[发明专利]一种不同维度矢量数据统一表达、存储及运算的处理方法

说明书

技术领域

  本发明涉及计算机和地理信息系统领域，特别是多维空间数据的组织、存储、分析与表达的方法与技术。

背景技术                

地理信息系统（GIS）是广泛应用于生产生活实践的一种空间信息系统，它是在计算机软、硬件支持下对地理空间数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示以及描述的技术系统。GIS系统中地理对象的存储、表达与运算是决定该GIS系统可用性、主要功能、扩展能力等诸多特性的核心要素及关键技术，直接决定了构建于其上的应用系统与分析方法的形式与功能。随着地理数据采集、观测与建模手段的进步，对地理现象与过程的表达、分析与建模受到愈来愈多的重视，GIS的处理对象也由传统的二维对象拓展至三维、时空维度以及更高维度，不同维度对象的混合处理与统一表达也成为GIS空间分析的重要需求。GIS处理对象从二维到三维乃至高维的转变，不仅意味着数据量的增大，更导致很多不同的对象类型和空间关系的变化，面临维度扩展的复杂性和多维运算的不统一性。因而三维及时态GIS的发展不仅是数据处理流程的改变，也是系统体系结构的变革。

现有应用系统和分析方法无法或者很难直接进行维数扩充，均未能从底层基础上直接支持维度操作，在不同维度间表现出分离特征，并使其难以支持复杂地理实体或连续地理现象的描述及地理过程分析，进而无法对高维的复杂对象进行有效的表达与建模，更缺乏对复杂空间分析功能的支持；多维统一计算底层理论基础的缺乏也是导致现有数据模型不足的重要原因。

中国科学院计算技术研究所曾申请专利“一种矢量数据的存储方法、查询方法和管理系统”（公开号：CN101324896），通过对原始的shapefile数据图层进行区域划分、对划分区域进行编码，而后对同一编号的集合体集中存储，简化了矢量数据的检索、查询与存储的复杂度，提高了系统性能。但该方法一方面仅支持二维的shapefile数据，无法实现多维度融合，同时也未对现有的GIS空间数据的存储、表达和分析流程进行更有效更深入的融合，缺乏从底层理论基础上进行全面的革新。

计算机对复杂地理对象的表达的基本原理是首先将三维复杂的地理场景通过一定的剖分算法后表达为一系列简单的基本几何形体的复合，进而对所分解获得的各基本几何形体进行形式化以及参数化的表达；对于任意复杂的几何对象而言，其总是可以表达成为一系列基本几何对象的复合，而其构成即是由该对象自身各组成部分间拓扑关系所决定的。共形几何代数的基本运算中维度相关的且维度运算直接内蕴包含于其各类运算中，且共形几何代数已在数学、物理学等领域的多维对象分析上得到了广泛的应用；而地理对象所在的欧氏几何空间是共形几何空间的一个特例，因而可以有效利用共形几何代数对其存储、表达以及运算进行统一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有三维GIS矢量数据模型在多维空间对象表达、存储以及运算框架不统一、多维空间数据表达不直观、存储空间关系复杂以及多维空间分析算法构建难度较大等问题，通过将地理空间数据转换至共形几何代数空间，进而利用共形几何代数的特性，对多维矢量空间数据的表达形式，组织与存储结构以及分析框架进行革新，从而构建出一种可支撑不同维度统一表达、存储及运算的矢量数据处理方法。

为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案为：

一种不同维度矢量数据统一表达、存储及运算的处理方法，由三个部分组成：基于共形几何代数的三多维空间矢量对象的自适应表达方法、基于多重矢量的多维矢量空间数据存储方法以及基于共形几何的多维矢量空间数据分析方法，其步骤为：

（1）通过将地理空间多维矢量对象进行空间转换后，将其变换至共形几何代数空间；

（2）对地理对象进行剖分，进而利用基于共形几何代数的多维空间矢量对象的自适应表达方法对剖分后的几何单形进行自适应表达；

（3）利用基于多重矢量的多维矢量空间数据存储方法，将地理对象中各部分几何单形的自适应表达连接形成单一的多重向量，进行多维统一的存储；

（4）基于以多重矢量形式表达的地理对象，利用基于共形几何代数的多维矢量空间数据分析方法进行空间分析；

所述基于共形几何代数的三多维空间矢量对象的自适应表达方法具体包括如下步骤：

a）提取多维空间矢量对象上的空间点集，通过建立地理空间向抽象代数空间的转换机制，采用面向对象技术和UML方法对基本时空数据元素及其关系进行形式化描述，将地理对象转换至共形几何代数空间；