[发明专利]一种基于地球空间立体剖分的空间目标索引方法

说明书

技术领域

本发明涉及地球空间信息组织、空间数据管理、空间索引技术领域，具体涉及一种地球空间立体剖分网格的构建和基于立体剖分的目标索引方法。

背景技术

随着地球空间信息学的发展，地理空间信息获取与更新从传统的2维、2.5维向真3维的方向大幅度迈进，空间信息的应用领域也从传统的地理、海洋、环境等专业学科领域扩展到更加广阔的地球系统科学领域。另外，数据获取手段的不断成熟和发展，使得空间大数据的雏形逐渐显现，并引起了产业界、科技界和政府部门的高度关注。空间大数据以其海量的数据容量和多源、多尺度、多形态、多时态的特性对传统数据组织方式提出了较高的要求，如何能够在现有基础上建立满足要求的未来空间异构大数据的高效组织与索引已经成为了一项非常重要的研究课题。

当前的地球剖分理论已针对组织和管理地球表面的空间信息取得了大量研究成果，但绝大多数研究成果仍局限于球面，难以反映空间信息本身的三维特性，只能处理地球表面的信息，不能处理整个立体空间的信息。在空间信息组织和表达时，需要将高度信息作为球面信息的属性来处理，较难满足全球三维空间一体化数据组织与建模的需求。

国内外针对空间索引的研究，特别是立体空间索引的研究主要集中在局部空间的八叉树索引、R-树索引等方面，缺乏全球一致的空间划分方式。而且，八叉树索引和R-树索引均具有其各自的问题，具体来说：

对于以四叉树为代表的网格索引(空间上拓展为八叉树)，其是一种基于刚性的空间划分的空间索引，其优点是较易实现，缺点是(1)大量目标及其最小外包范围的映射跨越多个网格，导致索引重复，存储量大大增加；(2)即使一些目标能够映射到单一网格中，也存在网格尺度与目标尺度差距过大的问题，导致索引的冗余较大；(3)索引的重复记录和冗余将直接导致区域查询效率较差。

对于R-树及其各种变体的索引形式，一直以来都是常用的空间数据组织形式，对于立体空间索引来说，记录信息较多，而R-树的主要问题是中间目录范围的大量重叠会导致查询路径的不唯一，严重影响其性能。

可见，在现有的常见的空间数据的索引中，单一索引往往都存在各式各样的问题，而混合索引的出现则能够帮助克服各单一索引的缺陷，解决各自存在的问题。QR-树是一种以四叉树Quadtree和R-树为基础的混合索引，其将整个索引空间划分成多级子索引空间，然后对每级的子索引空间均采用R-树进行索引。其实质是将一棵较大的R-树分解成多棵较小的R-树，从而减少索引空间重叠，提高查询性能。

但是QR-树索引结构均是在每个网格中都使用单一的R-树索引来对数据进行管理，这些索引虽然能够有效地改进四叉树索引的效率，但是没有考虑到空间实体本身的模型特点，同样存在一定的问题，即网格内部的R-树的插入、删除过程较为复杂，R-树的结构越复杂，层级越深，查询的效率可能会更高，但更新维护的工作量较大，极端情况甚至整个索引都需要重建。当需要做较多的更新操作时，索引结构实时都需要调整，效率大幅降低，所以简单地将网格与R-树结合构建的索引缺乏选择性，没有完全结合网格索引和R-树的特点，维护代价太大。

可见，八叉树索引冗余多、R-树索引插入删除过程复杂是亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明首先提出了传统球面网格在三维上的拓展，建立了全球一致的空间划分方式，基于该地球空间立体剖分提供了一种空间目标索引方法，能够解决八叉树索引冗余多、R-树索引插入删除过程复杂的问题，从而实现对空间数据的高效快捷管理，便于对空间数据的检索、插入和删除操作。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于地球空间立体剖分的目标索引方法，包括：

步骤1、对地球及其外层空间进行三维立体剖分：

将对地球表面按经纬维多层剖分获得的二维剖分面片沿高度维方向延展到地心和外层空间，得到面片柱；将面片柱按高度维剖分为多个柱段，每个柱段作为一个体块；对于第m层级的二维剖分面片，其对应的面片柱按照高度维进行均分获得2^m个体块，则一个第m剖分层级的体块由8个第m+1剖分层级的体块组成；

步骤2、构建以八叉树为主枝并嫁接R-树的混合索引结构，称为SR-树；八叉树的根节点对应第1剖分层级，则八叉树的第m层节点对应第m剖分层级的体块，每个八叉树节点上允许最多嫁接一棵R-树；