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    基于特征的空間態(tài)勢一體化數(shù)據(jù)模型

    2015-12-14 01:50:44施群山藍(lán)朝楨李建勝
    測繪工程 2015年8期
    關(guān)鍵詞:概念模型數(shù)據(jù)模型態(tài)勢

    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。

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