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文檔簡介
1、當今地理學研究正朝著系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)的研究范式轉(zhuǎn)變,并呈現(xiàn)處多尺度綜合集成的發(fā)展特點。地理信息系統(tǒng)(GIS)作為地理學的方法和技術(shù)支撐,應在對現(xiàn)實地理世界準確表達基礎(chǔ)上,實現(xiàn)不同尺度地理系統(tǒng)的綜合建模、模擬與分析。然而現(xiàn)有GIS以歐氏幾何和計算幾何為基礎(chǔ),高度依賴于坐標系統(tǒng),其運算和表達缺乏參數(shù)化和自適應特征,對地理語義、多尺度時空演化過程和要素相互作用的集成表達不夠,且難以直接支撐時空大數(shù)據(jù)的表達與分析需求。因此,迫切需要發(fā)展一種新的研究
2、模式對現(xiàn)實世界離散和連續(xù)、具象與抽象、幾何與代數(shù)等多重表達進行集成,支撐地理信息的結(jié)構(gòu)化、并行化處理與分析,實現(xiàn)多尺度地理場景及地理規(guī)律的表達、建模與綜合分析。
本文引入幾何代數(shù)理論,以支持地理分析和地理計算為目標,吸取認知對象整體及各部分之間動態(tài)聯(lián)系的格式塔理論,構(gòu)建以地理場景模型為基礎(chǔ)、以時空多維融合為特征、以幾何代數(shù)多重向量統(tǒng)一表達為核心的GIS地理場景幾何代數(shù)一體化建模理論與方法體系,探尋適應于地理場景計算的多維地理數(shù)
3、據(jù)的組織與存儲方法,構(gòu)建并優(yōu)化基于幾何代數(shù)算子的多維統(tǒng)一空間計算算子與算法庫。通過構(gòu)造多維統(tǒng)一的幾何代數(shù)計算空間和對模型層、代碼層、運算層的代碼拆分、重組與優(yōu)化,建立面向不同空間計算的幾何代數(shù)計算模式與空間計算模板,實現(xiàn)地理場景中GIS空間計算的并行計算,從而大幅提升現(xiàn)有空間計算的適用性與運算效率。論文的主要研究成果和內(nèi)容如下:
(1)構(gòu)建了基于幾何代數(shù)的場景表達概念模型,介紹了地理場景的概念和內(nèi)涵,闡述了地理場景表達的多元性
4、,總結(jié)了地理場景表達的六個基本要素;總結(jié)了典型的歐氏、齊次與共形空間的特征子空間及其內(nèi)涵,構(gòu)建了基于幾何代數(shù)的空間多維層次結(jié)構(gòu)和融合幾何、語義、關(guān)系、屬性信息的多要素復合結(jié)構(gòu);論述了基于幾何代數(shù)的地理空間表達理論,介紹包含內(nèi)積、外積和幾何積概念的幾何代數(shù)基礎(chǔ)理論及其對地理場景的表達支撐,并在此基礎(chǔ)上提出了幾何代數(shù)地理場景表達方法;在上述理論結(jié)構(gòu)支撐下,對場景GIS的表達和分析需求進行分析,總結(jié)了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),構(gòu)建基于幾何代數(shù)的場景GIS
5、數(shù)據(jù)模型總體結(jié)構(gòu),闡述了基于多重向量結(jié)構(gòu)的多維融合表達特征并設(shè)計了基于幾何代數(shù)的多要素場景模型。
(2)設(shè)計了基于幾何代數(shù)的場景模型實現(xiàn)與建模方法,構(gòu)建元素表達-對象表達-場景表達的場景組織層次模型,探討了矢量、網(wǎng)絡(luò)與時空場數(shù)據(jù)的幾何代數(shù)表達方法,從面向?qū)ο蟮慕嵌仍O(shè)計了場景中事件與狀態(tài)的嵌入方法:設(shè)計了基于MVTree的多重向量樹狀結(jié)構(gòu),并構(gòu)建了MVTree的數(shù)據(jù)遍歷與運算方法,實現(xiàn)層次化的場景空間關(guān)系求解。設(shè)計了場景數(shù)據(jù)模型
6、的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與表結(jié)構(gòu),構(gòu)建了場景數(shù)據(jù)建模與更新策略,設(shè)計了場景建模案例,實現(xiàn)常見地理場景數(shù)據(jù)的直接建模。
(3)分析了GIS空間表達與分析需求,構(gòu)建了以參數(shù)和算子為基礎(chǔ)的空間分析模板。研究常用空間計算在幾何代數(shù)框架下的流程結(jié)構(gòu)以及運算特性,對相關(guān)的幾何代數(shù)表達及算子算法加以解析,結(jié)合GIS空間表達與計算模式,定義了基于GA的GIS空間表達參數(shù)體系和空間計算算子庫。利用典型空間分析模型的流程分割與結(jié)構(gòu)拆分,并構(gòu)造了基于幾何代數(shù)的地
7、理空間計算模型運算模式,構(gòu)建了三類典型的空間模板,并給出示范案例,實現(xiàn)基于GA空間分析模板的地理空間分析算法構(gòu)建。
(4)對基于幾何代數(shù)的空間表達結(jié)構(gòu)和運算進行分析,根據(jù)幾何代數(shù)運算的特點,結(jié)合空間計算應用需求,構(gòu)建空間計算幾何代數(shù)表達的結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略與方法。研究基于位運算的幾何代數(shù)向量編碼、基于預乘表的運算優(yōu)化以及多重向量的分片并行優(yōu)化,設(shè)計了運行時代碼動態(tài)綁定的算法效率優(yōu)化與并行策略。探討了基于幾何代數(shù)的常見矢量與柵格算法分
8、析流程,利用幾何代數(shù)運算流程的獨立性與統(tǒng)一性,建立基于幾何代數(shù)表達的空間計算模型配置與運行的粒度分割與流程分解,建立常用幾何代數(shù)算子的并行化計算結(jié)構(gòu),進而在此基礎(chǔ)上,建立基于幾何代數(shù)的GIS并行計算算法的構(gòu)造。設(shè)計了面向并行優(yōu)化的GIS計算引擎,引入腳本化的模板開發(fā)方法,利用幾何代數(shù)層和平臺層相結(jié)合的雙層編譯機制實現(xiàn)運行時代碼的動態(tài)綁定。設(shè)計了算法并行案例,對并行效果進行了驗證。
(5)利用上述理論成果,設(shè)計了多層多時相地理場
9、景數(shù)據(jù)建模與分析案例。該案例使用南極800萬年時間跨度的海洋-陸地-冰蓋耦合數(shù)據(jù)建立多層、多時相場景模型。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了一個集成的時空分析工具來支持這種多層次時空變化的地理現(xiàn)象分析。實現(xiàn)了不同維度的多層數(shù)據(jù)建模與可視化,所建立的非相交球樹索引可以有效查詢到任意時段,任意層的表面和內(nèi)部區(qū)域;最后設(shè)計了場景基本度量屬性與形態(tài)學特征計算算子,求得不同時相上南極空間特征,變化檢測模型用來提取主要特征結(jié)構(gòu)隨著時間的變化趨勢。并探討了場景分析算
10、法的并行化優(yōu)化。
(6)設(shè)計了動態(tài)約束場景的建模與分析案例,模擬了污染物約束的條件下的城市場景中的疏散路徑求解。設(shè)計了模板式的場景分析流程,利用三種基本模板結(jié)構(gòu)構(gòu)建了場景狀態(tài)插值,狀態(tài)更新和關(guān)系計算模板,實現(xiàn)路徑數(shù)據(jù)的動態(tài)計算與更新。最后設(shè)計了帶約束的動態(tài)最優(yōu)路徑查找算法,實現(xiàn)動態(tài)場景中疏散路徑的求解。
本論文的研究顯示:基于幾何代數(shù)構(gòu)建的GIS場景模型可滿足多維度、多要素、動態(tài)的地理場景分析要求,所設(shè)計的數(shù)據(jù)模型和
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