CN116049521A - 一种基于空间网格编码的时空数据检索方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于空间网格编码的时空数据检索方法，属于软件设计领域，本发明以空间网格编码方式压缩空间数据表征维度（以一维编码表征空间），作为时空数据的关键数据索引来满足大量数据快速检索要求，同时引入时间等其他维度作为扩展，并通过多种检索模式来满足空间数据的多尺度检索问题。

Description

一种基于空间网格编码的时空数据检索方法

技术领域

本发明涉及软件设计领域，尤其涉及一种基于空间网格编码的时空数据检索方法。

背景技术

在地理信息构成的各类空间数据应用中，基于空间网格编码已广泛应用与遥感、地理实体等各类空间信息的数据管理中。时空数据是以空间对象为描述对象，按照一定的空间数据模型组织和描述，并提供基于时间、空间等维度的数据。现有的数据检索方法，通常跟据查询条件进行时间、空间等条件匹配，或通过数据编码索引进行匹配，但是存在数据查询精准度低、查询效率低、查询模式单一等情况。传统的时空数据检索技术主要有以下几种：

第一种是在数据中提取一组时空组合条件的数据，按照条件优先级循环遍历数据集，逐一对比检查是否满足匹配条件，此类方法简单，但数据检索效率极低。

第二种是如申请号为CN 201911256837.1的中国发明专利《基于时空碰撞的快速检索方法及系统》中采用GeoHash算法对数据进行栅格编码并用对象标识和定位时间生成唯一的优化编码排序进行数据存储，其空间检索匹配只支持精准匹配，且只支持Hbase数据库。

第三种是如申请号为CN 201911299900.X的中国发明专利《一种基于时空碰撞的数据查询方法及装置》中采用确定了按照时间、空间、其他查询条件为固定顺序的时空数据查询规则，但不涉及对空间数据的检索优化方法。

第四种是如申请号为CN 202111368529.5的中国发明专利 《一种基于时空网络的关联挖掘方法、终端设备及存储介质》中采用时空网格编码组合，关联挖掘采用数据类型-时间戳-经纬度为组合条件的遍历查询，其方法针对空间位置采用经纬度作为文本的查询方式，对查中空间数据的容差（容许的误差空间范围）策略单一。

第五种是如申请号为CN 112685407 A的中国发明专利《一种基于GeoSOT全球剖分网格编码的空间数据索引方法》中采用GeoSOT剖分网格编码将检索规则统一为一维四进制编码来构建数据索引，其对时空数据对象的空间编码构建方法、检索构建、时空邻近检索机制未涉及。

由于传统的时空数据检索方法具有：空间数据组织简单、检索效率慢，空间数据索引方式不能较好的反映空间对象的空间分布关系，检索方法无法针对空间数据的多尺度问题进行挖掘，检索空间复杂度较大，因此不能够满足人们对大量时空数据的快速查询与数据挖掘的需求。

发明内容

针对现有技术对空间数据索引组织空间复杂度较大、对空间数据的多尺度检索等存在的不足之处，本发明目的在于提供了一种基于空间网格编码的时空数据检索方法，以空间网格编码方式压缩空间数据表征维度（以一维编码表征空间），作为时空数据的关键数据索引来满足大量数据快速检索要求，同时引入时间等其他维度作为扩展，并通过多种检索模式来满足空间数据的多尺度检索问题。

本发明的技术方案是：

一种基于空间网格编码的时空数据检索方法，包括：

步骤S1：建立时空数据编码模型，将时空数据对象基于地理空间网格剖分框架，按照空间尺度赋予空间网格编码（采用一维编码标识），以哈希表结构进行存储, 时间、数据表征关键字段作为辅助存储数据，或将空间网格编码、时间、数据关键字段作为索引项；

步骤S2：当接收到待检索时空数据时，根据待检索分析数据的经纬度、时间、空间扩展指数、检索网格等级等数据，且经纬度作为必要检索条件，受限将经纬度转换为空间网格编码，根据采用检索模式进行相应检索，检索模式包括精准空间检索、周边空间检索、时空关联检索等时空检索模式，从表中查找相关数据。

进一步的，所述时空数据组织，时空数据来源包括不限于静态空间对象、动态空间对象等具有空间属性的对象，其按照空间几何形体可划分为点状、线状和面状类型，且按照实际用途和需求可将任何空间尺度的对象抽象为低维度空间对象表达，如一辆车、一座建筑、一艘轮船、地球等可抽象为点状对象记录，如道路面、建筑面等也可抽象为线状对象记录，即面状对象可抽象为线状、点状，线状对象可抽象为点状。其数据组成必含有描述空间坐标的记录项，记录坐标可为经纬度、世界坐标、弧度坐标等数据格式。通过地理空间网格剖分实现点、线、面对象的统一，实现不同尺度的地名地址对象的离散组织。获取线状、面状地名地址对象的中心或重心空间坐标[x,y,z]。

进一步的，基于空间网格对时空数据进行剖分，将时空数据划分到不同尺度层上的网格单元上，其划分尺度可采用用户自定义设置、空间尺度等多种划分方法，并对其赋予一维空间网格编码，通过空间网格编码将时空数据组织为统一标准时空数据模型。空间网格编码构建流程如下：

（1）时空数据网格剖分可基于用户自定义的剖分规格（见表1），也可根据其空间几何外包围盒空间尺度进行划分，比如线、面等空间对象可按照外包围盒最小范围确定其在的网格单元规格，再获取其空间网格编码；

（2）选择时空数据集合，获取其几何中心点（可选择重心、质心等表征几何对象代表点）将经纬度坐标转换为GBT16831-1997规定的形式，即A°B′C.D″，按照度、分、秒及秒以下转换为二进制，即将度|A|由十进制树转换为8bit定长二进制(A)2，将分B由十进制转换成6bit定长二进制数（B）2，将秒及秒以下C.D由十进制转换成17bit定长二进制（其中秒为6bit定长，秒以下为11bit定长）,分别获取经纬度二进制编码；

（3）根据经纬度二进制编码和设置空间尺度层级level或跟据空间对象尺度计算获取的空间尺度层级level计算取得该点的GeoSOT网格编码，将经纬度二进制数值进行莫顿交叉（纬度前置、经度后置），获取二进制混合编码；将二进制混合编码转成四进制编码，根据所求网格级别将编码中31-level位码元去掉获得编码，根据经纬度所处半球判断其所处半球，加上1级网格编码GX，获取最终的空间网格编码。

进一步的，构建的时空数据对应的空间网格编码以哈希表进行存储或作为索引构建，并将时间戳-空间网格编码组合编码也以哈希表/索引表进行存储，原则上可选择其中一种方式构建数据索引，具体视数据库支持类型。

进一步的，收到检索分析的数据，将数据中经纬度按照空间网格编码构建流程转换为空间网格编码，然后根据检索分析数据的经纬度、空间网格编码、时间等信息，从哈希表/索引表中查找关联数据。具体检索模式可分精准空间检索、周边空间检索、时空关联检索等类型，以下为具体步骤：

S21：根据待检索数据的空间网格编码确定查找数据的空间网格；

S22：根据待检索数据的时间数据转换为标准时间戳格式，确定查找数据的时刻或时间片段；

S23：根据待检索数据的其他数据指标确定查找数据。

进一步的，

根据待检索数据的空间网格编码，按照精准空间检索模式得到待查中数据在表中空间网格编码完全匹配的空间结果数据集。

根据待检索数据的经纬度和空间扩展指数、检索网格等级，按照精准空间检索模式得到扩大检索范围的空间网格编码，在哈希表/索引表中模糊匹配得到空间结果数据集。具体如下：

（1）根据待检索数据的经纬度、检索网格等级确定当前检索数据网格编码，并根据空间扩展指数，即当前网格等级扩大范围，如空间扩展指数为2，即检索范围扩大一倍，即需获取邻近9个网格中的其他8个网格编码；

（2）根据获得的网格编码集合，逐个按照精准空间检索模式得到待查中数据在哈希表/索引表中空间网格编码完全匹配的空间结果数据集。

根据待检索数据的时间戳确定待查找中数据，若时间为时刻，则匹配精准匹配检索得到时间结果数据集；若时间为时间片段，则以该时段的前后时间戳作为待查找数据的时间查找范围。

根据待检索数据的其他数据指标确定查找数据，需依赖于S21和S22中检索结果，S21、S22步骤可按照并行、线行方式执行，采用并行模式需获取空间结果数据集与时间结果数据集的交集数据集，作为S23的待检索数据集，采用线行模式需将前者结果数据集作为后者的待检索数据集。

本发明的有益效果是：

（1）实现时空数据基于空间网格编码为主的组织管理，通过一维编码索引大大降低空间数据检索复杂度，可以有效检索处满足以空间为主的时空约束条件的目标信息；

（2）提出以空间、时间为组合的时空检索方法，可对检索数据逐级过滤；

（3）提出基于空间网格编码的邻近空间对象检索方法，扩展了空间关系检索类型。

附图说明

图1是时空数据空间网格编码模型示意图；

图2是时空数据空间网格剖分方式示意图；

图3是时空数据检索方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于空间网格编码的时空数据检索方法，具体实现步骤如下：

S1：建立时空数据编码模型，将时空数据对象基于地理空间网格剖分框架，按照空间尺度赋予空间网格编码（采用一维编码标识），以哈希表结构进行存储, 时间、数据表征关键字段作为辅助存储数据，或将空间网格编码、时间、数据关键字段作为索引项，构建索引表；

S2：当接收到待检索时空数据时，根据待检索分析数据的经纬度、时间、空间扩展指数、检索网格等级等数据，且经纬度作为必要检索条件，受限将经纬度转换为空间网格编码，根据采用检索模式进行相应检索，检索模式包括精准空间检索、周边空间检索、时空关联检索等时空检索模式，从哈希表/索引表中查找相关数据。

步骤S1中时空数据组织，时空数据来源包括不限于静态空间对象、动态空间对象等具有空间属性的对象，其按照空间几何形体可划分为点状、线状和面状类型，且按照实际用途和需求可将任何空间尺度的对象抽象为低维度空间对象表达，如一辆车、一座建筑、一艘轮船、地球等可抽象为点状对象记录，如道路面、建筑面等也可抽象为线状对象记录，即面状对象可抽象为线状、点状，线状对象可抽象为点状。其数据组成必含有描述空间坐标的记录项，记录坐标可为经纬度、世界坐标、弧度坐标等数据格式。通过地理空间网格剖分实现点、线、面对象的统一，实现不同尺度的地名地址对象的离散组织。获取线状、面状地名地址对象的中心或重心空间坐标[x,y,z]。

步骤S1中的基于空间网格对时空数据进行剖分，将时空数据划分到不同尺度层上的网格单元上，其剖分等级可采用用户自定义设置、空间尺度等多种划分方法（见图2），并对其赋予一维空间网格编码，通过空间网格编码将时空数据组织为统一标准时空数据模型。

步骤S1中的空间网格编码构建流程如下：

（1）时空数据网格剖分可基于用户自定义的剖分规格（见表1），也可根据其空间几何外包围盒空间尺度进行划分，比如线、面等空间对象可按照外包围盒最小范围确定其在的网格单元规格，再获取其空间网格编码；

（2）选择时空数据集合，获取其几何中心点（可选择重心、质心等表征几何对象代表点）将经纬度坐标转换为GBT16831-1997规定的形式，即A°B′C.D″，按照度、分、秒及秒以下转换为二进制，即将度|A|由十进制树转换为8bit定长二进制(A)2，将分B由十进制转换成6bit定长二进制数（B）2，将秒及秒以下C.D由十进制转换成17bit定长二进制（其中秒为6bit定长，秒以下为11bit定长）,分别获取经纬度二进制编码；

（3）根据经纬度二进制编码和设置空间尺度层级level或跟据空间对象尺度计算获取的空间尺度层级level计算取得该点的GeoSOT网格编码，将经纬度二进制数值进行莫顿交叉（纬度前置、经度后置），获取二进制混合编码；将二进制混合编码转成四进制编码，根据所求网格级别将编码中31-level位码元去掉获得编码，根据经纬度所处半球判断其所处半球，加上1级网格编码GX，获取最终的空间网格编码（具体可参考GB/T 40087-2021标准）。

步骤S1中的构建的时空数据对应的空间网格编码以哈希表进行存储或作为索引构建，并将时间戳-空间网格编码组合编码也以哈希表/索引表进行存储，原则上可选择其中一种方式构建数据索引，具体视数据库支持类型。

步骤S2中收到检索分析的数据，将数据中经纬度按照S1中将空间坐标转换为空间网格编码，然后跟据检索分析数据的经纬度、空间网格编码、时间等信息，从哈希表/索引表中查找关联数据。具体检索模式可分精准空间检索、周边空间检索、时空关联检索等类型，以下为具体步骤：

S21：根据待检索数据的空间网格编码确定查找数据的空间网格；

S22：根据待检索数据的时间数据转换为标准时间戳，确定查找数据的时刻或时间片段；

S23：根据待检索数据的其他数据指标确定查找数据。

进一步的，待检索数据的数据维度可根据对空间、时间的查询优先顺序进行调整，比如针对精准空间检索类型，可优先确定S21步骤，针对以时间片段（即查询一段时间内）检索类型，可优先确定S22步骤。

步骤S21中根据待检索数据的空间网格编码，按照精准空间检索模式得到待查中数据在表中空间网格编码完全匹配的空间结果数据集。

步骤S21中根据待检索数据的经纬度和空间扩展指数、检索网格等级，按照精准空间检索模式得到扩大检索范围的空间网格编码，在哈希表/索引表中模糊匹配得到空间结果数据集。具体如下：

（1）根据待检索数据的经纬度、检索网格等级确定当前检索数据网格编码，并根据空间扩展指数，即当前网格等级扩大范围，如空间扩展指数为2，即检索范围扩大一倍，即需获取邻近9个网格中的其他8个网格编码；

（2）根据获得的网格编码集合，逐个按照精准空间检索模式得到待查中数据在哈希表/索引表中空间网格编码完全匹配的空间结果数据集。

步骤S22中根据待检索数据的时间戳确定查找待数据，若时间类型为时刻，则匹配精准匹配检索得到时间结果数据集；若时间类型为时间片段，则以该时段的前后时间戳作为待查找数据的时间查找范围。

步骤S23中根据待检索数据的其他数据指标确定查找数据，需依赖于S21和S22中检索结果，S21、S22步骤可按照并行、线行方式执行，采用并行模式需获取空间结果数据集与时间结果数据集的交集数据集，作为S23的待检索数据集，采用线行模式需将前者结果数据集作为后者的待检索数据集。

表 1地球参考椭球面地球空间网格规格

。

本发明还提供了一种基于空间网格编码的时空数据检索终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所属存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明上述的方法的步骤。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明上述的方法的步骤。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，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做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于空间网格编码的时空数据检索方法，其特征在于，

步骤S1：建立时空数据编码模型，将时空数据对象基于地理空间网格剖分框架，按照空间尺度赋予空间网格编码即采用一维编码标识；以哈希表结构进行存储, 时间、数据表征关键字段作为辅助存储数据；或将空间网格编码、时间、数据关键字段作为索引项；

步骤S2：当接收到待检索时空数据时，根据待检索分析数据的经纬度、时间、空间扩展指数、检索网格等级数据，且经纬度作为必要检索条件，受限将经纬度转换为空间网格编码，采用检索模式进行相应检索，检索模式包括精准空间检索、周边空间检索、时空关联检索，从表中查找相关数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

时空数据来源包括静态空间对象、动态空间对象，其按照空间几何形体可划分为点状、线状和面状类型，且按照实际用途和需求可将任何空间尺度的对象抽象为低维度空间对象表达，即面状对象可抽象为线状、点状，线状对象可抽象为点状；其数据组成必含有描述空间坐标的记录项；通过地理空间网格剖分实现点、线、面对象的统一，实现不同尺度的地名地址对象的离散组织；获取线状、面状地名地址对象的中心或重心空间坐标[x,y,z]。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

基于空间网格对时空数据进行剖分，将时空数据划分到不同尺度层上的网格单元上，其划分尺度采用用户自定义设置、空间尺度的划分方法，并对其赋予一维空间网格编码，通过空间网格编码将时空数据组织为统一标准时空数据模型。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

空间网格编码构建流程如下：

（1）时空数据网格剖分可基于用户自定义的剖分规格，也可根据其空间几何外包围盒空间尺度进行划分，再获取其空间网格编码；

（2）选择时空数据集合，获取其几何中心点经纬度坐标转换为GBT16831-1997规定的形式，即A°B′C.D″，按照度、分、秒及秒以下转换为二进制，即将度A由十进制树转换为8bit定长二进制A2，将分B由十进制转换成6bit定长二进制数B2，将秒及秒以下C.D由十进制转换成17bit定长二进制，其中秒为6bit定长，秒以下为11bit定长,分别获取经纬度二进制编码；

（3）根据经纬度二进制编码和设置空间尺度层级level或跟据空间对象尺度计算获取的空间尺度层级level计算取得该点的GeoSOT网格编码，将经纬度二进制数值进行莫顿交叉即纬度前置、经度后置，获取二进制混合编码；将二进制混合编码转成四进制编码，根据所求网格级别将编码中31-level位码元去掉获得编码，根据经纬度所处半球判断其所处半球，加上1级网格编码GX，获取最终的空间网格编码。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，

构建的时空数据对应的空间网格编码以哈希表进行存储或作为索引构建，并将时间戳-空间网格编码组合编码以哈希表或索引表进行存储。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

收到检索分析的数据，将数据中经纬度按照空间网格编码构建流程转换为空间网格编码，然后根据检索分析数据的经纬度、空间网格编码、时间信息，从哈希表/索引表中查找关联数据；

具体检索模式可分精准空间检索、周边空间检索、时空关联检索，以下为具体步骤：

S21：根据待检索数据的空间网格编码确定查找数据的空间网格，

S22：根据待检索数据的时间数据转换为标准时间戳格式，确定查找数据的时刻或时间片段；

S23：根据待检索数据的其他数据指标确定查找数据。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

根据待检索数据的空间网格编码，按照精准空间检索模式得到待查中数据在表中空间网格编码完全匹配的空间结果数据集。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

根据待检索数据的经纬度和空间扩展指数、检索网格等级，按照精准空间检索模式得到扩大检索范围的空间网格编码，在哈希表/索引表中模糊匹配得到空间结果数据集；

具体如下：

（1）根据待检索数据的经纬度、检索网格等级确定当前检索数据网格编码，并根据空间扩展指数，即当前网格等级扩大范围；

（2）根据获得的网格编码集合，逐个按照精准空间检索模式得到待查中数据在哈希表/索引表中空间网格编码完全匹配的空间结果数据集。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

根据待检索数据的时间戳确定待查找中数据，若时间为时刻，则匹配精准空间检索模式得到时间结果数据集；若时间为时间片段，则以该时段的前后时间戳作为待查找数据的时间查找范围。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

根据待检索数据的其他数据指标确定查找数据，需依赖于S21和S22中检索结果，S21、S22步骤可按照并行、线行方式执行，采用并行模式需获取空间结果数据集与时间结果数据集的交集数据集，作为S23的待检索数据集，采用线行模式需将前者结果数据集作为后者的待检索数据集。

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