字化建模；以地球磁层为一种自然实体进行研究，通过数字化建模过程构建了“数字地球磁层”，实现了基于漂移壳这一物理空间的数字时空框架，并在此时空框架下进行粒子通量、粒子运动投掷角等要素的映射，从而实现了基于漂移壳的数据组织，有利于支撑粒子通量分布、粒子运动特征分析等自然实体计算。

附图说明

图1为自然实体数字化建模理论框架示意图；

图2为自然实体数字化建模伪表达模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

本发明的实施例1提出了一种数字地球磁层的构建方法，首先，对地学领域方法进行归纳和总结，提取其共性特征。在此基础上提出自然实体、自然实体计算、自然实体数字化建模等概念，形成一个完整的理论框架。在这个理论框架的指导下，对地球磁层的时空特征、要素映射关系等进行分析。第二，从方法上，利用统一建模语言(Unified ModellingLanguage,UML)在逻辑层提出一个统一的伪表达模型。最后，提出针对粒子运动漂移壳的地球磁层数字化建模应用模型，构建“数字地球磁层”，实现基于漂移壳的粒子资料数据高效组织和存储。

该方法具体包括：

1、理论概念框架建立

基于地理实体的概念扩展，自然实体是指真实世界中客观存在的自然对象及其过程事件，如生物圈中的人、动物和植物等对象和生物新陈代谢、动物迁徙、植物生长等事件，地理系统中的河流、山川、城市等对象及其变迁，宇宙空间中的地球系统、日地空间系统、星系等对象和地震、全球气候变化、太阳风暴以及星系的起源和演化等事件。自然实体的概念包含又不仅限于地理实体。

自然实体由空间、时间和要素三类实体构成，即空间实体、时间实体和要素实体。对不同的自然实体，其空间、时间和要素实体的含义各不相同。例如对人体这一自然实体，空间实体是人体空间，要素实体可以包括人体体温、血压、各器官等。对地表这一自然实体而言，空间实体为地球球面或椭球面，要素实体包括地表温度、植被覆盖率等。对日地空间系统自然实体，其空间实体包括从太阳上层大气至地球中高层大气之间的空间，要素实体可以包括粒子通量、粒子投掷角等。对于不同的自然实体，时间实体即在特定研究场景下关注的时间范围，如有效期、临床实验年限等。

自然实体计算是指对真实世界中客观存在的自然对象及其过程事件进行数字化描述，并按照某种特定逻辑规则实施对自然实体的数字化建模，从而构建自然实体的数字对象模型实体，即数字实体，以实现对自然实体属性信息的检索、呈现、分析和过程事件演化及预测等计算。如对自然人、中国、地球、日地空间等构建的“数字人”、“数字地球”、“数字空间”等数字实体，及基于“数字人”的器官病变分析与治疗，基于“数字地球”的全球气候变化分析与预测，基于“数字空间”的空间天气分析与预报等。

自然实体计算本质上是在其数字实体的层面上展开的。随着观测和考察手段的日益丰富，科研人员能够采用全样本数据系统分析的方法对自然实体开展研究。数据驱动研究模式的前提是要将自然实体映射到计算机世界，构建其数字实体。因此，数字实体的构建，也即自然实体的数字化建模，是自然实体计算的重要前提和关键问题之一。基于此，构建自然实体数字化建模理论框架如图1所示。

2、自然实体数字化建模概念模型构建

自然实体的数字化建模本质上是对构成自然实体的空间、时间和要素三个实体进行形式化处理，并利用图、关系表、编码和函数等对形式化结果进行表达，最终得到自然实体的数字实体。对空间、时间实体进行离散，从而得到空间基本单元、时间基本单元及其之间的内在联系，是对空间、时间实体形式化较为有效和通用的方法。对要素实体形式化一般是指构建要素与时空基本单元之间的关联关系，该形式化过程一般通过要素映射实现。

在具体应用场景下，时空离散过程可以根据自然实体的不同时空特征采用不同的离散方法，从而得到不同类型的时空基本单元和具有不同内禀特性的内在联系。

空间实体根据其维度特征可以分为0维点类、1维线类、2维面类和3维体类。一般不需要对点类空间实体进行离散。对其他三类空间实体的离散方法一般包括点离散、剖分离散和矢量离散。空间基本单元包括空间基本点、线、面、体和格网等，它们之间的内在联系包括空间分布关系、空间邻接关系和空间拓扑关系等。

一维时间实体的离散方式包括等间隔离散和适应性离散，时间基本单元包括时间点和时间段，它们之间的内在联系一般包括时间顺序关系和时态拓扑关系。

此外，依据时间和空间之间的对应，可以将空间基本单元和时间基本单元组成耦合的时空基本单元，称为时空对基本单元，时空对基本单元之间也有一种重要的内在联系时空拓扑关系。所有时空对基本单元称为自然实体的时空域。

要素实体的形式化是通过要素与时空域之间关联关系的构造实现的。关联关系的构造一般是指构造时空域到要素实体值空间的映射，称为要素映射过程。根据关联关系内禀特质的不同，可以将要素形式化方法分为场类要素映射和对象类要素映射。场类要素映射构造时空域中所有时空点到要素值域的映射，而对象类要素映射构造时空域某个子集到要素值域的映射。

针对不同的模型结果，其形式化表达也不同。一般而言，在具体模型下的表达形式包括编码、函数等计算机直接处理的形式。

3、地球磁层数字化建模概念模型及伪表达模型构建

对地球磁层的空间、时间和要素三个实体进行形式化处理，并利用图、关系表、编码和函数等对形式化结果进行表达，最终得到自然实体的数字实体。对空间、时间实体进行离散，从而得到空间基本单元、时间基本单元及其之间的内在联系，是对空间、时间实体形式化较为有效和通用的方法。对要素实体形式化一般是指构建要素与时空基本单元之间的关联关系，该形式化过程一般通过要素映射实现。

利用UML图，在自然实体的层面上实现伪表达模型的构建，并将该伪表达模型应用到地球磁场，从而支持“数字地球磁层”的应用层模型构建。

利用UML类图在自然实体的概念下对空间、时间、要素实体的形式化结果进行统一表达，包括空间、时间两类基本单元及时空基本单元之间的内在联系和要素与时空基本单元之间的关联关系两种核心关系的表达，从而构建一种针对自然实体数字化建模的统一的伪表达模型。

地球磁层作为研究的自然实体记为NE，其空间、时间、要素分别记为SE、TE、EE，则NE＝{SE，TE，EE}。粒子在磁场中的运动包括三种形式：围绕磁力线的回旋运动、沿磁力线的弹跳运动以及垂直磁力线的漂移运动。漂移运动是指在一定条件下，带电粒子会在由磁力线段形成的一个封闭曲面上作垂直磁力线的运动，该曲面称为粒子运动的漂移壳。在对地球磁层的研究过程中，选取粒子运动所在的一系列漂移壳作为其物理空间实体进行研究。

要素实体包含K个要素，即EE＝{E₁，E₂，...，E_k，...，E_K}，一个要素称为要素实体的一个维度，其中，E_k表示第k个要素维度，D_(k，Q)＝[D₁，D₂，...，D_Q]表示要素E_k有Q个分量，若第m个要素E_m表示矢量要素地磁场强度，则Q＝3，表示地磁场有三个方向的分量D_(m，3)＝[B_x，B_y，B_z]。特别地，若第n个要素En表示标量要素，如粒子运动投掷角，则Q＝pitch angle。

su用于表示任意空间基本单元，su∈SU＝{su_i|i＝1，2，...，M}。对漂移壳的形式化可以利用剖分对各漂移壳进行离散实现。在磁经方向离散为一系列的磁力线，在磁纬方向进行等磁纬的磁力线追踪离散，利用追踪的各磁力线段和磁力线之间的磁纬线构成的格网，即为漂移壳空间的空间基本单元su。用集合SU表示所有空间基本单元，su_i表示第i个空间基本单元。i＝1，2，...，M表示一个空间实体被离散为M个空间基本单元，operation(su)表示定义在空间基本单元上的操作算子，如求其中心点等。

同理，tu∈TU＝{tu₁，tu₂，...，tu_N}用于表示任意时间基本单元，并且一个时间实体被离散为N个时间基本单元。operation(tu)表示定义在时间基本单元上的操作算子，如求时间段对应的起始时间等。地球磁场的时间实体可以是由应用场景确定一定的时间段，对其时间实体的形式化可以利用等时间间隔离散，也可以以空间天气事件为基本单元，对时间实体进行适应性离散。得到的等间隔或适应性的时间段即为时间基本单元tu。

stu表示一个耦合的时空对基本单元，stu∈STU＝SU×TU，其中，stu＝(su，tu)，符号×表示STU是SU和TU的笛卡尔积。

空间基本单元之间的内在联系包括空间拓扑关系、空间度量关系、空间分布关系、空间方向关系等，表示为RS＝{RS_topology，RS_metrics，...}，RS表示所有空间基本单元之间内在联系的集合，其下标表示空间关系的类型，如RS_topology表示空间拓扑关系。

时间基本单元之间的内在联系包括顺序关系、时态拓扑关系，表示为RT＝{RT_ordering，RT_topology，...}，RT表示所有时间基本单元之间内在联系的集合，其下标表示内在联系的类型；

然后，通过对这些基本单元以及它们之间内在联系的表达重构地球磁层的数字时空实体。数字时空实体的重构一般有三种方法：

第一种：依据对空间基本单元及其一种空间内在联系的表达重构数字空间实体，并在其基础上对应所有时间基本单元，从而实现数字时空实体的重构。

第二种，依据对时间基本单元及一种时间内在联系的形式化表达重构数字时间实体，并在其基础上对应所有空间基本单元，从而实现数字时空实体的重构。

第三种，根据耦合的时空对基本单元之间的时空内在联系重构数字时空实体，RST＝{RST_topology，...}，RST表示所有时空对基本单元之间的内在联系的集合，所述时空对基本单元之间的内在联系包括时空邻接关系和时空拓扑关系；

利用时空耦合编码对空间基本单元、时间基本单元进行耦合编码，通过编码对耦合的时空对基本单元及其之间的内在邻接关系进行表达，实现地球磁层的数字时空实体重构。

要素与时空基本单元之间的关联关系一般通过要素映射构建。用向量e_(k，Q)表示第k个要素E_k在数字时空实体下的映射值，e_(k，Q)即为D_(k，Q)的取值范围，则e_(k，Q)有Q个分量，即e_(k，Q)＝[e_(k，1)，e_(k，2)，...，e_(k，q)，...，e_(k，Q)]，其中e_(k，q)表示第k个要素第q个维度的取值。特别地，当第k个要素为标量要素时，Q＝1。

基于上述三种数字时空实体的构造形式，要素映射也有三种不同的形式。第一种映射关系与第一种数字时空构造形式相对应，表示为：

{[e_(k，1)，e_(k，2)，...，e_(k，Q)]＝f_k(su，tu＝const)|k＝1，2，...，K；Q} (2)

式(2)中，tu＝const表示在一个时间基本单元下，时间为常数，构造要素与空间基本单元之间的映射。(k＝1，2，...，K；Q)分号前的部分表示对要素实体的K个要素构造K个映射，对于每一个要素映射，其映射的形式f_k各不相同。此外，分号后的Q表示每类要素的分量个数Q的取值也各不相同。

与第二种数字时空实体构造方式对应，第二种映射关系表示为：

{[e_(k，1)，e_(k，2)，...，e_(k，Q)]＝f_k(su＝const，tu)|k＝1，2，...，K；Q} (3)

同理，su＝const表示在每个空间基本单元下进行要素与各时间基本单元之间的映射。

对应于数字时空构建方式的第三种映射关系表示为：

{[e_(k，1)，e_(k，2)，...，e_(k，Q)]＝f_k(su，tu)|k＝1，2，...，k；Q} (4)

综合上述过程，得到自然实体数字化建模伪表达基本模型(Basic Semi-Representation Model，BSRModel)。在图2构造的数字实体基础上可以实现针对要素信息的操作算子构建，如特定检索、因果分析等，表示为operation(E)。

4、“数字地球磁层”的应用层构建

粒子在磁场中的运动包括三种形式：围绕磁力线的回旋运动、沿磁力线的弹跳运动以及垂直磁力线的漂移运动。漂移运动是指在一定条件下，带电粒子会在由磁力线段形成的一个封闭曲面上作垂直磁力线的运动，该曲面称为粒子运动的漂移壳。漂移壳是地球磁层的一种物理空间实体。

地球磁层的数字化建模过程包括对各漂移壳物理空间、时间和要素三个实体的形式化及其形式化结果的表达。

利用等磁纬磁力线追踪的剖分方法对地球磁层的各漂移壳进行离散，实现地球磁层空间实体的形式化；利用等间隔的时间离散实现时间实体的形式化；并利用时空耦合编码实现空间基本单元、时间基本单元及时空邻接关系的形式化表达，从而实现地球磁层数字时空框架的构建。然后，将地磁场强度、粒子通量、粒子投掷角等要素映射到该时空框架上，实现各要素实体的形式化，利用关系表对关联关系进行形式化表达，从而实现地球磁层的数字化建模，构造“数字地球磁层”，示例如下表1。

表1

实施例2

本发明的实施例2提出了一种基于数字地球磁层的时空计算方法，该方法在“数字地球磁层”的基础上，可以定义相关时空范围查询、距离计算、方位计算等算子，在一定程度上实现各要素的时空计算。

在数字地球磁层中，定义时空计算算子，以数字地球磁层为基础对外提供基础性时空计算支持，从而可以作为数据查询、距离计算、方位计算等数据系统基础服务以及精细结构识别、耦合关系研究与要素的时空关联、演化分析等高级服务的计算基础。计算算子包括：

相关时空范围查询，以支持数字地球磁层中的数据时空访问；时空度量算子，如计算空间基本单元的面积、单元之间的距离、方位，以及时间基本单元之间的顺序关系等；时空拓扑算子，如数据间的相邻、相离、相交、覆盖等拓扑关系，构建时空拓扑算子，以在空间、时间两个维度上分析其拓扑关系。这些基础计算是实现各要素之间关联关系挖掘、时空演化分析等复杂计算的重要支撑，在一定程度上实现各要素的时空计算。

本发明的创造性在于：

首先，本发明从“地理实体”出发，建立了自然实体、自然实体计算以及自然实体数字化建模的概念，形成了较为完整的概念体系，并建立了自然实体数字化建模过程的概念模型。概念模型是对自然实体数字化建模过程的直观呈现，有助于对建模过程的理解。

其次，本发明在数字化建模逻辑层上，建立了伪表达模型，利用UML图为自然实体数字化建模过程构建统一的表达形式，为统一的应用表达模型构建奠定基础。

最后，本发明以地球磁层为具体研究对象，建立了“数字地球磁层”，实现了基于漂移壳的粒子资料组织，有利于针对漂移壳的粒子通量分布、时空关系分析等研究、计算。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种数字地球磁层的构建方法，所述方法包括：

以地球磁层为一种自然实体，确定其空间实体、时间实体和要素实体；

对空间实体和时间实体分别进行形式化，构建空间基本单元和时间基本单元；

通过对空间基本单元、时间基本单元以及各基本单元之间内在联系的表达，重构地球磁层的数字时空实体；

通过要素映射建立要素实体与数字时空实体之间的关联关系，由此构建与地球磁层自然实体对应的数字实体，即数字地球磁层，实现各要素信息在时空框架下的组织。

2.根据权利要求1所述的数字地球磁层的构建方法，其特征在于，所述以地球磁层为一种自然实体，确定其空间实体、时间实体和要素实体，具体包括：

将地球磁层作为自然实体记为NE，其空间、时间、要素分别记为SE、TE、EE，则NE＝{SE，TE，EE}；

要素实体包含K个要素，即EE＝{E₁，E₂，...，E_k，...，E_K}，一个要素称为要素实体的一个维度，其中，E_k表示第k个要素维度，D_(k，Q)＝[D₁，D₂，...，D_Q]表示要素E_k有Q个分量。

3.根据权利要求2所述的数字地球磁层的构建方法，其特征在于，所述对空间实体和时间实体分别进行形式化，构建空间基本单元和时间基本单元；具体包括：

利用对各漂移壳进行剖分离散实现漂移壳形式化，在磁经方向离散为一系列的磁力线，在磁纬方向进行等磁纬的磁力线追踪离散，利用追踪的各磁力线段和磁力线之间的磁纬线构成的格网，即为漂移壳空间的空间基本单元su；operation(su)表示定义在空间基本单元上的操作算子；

用集合SU表示所有空间基本单元，SU＝{su_i|i＝1，2，...，M}；su_i表示第i个空间基本单元；M个空间基本单元的个数；

对时间实体进行适应性离散，得到的等间隔或适应性的时间段为时间基本单元tu；operation(tu)表示定义在时间基本单元上的操作算子；

用集合TU表示所有空间基本单元，TU＝{tu₁，tu₂，...，tu_N}；tu_j表示第j个时间基本单元，N为时间基本单元的总数。

4.根据权利要求3所述的数字地球磁层的构建方法，其特征在于，所述通过对空间基本单元、时间基本单元以及各基本单元之间内在联系的表达，重构地球磁层的数字时空实体；具体包括：

stu表示一个耦合的时空对基本单元，stu∈STU＝SU×TU，其中，stu＝(su，tu)，符号×表示STU是SU和TU的笛卡尔积；

空间基本单元之间的内在联系包括空间拓扑关系、空间度量关系、空间分布关系和空间方向关系，RS表示所有空间基本单元之间内在联系的集合；

依据对空间基本单元及其一种空间内在联系的表达重构数字空间实体，并在其基础上对应所有时间基本单元，从而实现数字时空实体的重构。

5.根据权利要求4所述的数字地球磁层的构建方法，其特征在于，所通过要素映射建立要素实体与数字时空实体之间的关联关系，由此构建与地球磁层自然实体对应的数字实体，具体包括：

要素与时空对基本单元之间的关联关系通过要素映射构建；

用向量e_(k，Q)表示第k个要素E_k在数字时空实体下的映射值，e_(k，Q)即为D_(k，Q)的取值范围，则e_(k，Q)有Q个分量，即e_(k，Q)＝[e_(k，1)，e_(k，2)，...，e_(k，q)，...，e_(k，Q)]，其中e_(k，q)表示第k个要素第q个维度的取值；当第k个要素为标量要素时，Q＝1；

要素映射关系表示为：

{[e_(k，1)， e_(k，2)，...， e_(k，Q)]＝f_k(su，tu＝const)|k＝1，2，...，K；Q}

其中，tu＝const表示在一个时间基本单元下，时间为常数，构造要素与空间基本单元之间的映射；k＝1，2，...，K表示对要素实体的K个要素构造K个映射，对于每一个要素映射，其映射的形式f_k各不相同；Q表示每类要素的分量个数。

6.根据权利要求3所述的数字地球磁层的构建方法，其特征在于，所述通过对空间基本单元、时间基本单元以及各基本单元之间内在联系的表达，重构地球磁层的数字时空实体；具体包括：

stu表示一个耦合的时空对基本单元，stu∈STU＝SU×TU，其中，stu＝(su，tu)，符号×表示STU是SU和TU的笛卡尔积；

时间基本单元之间的内在联系包括顺序关系、时态拓扑关系，RT表示所有时间基本单元之间内在联系的集合；

依据对时间基本单元及一种时间内在联系的形式化表达重构数字时间实体，并在其基础上对应所有空间基本单元，从而实现数字时空实体的重构。

7.根据权利要求6所述的数字地球磁层的构建方法，其特征在于，所述通过要素映射建立要素实体与数字时空实体之间的关联关系，由此构建与地球磁层自然实体对应的数字实体，具体包括：

要素与时空对基本单元之间的关联关系通过要素映射构建；

用向量e_(k，Q)表示第k个要素E_k在数字时空实体下的映射值，e_(k，Q)即为D_(k，Q)的取值范围，则e_(k，Q)有Q个分量，即e_(k，Q)＝[e_(k，1)，e_(k，2)，...，e_(k，q)，...，e_(k，Q)]，其中e_(k，q)表示第k个要素第q个维度的取值；当第k个要素为标量要素时，Q＝1；

要素映射关系表示为：

{[e_(k，1)， e_(k，2)，...， e_(k，Q)]＝f_k(su＝const，tu)|k＝1，2，...，K；Q}

其中，su＝const表示在每个空间基本单元下进行要素与各时间基本单元之间的映射，k＝1，2，...，K表示对要素实体的K个要素构造K个映射，对于每一个要素映射，其映射的形式f_k各不相同；Q表示每类要素的分量个数。

8.根据权利要求3所述的数字地球磁层的构建方法，其特征在于，所述通过对空间基本单元、时间基本单元以及各基本单元之间内在联系的表达，重构地球磁层的数字时空实体；具体包括：

通过时空对应关系，将空间基本单元与时间基本单元耦合为时空对基本单元；stu表示一个耦合的时空对基本单元，stu∈STU＝SU×TU，其中，stu＝(su，tu)，符号×表示STU是SU和TU的笛卡尔积；

根据耦合的时空对基本单元之间的时空内在联系重构数字时空实体，RST表示所有时空对基本单元之间的内在联系的集合，所述时空对基本单元之间的内在联系包括时空邻接关系和时空拓扑关系；

利用时空耦合编码对空间基本单元、时间基本单元进行耦合编码，通过编码对耦合的时空对基本单元及其之间的内在邻接关系进行表达，实现地球磁层的数字时空实体重构。

9.根据权利要求8所述的数字地球磁层的构建方法，其特征在于，所述通过要素映射建立要素实体与数字时空实体之间的关联关系，由此构建与地球磁层自然实体对应的数字实体，具体包括：

要素与时空对基本单元之间的关联关系通过要素映射构建；

用向量e_(k，Q)表示第k个要素E_k在数字时空实体下的映射值，e_(k，Q)即为D_(k，Q)的取值范围，则e_(k，Q)有Q个分量，即e_(k，Q)＝[e_(k，1)，e_(k，2)，...，e_(k，q)，...，e_(k，Q)]，其中e_(k，q)表示第k个要素第q个维度的取值；当第k个要素为标量要素时，Q＝1；

要素映射关系表示为：

{[e_(k，1)， e_(k，2)，...， e_(k，Q)]＝f_k(su，tu)|k＝1，2，...，k；Q}

其中，k＝1，2，...，K表示对要素实体的K个要素构造K个映射，对于每一个要素映射，其映射的形式f_k各不相同；Q表示每类要素的分量个数。

10.一种基于数字地球磁层的时空计算方法，基于权利要求1-9之一所述的方法构建的所述数字地球磁层实现，所述方法包括：

在数字地球磁层中，定义时空计算算子，所述时空计算算子包括：相关时空范围查询、时空度量算子和时空拓扑算子；

所述相关时空范围查询，用于支持数字地球磁层中的数据时空访问；

所述时空度量算子，用于计算空间基本单元的面积、单元之间的距离、方位，以及时间基本单元之间的顺序关系；

所述时空拓扑算子，用于在空间、时间两个维度上分析数据间的相邻、相离、相交和覆盖的拓扑关系；

利用所述时空计算算子实现各要素的时空计算。

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