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第1章 绪论1

1.1 时空数据模型1

1.1.1 时空数据模型的研究意义1

1.1.2 时空数据模型的研究现状3

1.1.3 已有时空数据模型的分类3

1.1.4 已有时空数据模型的局限性5

1.2 时态GIS与并行GIS6

1.2.1 时态GIS6

1.2.2 并行GIS6

1.2.3 时态GIS与并行GIS需要集成7

1.3 数字城市7

1.3.1 数字城市的研究意义7

1.3.2 数字城市的研究现状8

1.3.3 数字城市的已有技术10

1.3.4 现有数字城市需要并行11

1.4 并行计算12

1.4.1 并行数据挖掘12

1.4.2 并行交通仿真13

1.4.3 并行视频压缩13

1.4.4 已有并行研究在时空中不足14

1.5 本书的内容14

1.6 本书的组织15

第2章 并行时空模型的理论基础16

2.1 时空模型16

2.1.1 时空立方体模型16

2.1.2 序列快照模型17

2.1.3 基态修正模型18

2.1.4 时空复合模型19

2.1.5 离散格网单元列表模型20

2.1.6 时空对象模型或双时间时空对象模型21

2.1.7 基于特征的时空数据模型21

2.1.8 图谱数据模型21

2.1.9 面向对象的数据建模22

2.1.10 基于事件的时空模型23

2.1.11 基于时间语义模型或称时空属三域模型24

2.1.12 基于状态事件的时空模型25

2.2 并行模式25

2.2.1 任务播种26

2.2.2 单控制流多数据流26

2.2.3 分治策略26

2.2.4 数据流水线27

2.2.5 投机策略27

2.2.6 混合模型27

2.3 时空模型与并行模式的特点与互补性27

第3章 并行时空模型的概念与设计29

3.1 时空中的并行模式29

3.1.1 时空数据并行模式29

3.1.2 时空任务并行模式30

3.1.3 时空流水线并行模式31

3.1.4 时空混合并行模式32

3.1.5 时空并行模式的效率34

3.2 并行时空模型中的基本概念35

3.2.1 并行时空模型的组成要素35

3.2.2 并行时空模型的定义36

3.3 并行时空模型的设计38

3.3.1 划分的原则39

3.3.2 单级一维并行时空模型40

3.3.3 单级二维并行时空模型45

3.3.4 单级三维并行时空模型49

3.3.5 多级并行时空模型51

3.3.6 独立并行时空模型与关联并行时空模型55

3.3.7 单式并行时空模型与复式并行时空模型57

3.3.8 松耦合并行时空模型与紧耦合并行时空模型61

3.4 并行时空模型举例64

3.4.1 单级各维单式独立并行时空模型64

3.4.2 复式联合多级并行时空模型66

3.5 并行时空模型中的基本操作66

3.5.1 并行本性聚类67

3.5.2 并行查询68

3.5.3 并行关系运算70

3.5.4 并行时空分布76

3.6 并行时空模型到并行计算机的映射方法84

3.6.1 并行计算机的典型体系结构84

3.6.2 映射的方法85

第4章 并行时空模型的软件设计方法87

4.1 时空构件87

4.2 并行时空构件89

4.2.1 并行时空构件的特点89

4.2.2 并行时空构件的并行性91

4.2.3 并行时空构件的分类91

4.2.4 并行时空构件的设计92

4.2.5 并行时空构件的开发原则102

4.3 并行时空构件的数据传输模式103

4.3.1 不同并行时空构件内存间传输模式103

4.3.2 不同并行时空构件内外存间传输模式104

4.3.3 不同并行时空构件外存间传输模式105

4.3.4 不同传输模式的应用105

4.4 并行时空构件的集成方法106

4.4.1 1:1管道集成法107

4.4.2 1:N管道集成法107

4.4.3 单级总线集成法108

4.4.4 多级总线集成法109

第5章 传统时空模型到并行时空模型的升级110

5.1 时空立方体模型的升级110

5.1.1 串行时空立方体模型110

5.1.2 划分串行时空立方体模型111

5.1.3 索引时空立方体模型111

5.1.4 并行时空立方体模型112

5.1.5 多用户时空立方体模型112

5.2 时空快照修正模型的升级112

5.2.1 串行时空快照修正模型112

5.2.2 划分时空快照修正模型114

5.2.3 索引时空快照模型114

5.2.4 并行时空快照模型115

5.2.5 索引与并行时空2、4修正模型115

5.2.6 改进后的索引与并行时空2、4修正模型116

5.2.7 索引与并行时空3、5修正模型116

5.2.8 改进后的索引与并行时空3、5修正模型116

5.3 时空复合模型的升级117

5.3.1 串行时空复合模型117

5.3.2 划分时空复合模型117

5.3.3 索引时空复合模型118

5.3.4 并行时空复合模型118

5.3.5 多用户时空复合模型119

5.4 时空模型划分方法的比较119

5.5 时空模型升级前后的性能比较119

第6章 基于并行时空模型的数字城市并行化方法122

6.1 数字城市的并行时空模型122

6.1.1 数字城市中的时空数据来源122

6.1.2 数字城市中的时空数据类型123

6.1.3 数字城市的并行时空建模方法124

6.1.4 数字城市并行时空建模的方法举例129

6.2 利用并行时空模型升级已有数字城市的方法130

6.2.1 升级程序结构130

6.2.2 升级数据结构131

6.2.3 升级数据库132

6.2.4 升级显示机制132

6.3 并行时空模型在数字城市中的使用方法133

6.3.1 一种数字城市水平空间的三维重建方法133

6.3.2 对数字城市三维空间的操作方法135

6.3.3 数字城市在水平空间上的并行137

6.3.4 数字城市在主题上的并行140

6.3.5 数字城市在垂直空间上的并行143

6.3.6 数字城市在时间维上的并行146

6.3.7 数字城市中并行通信与协同154

6.3.8 数字城市中识别和建模的并行157

6.3.9 数字城市的多用户并行模式与并行显示159

第7章 并行时空模型的应用方法161

7.1 违章建筑监测162

7.1.1 并行时空建模162

7.1.2 并行时空模型中数据的组织与处理163

7.1.3 并行数据操纵树状图167

7.1.4 将并行时空模型映射到并行计算机168

7.1.5 利用并行时空数据模型解决违章建筑问题的体系168

7.2 实时交通监控169

7.2.1 分析实时交通的时空并行性169

7.2.2 实时交通监控的并行时空建模170

7.2.3 并行时空模型中的同步机制172

7.2.4 并行时空模型中数据的组织与处理174

7.2.5 交通监控并行数据操作树状图178

7.2.6 将并行时空模型映射到并行计算机179

7.2.7 利用并行时空数据模型解决交通监控问题的体系181

7.3 遥感图像识别182

7.3.1 并行划分与建模182

7.3.2 遥感图像识别的并行时空模型中对数据的操作方法182

7.4 应用方法小结183

7.4.1 应用的步骤183

7.4.2 应用的关键184

参考文献185

索引191

结束语192

图1.1 房屋对象的分割与合并（石伟伟等，2006）2

图1.2 欧洲数字城市（Ishida,2002）8

图1.3 数字城市Kyoto（Ishida,2002）9

图1.4 基于网格的区域划分（刘泓等，2006）13

图2.1 时空立方体模型（翟亮等，2005）17

图2.2 序列快照模型（翟亮等，2005）18

图2.3 序列快照模型（姜晓轶和周云轩，2006）18

图2.4 基态修正模型（翟亮等，2005）19

图2.5 基态修正模型（姜晓轶和周云轩，2006）19

图2.6 时空复合体模型（姜晓轶和周云轩，2006）20

图2.7 时空复合模型（李阳东等，2008）20

图2.8 离散格网单元列表模型（姜晓轶和周云轩，2006）20

图2.9 时空对象（翟亮等，2005）23

图2.10 基于事件的时空数据模型（姜晓轶和周云轩，2006）24

图2.11 三域模型概念框架（李阳东等，2008）24

图2.12 基于时间语义的模型（姜晓轶和周云轩，2006）24

图2.13 时空状态事件描述（尹章才和李霖，2005）25

图2.14 时空状态事件模型的组成（尹章才和李霖，2005）25

图2.15 主从模式基本结构（何元清等，2002）26

图2.16 单控制流多数据流结构（何元清等，2002）26

图2.17 分治策略的虚拟树（何元清等，2002）27

图2.18 数据流水线结构（何元清等，2002）27

图3.1 时空单级数据并行模式30

图3.2 时空多级数据并行模式30

图3.3 时空单级任务并行模式30

图3.4 时空多级任务并行模式31

图3.5 时空单级流水线并行模式31

图3.6 时空多级流水线并行模式31

图3.7 时空数据-任务并行模式32

图3.8 时空任务-数据并行模式32

图3.9 时空流水-数据并行模式33

图3.10 时空数据-流水并行模式33

图3.11 时空流水-任务并行模式34

图3.12 时空任务-流水并行模式34

图3.13 传统时空模型与并行时空模型的关系37

图3.14 时空模型按时空性进行分类37

图3.15 并行时空模型按划分之间的并行性进行分类38

图3.16 并行时空模型的分类39

图3.17 基于时间维对应用对象集合进行划分41

图3.18 基于时间维对用户对象集合进行划分41

图3.19 基于时间维对观察对象集合进行划分41

图3.20 基于空间维对应用对象集合进行划分42

图3.21 基于空间维对用户对象集合进行划分42

图3.22 基于空间维对观察对象集合进行划分42

图3.23 基于本性维对应用对象集合进行划分43

图3.24 基于本性维对用户对象集合进行划分43

图3.25 基于本性维对观察对象集合进行划分43

图3.26 基于本性维和时间维对对象集合进行划分46

图3.27 基于空间维和时间维对对象集合进行划分46

图3.28 基于空间维和本性维对对象集合进行划分46

图3.29 基于空间维、本性维、时间维对对象集合进行划分49

图3.30 多级划分52

图3.31 单级时间维单式独立并行时空模型64

图3.32 单级空间维单式独立并行时空模型65

图3.33 单级主题维单式独立并行时空模型65

图3.34 多级多式关联并行时空模型66

图3.35 求同一个时间上的不同空间中的同类对象67

图3.36 求同一个空间上的不同时间中的同类对象67

图3.37 求不同时间上的不同空间中的同类对象68

图3.38 在同一个时间上的不同空间中查询某对象或某些对象69

图3.39 在同一个空间上的不同时间中查询某对象或某些对象69

图3.40 在不同时间上的不同空间中查询某对象或某些对象70

图3.41 同一时间不同空间内的对象之间的空间关系70

图3.42 不同空间内的时间点对象之间的空间关系71

图3.43 不同时间同一空间内的对象之间的空间关系71

图3.44 不同时间不同空间内的对象之间的空间关系72

图3.45 不同时间内的某对象自身与自身的空间关系73

图3.46 不同时间内的各对象自身与自身的空间关系73

图3.47 一段时间内的各对象轨迹之间的空间关系74

图3.48 不同空间内的某类对象自身的时间轨迹之间的关系74

图3.49 同一空间内不同时间点内对象之间的本性关系75

图3.50 同一时间内不同空间内对象之间的本性关系75

图3.51 不同时间内不同空间内对象之间的本性关系76

图3.52 同一时间内某类对象的空间分布77

图3.53 同一时间内多类对象的空间分布77

图3.54 某类对象时间点的空间分布78

图3.55 多类对象时间点的空间分布78

图3.56 不同时间内某类对象的空间分布79

图3.57 不同时间内多类对象的空间分布80

图3.58 同一空间内某类对象的时间分布81

图3.59 同一空间内多类对象的时间分布81

图3.60 某类对象空间点的时间分布82

图3.61 多类对象空间点的时间分布82

图3.62 不同空间内某类对象的时间分布83

图3.63 不同空间内多类对象的时间分布84

图3.64 典型的并行计算机的体系结构85

图3.65 映射图185

图3.66 映射图285

图3.67 映射图386

图3.68 映射图486

图4.1 并行时空模型的软件设计方法87

图4.2 时空构件中的对象变量88

图4.3 并行时空构件与并行时空模型的关系90

图4.4 并行时空构件的金字塔结构90

图4.5 划分数组94

图4.6 主从式96

图4.7 数组划分100

图4.8 不同并行时空构件内存间传输模式104

图4.9 不同并行时空构件内外存间传输模式105

图4.10 不同并行时空构件外存间传输模式105

图4.11 改进前的数据传输106

图4.12 改进后的数据传输106

图4.13 1:1管道集成法107

图4.14 1:N管道集成法108

图4.15 单级总线集成法108

图4.16 多级总线集成法109

图5.1 串行时空立方体模型（Langran,1992）110

图5.2 划分串行时空立方体模型111

图5.3 索引时空立方体模型111

图5.4 并行时空立方体模型112

图5.5 串行时空快照修正模型（Langran,1992）113

图5.6 划分时空快照修正模型114

图5.7 索引时空快照模型115

图5.8 并行时空快照模型115

图5.9 串行时空复合模型（Langran,1992）117

图5.10 索引时空复合模型118

图5.11 并行时空复合模型118

图5.12 各类时空模型升级前后时空复杂度的比较121

图6.1 数字城市的维度124

图6.2 从空间维进行划分125

图6.3 结合时间维和空间维进行划分125

图6.4 结合三个维进行划分125

图6.5 根据特征维的主题进行划分126

图6.6 根据维的值进行自然划分126

图6.7 根据维的值的数量划分127

图6.8 根据空间内容的大小划分127

图6.9 根据空间内容密度的间隔划分127

图6.10 相对划分128

图6.11 基于维刻度划分的时空建模129

图6.12 基于维内容划分的时空建模130

图6.13 基于维关系划分的时空建模130

图6.14 升级数字城市的程序结构131

图6.15 升级数字城市的数据结构131

图6.16 升级数字城市的数据库132

图6.17 数字城市的地表空间三维重建134

图6.18 用于阴影监测的遥感图134

图6.19 监测出的阴影图135

图6.20 数字城市的地表空间三维重建135

图6.21 选中建筑物显示高度和面积136

图6.22 选中2个建筑物显示距离136

图6.23 单个水平区域137

图6.24 单个水平区域场景138

图6.25 多个并行水平区域的空间关系138

图6.26 多个并行水平区域场景139

图6.27 数字城市在水平空间上的并行方法流程图139

图6.28 数字城市的背景层140

图6.29 数字城市的背景层＋雾层140

图6.30 数字城市的背景层＋道路信息层141

图6.31 数字城市的背景层＋高程层141

图6.32 数字城市的背景层＋建筑层141

图6.33 数字城市的背景层＋车辆层142

图6.34 数字城市的背景层＋树木层142

图6.35 数字城市的背景层＋桥梁层142

图6.36 数字城市的背景层＋航空层143

图6.37 数字城市在本性维上的并行方法流程图143

图6.38 数字城市的空中部分145

图6.39 数字城市的地表部分145

图6.40 数字城市的地下部分145

图6.41 数字城市在垂直空间上的并行方法流程图146

图6.42 增量式更新方法149

图6.43 同一地区不同年份的两幅不同源遥感影像150

图6.44 时间1的数字城市151

图6.45 时间2的数字城市152

图6.46 时间3的数字城市152

图6.47 时间4的数字城市152

图6.48 三维城市中运动的车辆和飞机154

图6.49 数字城市在时间维上的并行方法流程图154

图6.50 同步起点156

图6.51 同步过程156

图6.52 同步终点157

图6.53 数字城市中并行通信协同方法流程图157

图6.54 数字城市中的任务并行方法流程图158

图6.55 并行显示支持多用户使用159

图6.56 数字城市在用户维上的并行方法流程图160

图7.1 并行时空模型的应用机理161

图7.2 违章建筑监测的并行时空模型163

图7.3 违章监测并行数据操作树状图167

图7.4 映射图1168

图7.5 映射图2168

图7.6 观察员集合的拓扑树168

图7.7 利用并行时空模型解决违章建筑问题的总体结构169

图7.8 实时交通监控的并行时空模型171

图7.9 并行时空模型中同步机制示意图174

图7.10 交通监控并行数据操作树状图179

图7.11 映射图1179

图7.12 映射图2179

图7.13 映射图3180

图7.14 映射图4180

图7.15 映射图5180

图7.16 映射图6180

图7.17 观察拓扑图181

图7.18 利用并行时空模型解决交通监测问题的总体结构181

图7.19 并行计算机树状拓扑183

表1.1 数字城市的已有技术10

表5.1 各类时空模型特性比较表120

表5.2 各类时空模型升级前后计算复杂度比较表120

表5.3 各类时空模型升级前后存储复杂度比较表121

表6.1 更新情况分类150

表7.1 总表163

表7.2 表名A164

表7.3 表名B164

表7.4 表名C164

表7.5 表名A2007164

表7.6 表名A2008164

表7.7 表名B2007164

表7.8 表名B2008164

表7.9 表名C2007165

表7.10 表名C2008165

表7.11 表名A2007165

表7.12 表名A2008165

表7.13 表名B2007165

表7.14 表名B2008165

表7.15 表名C2007165

表7.16 表名C2008165

表7.17 表名1172

表7.18 表名2173

表7.19 表名3173

表7.20 路段表173

表7.21 路段1-时间1174

表7.22 路段1-时间2175

表7.23 路段2-时间1175

表7.24 路段2-时间2175

表7.25 数据字典175

表7.26 时间点1176

表7.27 时间点2176

表7.28 时间点3176

表7.29 时间点4176

表7.30 时间点1176

表7.31 连续时间点177

表7.32 最拥挤路段178

表7.33 最拥挤路段6178

表7.34 最拥挤路段7178

表7.35 最拥挤路段3178

表7.36 最拥挤路段4178