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创新全空间信息系统理论 引领地理信息技术发展
2019-09-03
传统地理信息系统（Geographic InformationSys- tem，GIS）已建立了成熟的基础理论、应用平台和相关标准，但随着空间信息应用领域、应用模式、信息内容、分析方法、展现方式等的拓展，已越来越难以满足人类认知客观世界的需要。全空间信息系统将地理信息系统的空间尺度扩展到了微观和宏观空间，将空间数据扩展到了时空大数据，将空间分析扩展到了大数据空间解析，提出了构建无所不在的空间信息系统世界的构想。基于全空间信息系统的理念，突破传统GIS的局限，亟待研究新的建模理论、解决相应关键技术、建立新型空间信息系统平台。我国在传统GIS领域已经赶上了国际先进水平，而研究解决全空间信息系统理论与技术问题，则是引领空间信息系统发展方向的重要契机。
在国家重点研发计划项目（基础前沿类）的支持下，战略支援部队信息工程大学华一新教授牵头开展了“全空间信息系统与智能设施管理（2016YFB0502300）”研究，创建以多粒度时空对象来描述现实世界（含人机物三元世界）的全空间信息系统建模理论，解决多粒度时空对象描述、生成、管理、分析、可视化等关键技术，研制全空间信息系统平台，开展应用示范，实现理论与技术的原始创新，开创空间信息系统构建与应用的新模式，引领地理信息系统技术的发展方向。
1 研究内容
该项目突破传统GIS以地图为模板的间接建模方法，以多粒度时空对象来直接描述从微观到宏观的现实世界。关键技术问题：突破多粒度时空对象生成、管理、分析、可视化、平台构建和实际应用等核心技术，建立基于多粒度时空对象模型的全空间信息系统平台和应用示范系统。共分为5部分：中国科学院地理科学与资源研究所牵头承担“全空间信息系统建模理论”，北京博阳世通信息技术有限公司牵头承担“多粒度时空对象组织与管理”，西南交通大学牵头承担“多模态时空对象分析与可视化”，战略支援部队信息工程大学牵头承担“全空间信息系统平台研制”，中国电子科技集团公司第二十八研究所牵头承担“智能设施管理与应用示范工程”。
（1）全空间信息系统建模理论。突破传统GIS以地图为模板的空间信息建模方法，以多粒度时空对象来直接描述从微观到宏观的现实世界，为全空间信息系统奠定理论基础。
（2）多粒度时空对象数据模型与数据管理技术。研究全空间多粒度时空对象的一体化数据模型、全生命周期管理等技术，研制时空对象生成、管理与计算的核心模块，解决多粒度时空对象的构建和管理问题。
（3）多模态时空对象分析与可视化技术。研究全空间信息归一化组织、多模态计算与分析、可视化及可视交互等技术，研制时空对象计算、分析和表达的核心模块，解决多粒度时空对象的分析和可视化问题。
（4）全空间信息系统平台研制。研制全空间信息系统体系框架、访问引擎、计算引擎、建模工具、整合工具、系统定制工具、应用开发环境等，建立基于多粒度时空对象模型的全空间信息系统平台。
（5）智能设施管理技术与应用示范系统构建。解决设施信息标准化建模和时空对象集成等技术问题，基于全空间信息系统平台构建应用示范系统，验证项目成果的应用效能。
2 创新成果
2.1 全空间信息建模理论
针对以地图为模板的传统地理信息建模方式在全空间体系下在空间信息的获取、管理、计算、表达和应用方面所面临的几何化抽象、静态模型化与离散化、行为与认知建模、符号化与表达以及数据组织与管理的困境和挑战，在对客观世界认知的逻辑体系上，创新性地采用由客观世界到计算机世界直接映射的建模方式，构建以多粒度时空对象为核心的全空间信息建模理论。
多粒度时空对象建模的主要内容是通过建立在具有时间、空间和变化特征的实体上的表达模型和操作模型来实现客观世界在全空间框架下的多粒度对象化建模。其中，表达模型用于定量化描述客观实体和实体之间的时空参照、时空位置、空间形态、属性特征、组成结构、关联关系、行为特征和认知能力等8个方面的内容，进而形成对客观实体在全空间下的全方位抽象与表达；操作模型是对客观实体所抽象的对象进行构造与析构、分解与组合、转换与演化、关系动态、以及学习与决策共5类处理操作，形成对客观实体的动态演化和相互作用的抽象过程建模。
与传统的地理信息建模方法相比，以多粒度时空对象为核心的全空间信息建模具有空间特征全、类型特征全、动态特征全和属性特征全等显著特点，从理论上解决了传统的几何化抽象建模方法的尺度单一、维度单一、计算方式单一和认知角度单一等在全空间体系中的不足。在空间信息建模方式上发展到对空间对象的多尺度、多维度、多角度、多类型、多形态、多参照、多元关联、多维动态和多能自主的建模体系。
目前，已完成全空间信息系统理论体系的构建和初步落地，在理论模型的基础上建立多粒度时空对象数据结构、数据模型和交换格式，为全空间信息系统关键技术的研究奠定基础。
2.2 多粒度时空对象建模技术
在全空间信息系统理论的基础上，构建了多粒度时空对象建模技术。根据多粒度时空对象描述模型，研究了时空对象的分类体系以及属性特征、形态特征、逻辑关系、行为控制机制等的描述方法；根据多粒度时空对象形式化表达模型，建立了多粒度时空对象语义、尺度、维度、时态和认知等特征要素的逻辑表达规范与核心内容；根据多粒度时空对象计算与操作，研究了时空对象生成、消亡、分解、组合、转换、关联、运动、表达和认知等的计算与操作方法，进而形成完整的全空间体系下多粒度时空对象建模方法，创建了全空间、全属性、全关联和全动态多粒度时空对象建模技术，研制了多粒度时空对象建模工具，解决了全空间多粒度对象化数据生成问题。
2.3 多粒度时空对象管理技术
突破了一体化混合架构的多粒度时空对象数据库和访问引擎技术，构建了多粒度时空对象一体化数据模型，研制了时空对象检索工具和时空对象访问引擎，实现了多粒度时空对象时间、位置、形态、属性、关联等特征的一体化描述、统一存储、实时访问和全生命周期管理。
全空间数据具有多源、异构、动态和海量的特点。在持久化存储数据时，由于涉及到不同的数据组织管理方式，需要考虑混合持久化存储系统。同时，由于需要面向分布式计算、实时计算和批处理计算等不同的计算模型，混合持久化存储系统中包括了并行文件系统、分布式文件系统、网络文件系统、大容量内存数据管理等在内的多种存储模式。并且，在面向统一的检索和计算时，能提供多种存储模式之间的数据调度、存储的负载均衡策略以及持久化层高可用性的解决方案。针对多粒度时空对象的时空、属性、形态和行为特征，设计并提出一种适用于海量数据检索的多维混合索引架构，实现了一种高度关联大数据的存储方法及管理系统，研制了支持时间、空间、属性、关联等多种组合时空查询模式的对象数据访问引擎，提供了对人机物三元融合的多粒度时空对象的快速检索和调度。
2.4 多模态时空对象分析技术
针对多模态时空大数据多源异质、时空基准不一致、特征多元、语义复杂等关键问题，项目研究了人机物多元空间协同表达模型，建立了多元空间统一的时空基准，构建人机物三元世界多模态时空对象统一时空基准下空间与时间标签及其关联关系，提出了多模态时空数据的归一化映射与统一建模方法、高效的时空数据降维与稀疏表征方法，设计了多模态时空数据归一化规则引擎，提供灵活多样的多模态数据归一化处理方法，归一化具有多元、多尺度、多语义、多模态等特征的大数据，把时空数据映射到多个关联的低维、本征的稀疏数据空间，增强多模态时空大数据可解释性和可应用性，实现人类社会、现实世界和信息世界等多元空间的高效用关联和协同表达，为高性能的多模态分析与自适应可视化奠定基础。
根据人类由浅入深，由发现现象、到解释原因、找出规律，再到做出决策的认知规律，项目构建了全空间信息系统多模态时空对象层次化分析技术体系，研究建立了以空间思维为中枢的“超级大脑”：四个层次（描述、诊断、预测、处方）的分析功能与三个层次（展示、分析、探索）的可视化功能相互融合与协同，构成从描述性可视分析到解释性可视分析和探索性可视分析的多层次可视分析体系。并进一步将多模态时空对象分析划分为六个基本层次：通用基础分析、基本描述性分析、基本诊断性分析、基本预测性分析、基本处方性分析和基本探索性可视分析。分别加以实现，为全空间信息系统提供体系化的多模态时空对象分析计算能力。
2.5 全空间增强现实可视化技术
突破了多粒度时空对象增强现实表达的参数化视觉描述技术，支持“连续与离散、动态与静态、精细与概略、真实感与抽象”的全空间场景的增强现实表达，解决了全空间信息系统多粒度时空对象可视化的关键问题。
根据实时绘制场景数据请求、场景分析操作请求以及场景交互请求等3种不同层次可视化任务，以任务为中心，构建任务感知的全空间信息系统自适应可视化机制，自适应地适配多粒度对象场景数据以及优化调度存储、绘制与计算资源，保证可视分析的实时交互性和高扩展性，最优化满足多样化可视化应用需求。针对多模态时空数据与多样化可视化环境的特点，根据展示性、分析性以及探索性多层次可视化任务需求，设计研制新一代空间信息系统的自适应可视化引擎，主要包括多层次可视化任务模型、自适应可视化引擎以及语义级视觉变量、多模态多层次混合的场景数据索引方法关键技术。
2.6 全空间信息系统平台
全空间信息系统平台在全空间信息系统建模理论支撑下，利用云计算平台，构建具备 PB 级分布式数据存储与高性能计算能力的云计算环境；采用“云边端”协同的应用模式和体系架构，在云计算环境中搭建全空间数据库，设计开发多粒度时空对象访问和计算引擎，为全空间信息系统平台提供访问调度和计算开发的能力；搭建开放、标准的集成开发环境，为分析模型、服务、模块、APP（应用程序）等提供丰富的接口和灵活的扩展框架；支持多协议、多类型的智能设施接入，具备流式时空大数据管理与实时分析能力，实现现实世界与全空间信息系统的联动；通过对多粒度时空对象的建模、获取（接入）、分布式存储、混搭式管理、多模式访问调度、多关联时空分析、多模态可视化等支持，创新性地实现了地理信息系统在空间维度、时间维度、语义维度、计算模式和信息范畴等方面的扩展。
目前，已基于全空间信息系统集成平台，集成多粒度时空对象建模工具、多粒度时空对象数据库管理系统、多粒度时空对象分析和可视化功能，形成了全空间信息系统平台原型，并以应用示范案例进行试验，验证了项目技术路线的可行性。
全空间信息系统建模理论的建立与落地和全空间信息系统平台原型的建立与试验，已经展现出了全空间信息系统的全空间、多粒度、多维动态、复杂关联、虚实交互、智能分析等特征，验证了全空间信息系统理论方法与技术路线的正确性和先进性，为后续研究奠定了良好的基础，同时显示了广阔的应用前景。全空间信息系统将传统 GIS 从狭义的空间信息系统扩展为广义的空间信息系统，其时空范畴全、对象类型全、动态特征全、属性特征全等特点已通过原型系统的建立和试验得到了验证。该项目通过理论与技术的原始创新，已经初步形成了体系化的新一代空间信息系统核心技术，对于自主研发和推动我国空间信息系统技术的发展具有重要意义。全空间信息系统作为新一代地理信息系统，将开创空间信息系统构建与应用的新模式，促进我国空间信息产业发展，引领地理信息系统技术的发展方向，提高我国在空间信息系统领域的全球竞争力。
专家简介
华一新，中国人民解放军信息工程大学教授、博士生导师，长期从事地理信息系统的教学和研究工作，主持研制陆地边界信息系统、川藏公路运输指挥自动化系统、浦东建设地理信息系统等，出版国内首批GIS教材，在国内率先开设GIS课程。获军队科学技术进步奖一等奖1项、国防科学技术进步奖二等奖1项、军队科学技术进步奖二等奖2项、全军优秀教材一等奖1项、地理信息科技进步奖一等奖1项、河南省自然科学优秀学术著作一等奖1项。
