并行時空模型

前言

自然場景、動物、植物、人造物都并行地存在于時空之中；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)作來完成一件事情或者一個項目。時空中的萬事萬物相對獨立又相互聯(lián)系，因此萬事萬物在大部分時間內(nèi)可以獨立地存在，有時又需要相互作用。隨著人類對地球觀測手段的快速發(fā)展，人們獲取城市數(shù)據(jù)的能力越來越強、成本越來越低，對海量空間數(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空數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的時空模型不能很好地滿足海量時空數(shù)據(jù)的管理和分析。并行計算和時空模型也是近幾年來GIs研究中最活躍的領(lǐng)域之一。 本書主要涉及計算機科學(xué)領(lǐng)域的并行計算研究方向和地理信息科學(xué)領(lǐng)域的時空模型研究方向。傳統(tǒng)時空模型使用的是串行計算模式，但當(dāng)時空問題的規(guī)模超過串行計算機的計算和存儲能力時，串行計算機就無法模擬其傳統(tǒng)時空模型。大部分時空應(yīng)用中有著海量應(yīng)用、海量空間、海量時間、海量用戶，并要求在有效的時間內(nèi)模擬出結(jié)果。顯然應(yīng)用傳統(tǒng)時空模型無法解決大規(guī)模時空應(yīng)用問題，所以本書提出并研究并行時空模型。并行時空模型繼承傳統(tǒng)時空模型模擬客觀世界時空特性的能力，增加模擬客觀世界時空并行的能力。并行時空模型能夠?qū)r空應(yīng)用中的時空問題劃分為很多小的時空問題，并能將這些小的時空問題映射到并行計算機的不同計算節(jié)點。當(dāng)時空問題規(guī)模增大時，只要相應(yīng)地增加劃分的數(shù)量，保持每個劃分中時空問題的規(guī)模大小，同時相應(yīng)地增大并行計算節(jié)點的數(shù)量，就可以在有效的時間內(nèi)進行模擬。本書的主要內(nèi)容如下：（1）結(jié)合并行計算和時空模型技術(shù)，提出并研究了并行時空模型。從時空對象的本性、空間屬性、時間屬性上劃分了不同類型的時空模型，為開發(fā)并行時空應(yīng)用提供可以參考的模型。給出了并行時空模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、程序結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、數(shù)據(jù)庫表設(shè)計方法、基本操作，并以數(shù)字城市、違章建筑監(jiān)測、遙感圖像識別、交通監(jiān)控為例說明了并行時空模型的應(yīng)用方法。（2）研究并給出將傳統(tǒng)時空模型及其應(yīng)用升級為并行時空模型及其應(yīng)用的方法。具體為：分別將時空立方體模型、時空快照修正模型、時空組合模型從傳統(tǒng)時空模型升級為并行時空模型，以及利用并行時空模型升級現(xiàn)有數(shù)字城市的方法。值此書出版之際，謹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空模型：從科學(xué)層面上研究如何時空并行，即如何理解和表示“時空并行性”；從技術(shù)層面上研究如何構(gòu)建能在并行計算機上運行的時空模型，即在并行計算機上模擬時空并行性的方法；從應(yīng)用層面上研究如何應(yīng)用并行時空模型，這對地理信息科學(xué)領(lǐng)域中時空模型的并行化、數(shù)字城市的規(guī)模化和并行化，以及計算機科學(xué)領(lǐng)域中并行計算的應(yīng)用推廣都具有理論和實踐意義。    本書可供地理信息科學(xué)領(lǐng)域和計算機科學(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。

作者簡介

朱定局，博士，畢業(yè)于中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所。先后任職于勝利油田地質(zhì)科學(xué)研究院、美國Texas State University地理系（訪問學(xué)者）、北京大學(xué)（博士后）。現(xiàn)任職于中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院，全國高性能計算專業(yè)委員會委員，國家“863”重大項目（華南高性能計算與數(shù)據(jù)模擬網(wǎng)絡(luò)）副組長。獲授權(quán)專利3項（“一種數(shù)字城市全自動生成的方法”與“一種圖像處理中物體自動識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　時空數(shù)據(jù)模型    1.1.1　時空數(shù)據(jù)模型的研究意義    1.1.2　時空數(shù)據(jù)模型的研究現(xiàn)狀    1.1.3　已有時空數(shù)據(jù)模型的分類    1.1.4　已有時空數(shù)據(jù)模型的局限性  1.2　時態(tài)GIS與并行GIS    1.2.1  時態(tài)GIS    1.2.2　并行GIS    1.2.3　時態(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　并行時空模型的理論基礎(chǔ)  2.1　時空模型    2.1.1　時空立方體模型    2.1.2　序列快照模型    2.1.3　基態(tài)修正模型    2.1.4　時空復(fù)合模型    2.1.5　離散格網(wǎng)單元列表模型    2.1.6　時空對象模型或雙時間時空對象模型    2.1.7　基于特征的時空數(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　基于事件的時空模型    2.1.11　基于時間語義模型或稱時空屬三域模型    2.1.12　基于狀態(tài)事件的時空模型  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　投機策略    2.2.6　混合模型  2.3　時空模型與并行模式的特點與互補性第3章　并行時空模型的概念與設(shè)計  3.1　時空中的并行模式    3.1.1　時空數(shù)據(jù)并行模式    3.1.2　時空任務(wù)并行模式    3.1.3　時空流水線并行模式    3.1.4　時空混合并行模式    3.1.5　時空并行模式的效率  3.2　并行時空模型中的基本概念    3.2.1　并行時空模型的組成要素    3.2.2　并行時空模型的定義  3.3　并行時空模型的設(shè)計    3.3.1　劃分的原則    3.3.2　單級一維并行時空模型    3.3.3　單級二維并行時空模型    3.3.4　單級三維并行時空模型    3.3.5　多級并行時空模型    3.3.6　獨立并行時空模型與關(guān)聯(lián)并行時空模型    3.3.7　單式并行時空模型與復(fù)式并行時空模型    3.3.8　松耦合并行時空模型與緊耦合并行時空模型  3.4　并行時空模型舉例    3.4.1　單級各維單式獨立并行時空模型    3.4.2　復(fù)式聯(lián)合多級并行時空模型  3.5　并行時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)系運算    3.5.4　并行時空分布  3.6　并行時空模型到并行計算機的映射方法　　……第4章　并行時空模型的軟件設(shè)計方法第5章　傳統(tǒng)時空模型到并行時空模型的升級第6章　基于并行時空模型的數(shù)字城市并行方法第7章　并行時空模型的應(yīng)用方法參考文獻索引結(jié)束語

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 緒 論數(shù)字城市是一種典型的時空應(yīng)用。數(shù)字城市對經(jīng)濟有極大的推動作用，如數(shù)字房產(chǎn)；對社會有極大的促進作用，如數(shù)字生活；對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。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，下一步必然會發(fā)展到時空數(shù)據(jù)模型（ESTDM）。但其數(shù)據(jù)模型的組織和處理都沒有改變其串行方式。串行方式，意味著所有的數(shù)據(jù)都要排隊，等待著同一個計算節(jié)點進行處理。但現(xiàn)實城市的時空數(shù)據(jù)都在并行地產(chǎn)生、并行地變化。由于串行計算機的計算能力和存儲能力的限制，使得目前數(shù)字城市的性能和功能都受到極大限制，無法滿足大規(guī)模應(yīng)用、復(fù)雜應(yīng)用、大量用戶對計算機資源的需求。如果我們數(shù)字城市的時空數(shù)據(jù)模型不能被并行地處理，那么勢必不能滿足數(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)，但未針對時空數(shù)據(jù)；雖然有并行地理信息系統(tǒng)（GIS），但未考慮時間維；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。所以并行時空模型的產(chǎn)生是時空應(yīng)用發(fā)展的必然需要。1.1時空數(shù)據(jù)模型空間和時間是現(xiàn)實世界最基本、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都需要表達地學(xué)對象的時空屬性（stefano et al.，2001）。例如，在地籍變更、環(huán)境監(jiān)測、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)測未來（周云軒等，2003）。時態(tài)地理信息系統(tǒng)（TGIs）是一種采集、存儲、管理、分析與顯示地學(xué)對象隨時間變化信息的計算機系統(tǒng)（王家耀等，2004）。TGIs的核心問題之一是時空數(shù)據(jù)模型的建立（姜曉軼和周云軒，2006）。時空數(shù)據(jù)模型是在時間、空間和特征語義方面完整地模擬客觀地理世界的數(shù)據(jù)模型，是對客觀現(xiàn)實世界的抽象和表示（張英，2007）。時空數(shù)據(jù)模型是時空信息系統(tǒng)的核心，定義了對象數(shù)據(jù)類型、關(guān)系、操作和維護數(shù)據(jù)庫完整性的規(guī)則（張鳳和曹渠江，2005）。一個嚴格的時空數(shù)據(jù)模型必須具備在時空信息系統(tǒng)中執(zhí)行時空數(shù)據(jù)查詢及分析的能力。時空數(shù)據(jù)模型是一種有效組織和管理時態(tài)地學(xué)數(shù)據(jù)、空間、專題、時間語義完整的地學(xué)數(shù)據(jù)模型，不僅強調(diào)地學(xué)對象的空間和專題特征，而且強調(diào)這些特征隨時問的變化，即時態(tài)特征。

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