基于特征的空間態(tài)勢一體化數(shù)據(jù)模型

施群山，呂 亮，藍(lán)朝楨，徐 青，李建勝

（1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州450001；2.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，河南 鄭州450001）

隨著空間探測技術(shù)的發(fā)展以及人類對空間利用的高度重視和日益依賴，空間已成為維護(hù)國家安全和國家利益所必須占據(jù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。為確?？臻g安全，維護(hù)空間利益，世界強(qiáng)國紛紛著手建立各自的空間態(tài)勢感知系統(tǒng)［1-4］，以便及時準(zhǔn)確獲取空間態(tài)勢信息。由空間目標(biāo)信息及空間環(huán)境信息有機(jī)組成的空間態(tài)勢信息，是實(shí)施空間任務(wù)、保護(hù)空間資產(chǎn)安全和發(fā)揮空間裝備效能的重要保障。

空間安全和空間利益的重要性，給測繪保障的任務(wù)和使命提出了新的要求和內(nèi)涵，測繪保障范圍也需要由傳統(tǒng)的地球表面向地球外層空間拓展，從認(rèn)知地球本身進(jìn)一步向認(rèn)知地球外層空間邁進(jìn)。目前對空間態(tài)勢的監(jiān)測由多個部門共同完成，各個部門監(jiān)測的數(shù)據(jù)種類各不相同，即使相同的數(shù)據(jù)，存儲的格式也不一定相同。為了使不同的空間態(tài)勢信息系統(tǒng)之間具有良好的互操作性，以及在異構(gòu)分布式系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)空間態(tài)勢信息共享，需要建立空間態(tài)勢一體化數(shù)據(jù)模型，將獲取的多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)有機(jī)合理地組織起來，實(shí)現(xiàn)信息整合，同時也為空間態(tài)勢表達(dá)提供基礎(chǔ)。

為了便于數(shù)據(jù)的存儲和管理，傳統(tǒng)GIS的數(shù)據(jù)模型主要是基于圖層的思想，該模型由一系列層組成，各層之間具有嚴(yán)格的邊界，但是該模型割裂了各層對象之間可能存在的專題和時間關(guān)系，而人類對現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)知卻是依據(jù)特征實(shí)體的，不是基于分層幾何要素，數(shù)據(jù)模型應(yīng)當(dāng)能夠直接反映這種認(rèn)知過程。近年來，基于特征的數(shù)據(jù)建模方法由于其更能反應(yīng)人們對現(xiàn)實(shí)世界的這種理解方式，在地理信息系統(tǒng)研究領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注［5-6］。本文將基于特征的思想引入空間態(tài)勢一體化數(shù)據(jù)模型中進(jìn)行概念建模，并結(jié)合面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行邏輯模型設(shè)計，最后基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言（eXtensible Markup Language，XML）構(gòu)建空間態(tài)勢數(shù)據(jù)物理模型。

1 空間態(tài)勢信息構(gòu)成要素

要全面理解并正確構(gòu)建空間態(tài)勢數(shù)據(jù)模型，就要重點(diǎn)把握其構(gòu)成要素及相互關(guān)系。本文將空間態(tài)勢信息構(gòu)成要素分為空間目標(biāo)要素和空間環(huán)境要素兩大類，如圖1所示。

空間目標(biāo)本文主要指地球軌道上運(yùn)行的各類在軌活動、失效航天器以及空間碎片等實(shí)體目標(biāo)?？臻g環(huán)境則是各類空間目標(biāo)所處的運(yùn)行環(huán)境，主要有：中高層大氣、電離層、磁場、等離子體層、輻射帶、太陽風(fēng)和行星磁場等［7］。

2 一體化數(shù)據(jù)建模

空間態(tài)勢信息要素繁多，樣式復(fù)雜，并且具有分布式特點(diǎn)，如若對每種要素信息均進(jìn)行定制式數(shù)據(jù)建模，不僅工作量巨大，而且將會造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)冗余，各空間態(tài)勢信息系統(tǒng)之間的互操作和信息共享變得異常困難，因此需要構(gòu)建空間態(tài)勢一體化數(shù)據(jù)模型。

空間態(tài)勢一體化數(shù)據(jù)模型是將描述空間目標(biāo)、空間環(huán)境及其相互間聯(lián)系的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理的模型，它獨(dú)立于任何空間態(tài)勢信息系統(tǒng)，但同時又為空間態(tài)勢信息的組織和空間態(tài)勢信息系統(tǒng)的建立提供了支撐。按照不同的應(yīng)用層次，空間態(tài)勢一體化數(shù)據(jù)模型分為概念模型、邏輯模型和物理模型。

下面分別從概念模型、邏輯模型、物理模型3個方面詳細(xì)介紹基于特征的空間態(tài)勢一體化數(shù)據(jù)模型。

如圖2所示，本文首先借助基于特征的思想完成空間態(tài)勢概念建模；然后運(yùn)用面向?qū)ο蟮姆椒?，完成空間態(tài)勢邏輯模型的構(gòu)建，最后根據(jù)XML模式（XML Schema）對文檔結(jié)構(gòu)、內(nèi)容約束的描述完成XML文檔的組織，從而完成空間態(tài)勢一體化數(shù)據(jù)建模的全過程。

圖2 空間態(tài)勢一體化數(shù)據(jù)建模流程

2.1 基于特征的概念模型

自從基于特征（Feature）的建模方法在80年代出現(xiàn)以來，關(guān)于特征一詞的定義經(jīng)歷了下面幾個階段。傳統(tǒng)地圖制圖學(xué)中，特征一詞被定義為：地圖中的對象［8］；1992年，特征被地理空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)（Spatial Data Transfer Standard，SDTS）定義為：現(xiàn)象和其表達(dá)的聯(lián)合體；1995年，特征被 McDonnell，Kemp定義為：表達(dá)現(xiàn)實(shí)實(shí)體的一組地理空間元素［9］。這些定義都把特征作為現(xiàn)實(shí)世界的圖形表達(dá)。隨著面向?qū)ο蟮姆椒ㄔ贕IS中的應(yīng)用，特征被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO／TC21l（1999）重新定義為：對現(xiàn)實(shí)世界中現(xiàn)象的一種抽象［10］。依據(jù)這個定義，特征可以表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界中的所有地理現(xiàn)象。上面這些關(guān)于特征的定義雖然是在地理信息領(lǐng)域的研究中提出，但是將其進(jìn)行擴(kuò)展后，同樣可以用于空間態(tài)勢的研究。

根據(jù)特征的定義，現(xiàn)實(shí)世界可以理解為由實(shí)體及其關(guān)系組成的。實(shí)體是一個現(xiàn)實(shí)世界相對獨(dú)立的現(xiàn)象，如一顆資源3號衛(wèi)星就是一個單一的實(shí)體。特征則是對具有相同屬性和關(guān)系的實(shí)體的抽象，如遙感衛(wèi)星。

在地理信息系統(tǒng)中，特征主要由地理空間成分、時間成分和專題成分組成，三者具有同等的地位［9］，與以靜態(tài)為主的地理現(xiàn)象不同，空間態(tài)勢以運(yùn)動為主，衛(wèi)星沿著既定軌道飛行，空間環(huán)境因?yàn)樘柕幕顒犹幱诓粩嗟淖兓?dāng)中，因此本文將空間態(tài)勢特征分為時空成分、幾何成分和專題成分三部分，如圖3所示，由于空間態(tài)勢的運(yùn)動特征，時間和地理空間是不可分割的一對屬性，因此這里將時間和地理空間成分合并為時空成分；幾何外形作為空間態(tài)勢圖像表達(dá)的主要對象，其可以直觀反映各實(shí)體的區(qū)別，因此幾何成分成為空間態(tài)勢特征的另一重要成分；專題成分主要指特征的屬性信息，包含名稱、顏色等信息。

圖3 空間態(tài)勢特征構(gòu)成成分

2.2 面向?qū)ο蟮倪壿嬆Ｐ?/h3>

基于特征的模型側(cè)重于概念模型，面向?qū)ο蟮姆椒▊?cè)重于邏輯模型?；谔卣鞯臄?shù)據(jù)模型從概念模型出發(fā)，考慮對象的內(nèi)涵該如何界定，將實(shí)體或現(xiàn)象作為一個整體進(jìn)行描述與表達(dá)，面向?qū)ο笫菑臄?shù)據(jù)管理的角度來引入類和對象的概念，基于特征和面向?qū)ο笤诟拍詈蛿?shù)據(jù)組織上具有一定的相通性，從而使數(shù)據(jù)模型從概念模型到邏輯實(shí)現(xiàn)得到了統(tǒng)一，本文采用面向?qū)ο蟮倪壿嬆Ｐ蛠碛成浠谔卣鞯母拍钅Ｐ汀?/p>

圖4 物體基類示意圖

由空間態(tài)勢一體化模型的概念模型可知，空間態(tài)勢特征由時空成分、幾何成分和專題成分三部分構(gòu)成，具體到各類空間態(tài)勢要素：無論是地球大氣、地磁場之類的空間環(huán)境還是行星、衛(wèi)星之類的空間目標(biāo)，都具有一定時空特性的實(shí)體，這是態(tài)勢要素的共性特征，而不同之處在于各類物體的幾何形態(tài)差異。如圖4所示，本文將所有空間態(tài)勢要素抽象為一個特征基類，其由屬性信息、星歷和幾何外形三類要素構(gòu)成，分別對應(yīng)于空間態(tài)勢特征的專題成分、時空成分和幾何成分?？臻g態(tài)勢中所有特征均繼承自該基類，從而完成一體化數(shù)據(jù)建模。

特征基類中的三要素是對所有空間態(tài)勢數(shù)據(jù)組成成分的高度抽象，下面詳細(xì)分析各要素。特征的屬性信息較為簡單，包含物體的名稱、類型等信息，這里不做贅述。

第二類要素是物體的星歷信息，星歷主要用來負(fù)責(zé)物體的時空特性管理，即確定物體在某一時刻位置和姿態(tài)。如圖5所示，考慮到物體具有多個星歷段的可能，對星歷按照運(yùn)行時間進(jìn)行了軌道切分。每段軌道同樣具有自身的特征，包括軌道的起始結(jié)束時間、圍繞的中心天體、軌跡及所在的坐標(biāo)系、物體本身的旋轉(zhuǎn)及所在坐標(biāo)系等。

圖5 星歷結(jié)構(gòu)示意圖

在星歷段數(shù)據(jù)中最重要的是物體的軌跡，本文設(shè)計包含了常用的4種軌跡：①固定軌跡類型：針對處于相對靜止的物體，如地面站，火箭發(fā)射場等目標(biāo)，包括以地球?yàn)橹行牡牡厍虼艌鰯?shù)據(jù)，輻射帶等空間環(huán)境數(shù)據(jù)均可以看成是中心點(diǎn)固定在地球中心的物體；②開普勒軌道：主要針對衛(wèi)星、碎片等航天目標(biāo)，可以利用開普勒軌道根數(shù)，根據(jù)不同的精度需求采用不同的軌道遞推模型解算其位置；③兩行軌道根數(shù)：兩行軌道根數(shù)（Two-Line Orbital Element，TLE）是由北美防空司令部發(fā)布的軌道數(shù)據(jù)類型，北美防空司令部會定期發(fā)布其全球空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)獲取的地球軌道上的各類空間目標(biāo)的TLE數(shù)據(jù)；④軌跡預(yù)留接口：該接口針對無法用參數(shù)描述的軌跡，通過輸入隨時間變化的實(shí)時或歷史軌跡數(shù)據(jù)來對目標(biāo)進(jìn)行驅(qū)動。

第三類要素是物體的幾何外形，本文根據(jù)空間態(tài)勢數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，進(jìn)一步將物體共有的屬性和方法抽象為一個外形基類，這個類為所有的幾何類提供虛函數(shù)接口，其它種類的幾何外形均從該派生出來，如圖6所示，派生而來的幾何外形根據(jù)目標(biāo)類型的不同可以分為箭頭類型、布告板類型、柱體類型等等，每種都對應(yīng)著特定類型的空間態(tài)勢數(shù)據(jù)。這種一體化的數(shù)據(jù)組織方式管理方便、操作簡單、擴(kuò)展性好，同時保證了程序的可復(fù)用性。

圖6 外形基類派生示意圖

面向?qū)ο蟮姆椒ㄗ畲笙薅鹊貙?shí)體的共有屬性和方法進(jìn)行抽象、封裝，所有空間態(tài)勢要素特征在繼承的基礎(chǔ)上，可根據(jù)自身特點(diǎn)進(jìn)一步細(xì)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最終通過特征實(shí)例化即可構(gòu)建對應(yīng)的實(shí)體，從而重構(gòu)現(xiàn)實(shí)世界中的空間態(tài)勢情況。

2.3 基于XML的物理模型

從建模語言上來說，常用的建模方法有基于統(tǒng)一建模語言（UML）、可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML）、IDEF1X和實(shí)體-關(guān)系模型（E-R）等。XML作為W3C組織制訂的一套在互聯(lián)網(wǎng)上交換和表達(dá)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)［11］，具有自描述、可擴(kuò)展、交互性、結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)，得到眾多軟件廠商的支持。本文采用基于XML的方法完成對空間態(tài)勢數(shù)據(jù)的物理建模。

在空間態(tài)勢一體化數(shù)據(jù)模型的概念模型和邏輯模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步從結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型方面對各元素進(jìn)行設(shè)計，XML模式（XML Schema）設(shè)計如圖7所示。整個空間態(tài)勢（SpaceSituation）由若干空間要素構(gòu)成，本文按照要素的時空特性，將所有的空間態(tài)勢要素抽象為運(yùn)動特征和固定特征兩大類。運(yùn)動特征主要指實(shí)體的位置相對于地球隨時間進(jìn)行變化的一類要素，如衛(wèi)星、航天飛機(jī)、空間站；固定特征主要指實(shí)體的位置相對于地球是不變的，如地面站，對于空間環(huán)境如大氣和電離層等，本文也將其歸為固定特征一類。雖然空間環(huán)境各類參數(shù)在不斷的變化當(dāng)中，但是本文進(jìn)行全球空間環(huán)境表達(dá)時，采用對地球進(jìn)行格網(wǎng)劃分的方式［12］，展示固定的點(diǎn)位上的屬性值，此時其屬性值是不斷變化的，但是展示的空間格網(wǎng)點(diǎn)是不變的，所以將空間環(huán)境劃分到固定特征一類。

圖7 空間態(tài)勢一體化數(shù)據(jù)模型XML設(shè)計圖

圖7中，固定特征（FixedFeature）和運(yùn)動特征（MoveFeature）都繼承于基礎(chǔ)特征類（BaseFeature），BaseFeature類主要抽象了最基本的屬性，如名稱（Name）、類型（ObjectType）等（見圖8（a））。另外圖7到圖9中的“tns”都表示關(guān)鍵字標(biāo)識符；MoveFeature類和FixedFeature類的主要區(qū)別是時空成分的不同，固定特征的地理空間位置不變用Location來獲?。ㄒ妶D8（b）），而運(yùn)動特征的地理空間位置則是由chronology來獲?。ㄒ妶D8（c）），chronology有開普勒軌道（Loitering）、TLE軌道（LoiteringTLE）、網(wǎng)絡(luò)接口（NetWork）、外部文件（External）幾種類型。圖8（b）和圖8（c）中的attributes為MoveFeature類和FixedFeature類各種的擴(kuò)展參數(shù)。

上面設(shè)計的XML模式?jīng)Q定了XML文檔中數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)，空間態(tài)勢一體化數(shù)據(jù)模型中具體的數(shù)據(jù)直接用XML文檔作為載體進(jìn)行表示，從而完成整個數(shù)據(jù)模型的建模。

3 應(yīng)用實(shí)例

圖8 各特征類設(shè)計圖

為了驗(yàn)證本文的基于特征的空間態(tài)勢一體化數(shù)據(jù)模型實(shí)用性和有效性，基于 Windows平臺，在VS2010開發(fā)環(huán)境中，利用Qt4.8.5和OpenGL圖形開發(fā)包，開發(fā)了空間態(tài)勢信息系統(tǒng)引擎InSpace V1.0，該引擎采用本文的數(shù)據(jù)模型組織空間態(tài)勢場景。不失一般性，在InSpace系統(tǒng)中創(chuàng)建只有一個運(yùn)動目標(biāo)和固定目標(biāo)組成的態(tài)勢場景，運(yùn)動目標(biāo)的參數(shù)以商用遙感衛(wèi)星GeoEye-1為原型，具體參數(shù)如表1所示，固定目標(biāo)以美國格林貝爾（Greenbelt）衛(wèi)星地面接收站為原型，該地面站的位置為（經(jīng)度：-76.842 8，緯度：38.998 4）。圖9為構(gòu)建的空間態(tài)勢場景文件，圖10為對應(yīng)的可視化場景效果圖，其中實(shí)線為GeoEye-1的運(yùn)行軌跡，虛線為GeoEye-1與Greenbelt衛(wèi)星地面站之間的通聯(lián)關(guān)系，此場景對應(yīng)的仿真時間是北京時間2014年4月13日0時0分19秒。

如圖9所示，通過本文的數(shù)據(jù)模型組織空間態(tài)勢數(shù)據(jù)，各種不同的實(shí)體對象的數(shù)據(jù)都采用統(tǒng)一的模式，即都有時空、幾何和專題成分，同時各個實(shí)體對象的數(shù)據(jù)又可以根據(jù)各自的特點(diǎn)，有其區(qū)別于其他的構(gòu)成要素，如固定目標(biāo)和移動目標(biāo)的位置計算模式不同。

表1 GeoEye-1軌道參數(shù)

圖9 構(gòu)建的空間態(tài)勢場景文件

圖10 空間態(tài)勢場景可視化效果圖

采用本文的空間態(tài)勢一體化數(shù)據(jù)模型，可以屏蔽空間態(tài)勢各監(jiān)測單位所獲取的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)庫存儲格式的差異性，在空間態(tài)勢表達(dá)時將數(shù)據(jù)從各數(shù)據(jù)庫中提取并按本文的概念和邏輯模型重新進(jìn)行組織，并以XML文件為載體，生成空間態(tài)勢一體化數(shù)據(jù)。利用XML網(wǎng)絡(luò)交互的優(yōu)勢，各系統(tǒng)可以通過更改共用的XML文件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的互操作，也可通過共用的XML文件獲取最新的空間態(tài)勢數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)信息的同步更新和共享。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)模型是構(gòu)建空間態(tài)勢信息系統(tǒng)的技術(shù)，但目前空間態(tài)勢數(shù)據(jù)具有多源異構(gòu)的特點(diǎn)，如若對每種要素信息均進(jìn)行定制式數(shù)據(jù)建模，不僅工作量巨大，而且將會造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)冗余，各空間態(tài)勢信息系統(tǒng)之間的互操作和信息共享變得異常困難，為此本文構(gòu)建了基于特征的空間態(tài)勢一體化數(shù)據(jù)模型，并詳細(xì)介紹了模擬的概念模型、邏輯模型和物理模型。本文的一體化數(shù)據(jù)模型，一方面可以屏蔽數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)庫存儲格式的差異；另一方面，依據(jù)該模型生產(chǎn)的空間態(tài)勢一體化數(shù)據(jù)，可以充分利用網(wǎng)絡(luò)交互的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)互操作、同步更新和共享。

［1］蘇鑫鑫，楊磊，牛文.美國空間對抗裝備技術(shù)發(fā)展思路與重點(diǎn)［J］.飛航導(dǎo)彈，2012（10）：52-54.

［2］王力波.美國空間對抗新思路與裝備技術(shù)發(fā)展新動向［J］.航天電子對抗，2012，28（5）：13-15，37.

［3］李壽平.從歐盟空間政策新發(fā)展看歐洲空間政策前景［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2012，25（3）：28-33.

［4］徐青，姜挺，周楊，等.空間態(tài)勢感知信息支持系統(tǒng)的構(gòu)建［J］.測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報，2013，30（4）：424-432.

［5］陸鋒，李小娟，周成虎，等.基于特征的時空數(shù)據(jù)模型：研究進(jìn)展與問題探討［J］.中國圖象圖形學(xué)報，2001，6（9）：830-835.

［6］王富強(qiáng)，王光霞，林蓉，等.面向知識服務(wù)的多媒體地圖集設(shè)計［J］.測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報，2012，29（6）：463-466.

［7］王鵬，徐青，李建勝，等.空間環(huán)境建模與可視化仿真技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2012.

［8］尹章才.GIS中基于特征的數(shù)據(jù)模型［J］.國土資源科技管理，2002，19（2）：50-53.

［9］MCDONELL R，KEMP K，（1995）International GIS Dictionary［M］.Wiley，1996：3.

［10］ISO／TC211-631.Geographic Information-pall 9：Rules for Application Schema［R］.Technical Report，1999：83-88.

［11］王新量，李風(fēng)光，祝若鑫.基于混合三維數(shù)據(jù)模型的二、三維聯(lián)動研究［J］.測繪工程，2014，23（4）：33-36.

［12］周楊.深空測繪時空數(shù)據(jù)建模與可視化技術(shù)研究［D］.鄭州：信息工程大學(xué)，2009.