并行時(shí)空模型

前言

自然場(chǎng)景、動(dòng)物、植物、人造物都并行地存在于時(shí)空之中；物理反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)都可以并行地發(fā)生；人們可以并行地協(xié)作來(lái)完成一件事情或者一個(gè)項(xiàng)目。時(shí)空中的萬(wàn)事萬(wàn)物相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系，因此萬(wàn)事萬(wàn)物在大部分時(shí)間內(nèi)可以獨(dú)立地存在，有時(shí)又需要相互作用。隨著人類對(duì)地球觀測(cè)手段的快速發(fā)展，人們獲取城市數(shù)據(jù)的能力越來(lái)越強(qiáng)、成本越來(lái)越低，對(duì)海量空間數(shù)據(jù)的處理也成為數(shù)字城市和電子政務(wù)建設(shè)的“瓶頸”之一。世界范圍內(nèi)不少部門要管理和分析海量時(shí)空數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的時(shí)空模型不能很好地滿足海量時(shí)空數(shù)據(jù)的管理和分析。并行計(jì)算和時(shí)空模型也是近幾年來(lái)GIs研究中最活躍的領(lǐng)域之一。 本書主要涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的并行計(jì)算研究方向和地理信息科學(xué)領(lǐng)域的時(shí)空模型研究方向。傳統(tǒng)時(shí)空模型使用的是串行計(jì)算模式，但當(dāng)時(shí)空問(wèn)題的規(guī)模超過(guò)串行計(jì)算機(jī)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力時(shí)，串行計(jì)算機(jī)就無(wú)法模擬其傳統(tǒng)時(shí)空模型。大部分時(shí)空應(yīng)用中有著海量應(yīng)用、海量空間、海量時(shí)間、海量用戶，并要求在有效的時(shí)間內(nèi)模擬出結(jié)果。顯然應(yīng)用傳統(tǒng)時(shí)空模型無(wú)法解決大規(guī)模時(shí)空應(yīng)用問(wèn)題，所以本書提出并研究并行時(shí)空模型。并行時(shí)空模型繼承傳統(tǒng)時(shí)空模型模擬客觀世界時(shí)空特性的能力，增加模擬客觀世界時(shí)空并行的能力。并行時(shí)空模型能夠?qū)r(shí)空應(yīng)用中的時(shí)空問(wèn)題劃分為很多小的時(shí)空問(wèn)題，并能將這些小的時(shí)空問(wèn)題映射到并行計(jì)算機(jī)的不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)。當(dāng)時(shí)空問(wèn)題規(guī)模增大時(shí)，只要相應(yīng)地增加劃分的數(shù)量，保持每個(gè)劃分中時(shí)空問(wèn)題的規(guī)模大小，同時(shí)相應(yīng)地增大并行計(jì)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，就可以在有效的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行模擬。本書的主要內(nèi)容如下：（1）結(jié)合并行計(jì)算和時(shí)空模型技術(shù)，提出并研究了并行時(shí)空模型。從時(shí)空對(duì)象的本性、空間屬性、時(shí)間屬性上劃分了不同類型的時(shí)空模型，為開發(fā)并行時(shí)空應(yīng)用提供可以參考的模型。給出了并行時(shí)空模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、數(shù)據(jù)庫(kù)表設(shè)計(jì)方法、基本操作，并以數(shù)字城市、違章建筑監(jiān)測(cè)、遙感圖像識(shí)別、交通監(jiān)控為例說(shuō)明了并行時(shí)空模型的應(yīng)用方法。（2）研究并給出將傳統(tǒng)時(shí)空模型及其應(yīng)用升級(jí)為并行時(shí)空模型及其應(yīng)用的方法。具體為：分別將時(shí)空立方體模型、時(shí)空快照修正模型、時(shí)空組合模型從傳統(tǒng)時(shí)空模型升級(jí)為并行時(shí)空模型，以及利用并行時(shí)空模型升級(jí)現(xiàn)有數(shù)字城市的方法。值此書出版之際，謹(jǐn)向樊建平研究員和湛飛并教授表示衷心的感謝！

內(nèi)容概要

本書提出并研究了并行時(shí)空模型：從科學(xué)層面上研究如何時(shí)空并行，即如何理解和表示“時(shí)空并行性”；從技術(shù)層面上研究如何構(gòu)建能在并行計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的時(shí)空模型，即在并行計(jì)算機(jī)上模擬時(shí)空并行性的方法；從應(yīng)用層面上研究如何應(yīng)用并行時(shí)空模型，這對(duì)地理信息科學(xué)領(lǐng)域中時(shí)空模型的并行化、數(shù)字城市的規(guī)模化和并行化，以及計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中并行計(jì)算的應(yīng)用推廣都具有理論和實(shí)踐意義。    本書可供地理信息科學(xué)領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的研究人員使用，亦可作為高等院校和研究院所相關(guān)專業(yè)的教學(xué)用書和參考用書，同時(shí)還可以供政府部門和企事業(yè)單位數(shù)字信息化建設(shè)參考。

作者簡(jiǎn)介

朱定局，博士，畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所。先后任職于勝利油田地質(zhì)科學(xué)研究院、美國(guó)Texas State University地理系（訪問(wèn)學(xué)者）、北京大學(xué)（博士后）?，F(xiàn)任職于中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，全國(guó)高性能計(jì)算專業(yè)委員會(huì)委員，國(guó)家“863”重大項(xiàng)目（華南高性能計(jì)算與數(shù)據(jù)模擬網(wǎng)絡(luò)）副組長(zhǎng)。獲授權(quán)專利3項(xiàng)（“一種數(shù)字城市全自動(dòng)生成的方法”與“一種圖像處理中物體自動(dòng)識(shí)別并三維重建的方法”），撰寫Handbook of Research on Artificial Immune Systems and Natural Computing：Applying Complex Adaptive Technologies中Nature Inspired Parallel Computing一章。

書籍目錄

前言第1章　緒論  1.1　時(shí)空數(shù)據(jù)模型    1.1.1　時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究意義    1.1.2　時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究現(xiàn)狀    1.1.3　已有時(shí)空數(shù)據(jù)模型的分類    1.1.4　已有時(shí)空數(shù)據(jù)模型的局限性  1.2　時(shí)態(tài)GIS與并行GIS    1.2.1  時(shí)態(tài)GIS    1.2.2　并行GIS    1.2.3　時(shí)態(tài)GIS與并行GIS需要集成  1.3　數(shù)字城市    1.3.1　數(shù)字城市的研究意義    1.3.2　數(shù)字城市的研究現(xiàn)狀    1.3.3　數(shù)字城市的已有技術(shù)    1.3.4　現(xiàn)有數(shù)字城市需要并行  1.4　并行計(jì)算    1.4.1　并行數(shù)據(jù)挖掘    1.4.2　并行交通仿真    1.4.3　并行視頻壓縮    1.4.4  已有并行研究在時(shí)空中不足  1.5　本書的內(nèi)容  1.6　本書的組織第2章　并行時(shí)空模型的理論基礎(chǔ)  2.1　時(shí)空模型    2.1.1　時(shí)空立方體模型    2.1.2　序列快照模型    2.1.3　基態(tài)修正模型    2.1.4　時(shí)空復(fù)合模型    2.1.5　離散格網(wǎng)單元列表模型    2.1.6　時(shí)空對(duì)象模型或雙時(shí)間時(shí)空對(duì)象模型    2.1.7　基于特征的時(shí)空數(shù)據(jù)模型    2.1.8　圖譜數(shù)據(jù)模型    2.1.9　面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模    2.1.10　基于事件的時(shí)空模型    2.1.11　基于時(shí)間語(yǔ)義模型或稱時(shí)空屬三域模型    2.1.12　基于狀態(tài)事件的時(shí)空模型  2.2　并行模式    2.2.1  任務(wù)播種    2.2.2　單控制流多數(shù)據(jù)流    2.2.3　分治策略    2.2.4　數(shù)據(jù)流水線    2.2.5　投機(jī)策略    2.2.6　混合模型  2.3　時(shí)空模型與并行模式的特點(diǎn)與互補(bǔ)性第3章　并行時(shí)空模型的概念與設(shè)計(jì)  3.1　時(shí)空中的并行模式    3.1.1　時(shí)空數(shù)據(jù)并行模式    3.1.2　時(shí)空任務(wù)并行模式    3.1.3　時(shí)空流水線并行模式    3.1.4　時(shí)空混合并行模式    3.1.5　時(shí)空并行模式的效率  3.2　并行時(shí)空模型中的基本概念    3.2.1　并行時(shí)空模型的組成要素    3.2.2　并行時(shí)空模型的定義  3.3　并行時(shí)空模型的設(shè)計(jì)    3.3.1　劃分的原則    3.3.2　單級(jí)一維并行時(shí)空模型    3.3.3　單級(jí)二維并行時(shí)空模型    3.3.4　單級(jí)三維并行時(shí)空模型    3.3.5　多級(jí)并行時(shí)空模型    3.3.6　獨(dú)立并行時(shí)空模型與關(guān)聯(lián)并行時(shí)空模型    3.3.7　單式并行時(shí)空模型與復(fù)式并行時(shí)空模型    3.3.8　松耦合并行時(shí)空模型與緊耦合并行時(shí)空模型  3.4　并行時(shí)空模型舉例    3.4.1　單級(jí)各維單式獨(dú)立并行時(shí)空模型    3.4.2　復(fù)式聯(lián)合多級(jí)并行時(shí)空模型  3.5　并行時(shí)空模型中的基本操作    3.5.1　并行本性聚類    3.5.2　并行查詢    3.5.3　并行關(guān)系運(yùn)算    3.5.4　并行時(shí)空分布  3.6　并行時(shí)空模型到并行計(jì)算機(jī)的映射方法　　……第4章　并行時(shí)空模型的軟件設(shè)計(jì)方法第5章　傳統(tǒng)時(shí)空模型到并行時(shí)空模型的升級(jí)第6章　基于并行時(shí)空模型的數(shù)字城市并行方法第7章　并行時(shí)空模型的應(yīng)用方法參考文獻(xiàn)索引結(jié)束語(yǔ)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 緒 論數(shù)字城市是一種典型的時(shí)空應(yīng)用。數(shù)字城市對(duì)經(jīng)濟(jì)有極大的推動(dòng)作用，如數(shù)字房產(chǎn)；對(duì)社會(huì)有極大的促進(jìn)作用，如數(shù)字生活；對(duì)科研也有極大的輔助作用，如研究城市的變遷規(guī)律。隨著數(shù)字城市的推廣和深入應(yīng)用，數(shù)字城市中的數(shù)據(jù)量隨著維數(shù)的增加，呈指數(shù)增長(zhǎng)。數(shù)字城市的數(shù)據(jù)模型經(jīng)歷了從屬性數(shù)據(jù)模型到空間數(shù)據(jù)模型的發(fā)展歷程，下一步必然會(huì)發(fā)展到時(shí)空數(shù)據(jù)模型（ESTDM）。但其數(shù)據(jù)模型的組織和處理都沒(méi)有改變其串行方式。串行方式，意味著所有的數(shù)據(jù)都要排隊(duì)，等待著同一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。但現(xiàn)實(shí)城市的時(shí)空數(shù)據(jù)都在并行地產(chǎn)生、并行地變化。由于串行計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力的限制，使得目前數(shù)字城市的性能和功能都受到極大限制，無(wú)法滿足大規(guī)模應(yīng)用、復(fù)雜應(yīng)用、大量用戶對(duì)計(jì)算機(jī)資源的需求。如果我們數(shù)字城市的時(shí)空數(shù)據(jù)模型不能被并行地處理，那么勢(shì)必不能滿足數(shù)字城市大規(guī)模生成、更新的需要。雖然目前有并行數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，但未針對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)；雖然有并行地理信息系統(tǒng)（GIS），但未考慮時(shí)間維；雖然有并行交通仿真和并行視頻壓縮研究，但其中并行化方法不能用于數(shù)字城市及其他GIS應(yīng)用。所以并行時(shí)空模型的產(chǎn)生是時(shí)空應(yīng)用發(fā)展的必然需要。1.1時(shí)空數(shù)據(jù)模型空間和時(shí)間是現(xiàn)實(shí)世界最基本、最重要的屬性（姜曉軼和周云軒，2006）。許多空間應(yīng)用系統(tǒng)，尤其是GIS都需要表達(dá)地學(xué)對(duì)象的時(shí)空屬性（stefano et al.，2001）。例如，在地籍變更、環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市演化等領(lǐng)域都需要管理歷史變化數(shù)據(jù)，以便重建歷史、跟蹤變化、預(yù)測(cè)未來(lái)（周云軒等，2003）。時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)（TGIs）是一種采集、存儲(chǔ)、管理、分析與顯示地學(xué)對(duì)象隨時(shí)間變化信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（王家耀等，2004）。TGIs的核心問(wèn)題之一是時(shí)空數(shù)據(jù)模型的建立（姜曉軼和周云軒，2006）。時(shí)空數(shù)據(jù)模型是在時(shí)間、空間和特征語(yǔ)義方面完整地模擬客觀地理世界的數(shù)據(jù)模型，是對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)世界的抽象和表示（張英，2007）。時(shí)空數(shù)據(jù)模型是時(shí)空信息系統(tǒng)的核心，定義了對(duì)象數(shù)據(jù)類型、關(guān)系、操作和維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)完整性的規(guī)則（張鳳和曹渠江，2005）。一個(gè)嚴(yán)格的時(shí)空數(shù)據(jù)模型必須具備在時(shí)空信息系統(tǒng)中執(zhí)行時(shí)空數(shù)據(jù)查詢及分析的能力。時(shí)空數(shù)據(jù)模型是一種有效組織和管理時(shí)態(tài)地學(xué)數(shù)據(jù)、空間、專題、時(shí)間語(yǔ)義完整的地學(xué)數(shù)據(jù)模型，不僅強(qiáng)調(diào)地學(xué)對(duì)象的空間和專題特征，而且強(qiáng)調(diào)這些特征隨時(shí)問(wèn)的變化，即時(shí)態(tài)特征。

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