基于特征的空间态势一体化数据模型

施群山，吕 亮，蓝朝桢，徐 青，李建胜

（1.信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州450001；2.信息工程大学 导航与空天目标工程学院，河南 郑州450001）

随着空间探测技术的发展以及人类对空间利用的高度重视和日益依赖，空间已成为维护国家安全和国家利益所必须占据的战略制高点。为确保空间安全，维护空间利益，世界强国纷纷着手建立各自的空间态势感知系统［1-4］，以便及时准确获取空间态势信息。由空间目标信息及空间环境信息有机组成的空间态势信息，是实施空间任务、保护空间资产安全和发挥空间装备效能的重要保障。

空间安全和空间利益的重要性，给测绘保障的任务和使命提出了新的要求和内涵，测绘保障范围也需要由传统的地球表面向地球外层空间拓展，从认知地球本身进一步向认知地球外层空间迈进。目前对空间态势的监测由多个部门共同完成，各个部门监测的数据种类各不相同，即使相同的数据，存储的格式也不一定相同。为了使不同的空间态势信息系统之间具有良好的互操作性，以及在异构分布式系统之间实现空间态势信息共享，需要建立空间态势一体化数据模型，将获取的多源、异构数据有机合理地组织起来，实现信息整合，同时也为空间态势表达提供基础。

为了便于数据的存储和管理，传统GIS的数据模型主要是基于图层的思想，该模型由一系列层组成，各层之间具有严格的边界，但是该模型割裂了各层对象之间可能存在的专题和时间关系，而人类对现实世界的认知却是依据特征实体的，不是基于分层几何要素，数据模型应当能够直接反映这种认知过程。近年来，基于特征的数据建模方法由于其更能反应人们对现实世界的这种理解方式，在地理信息系统研究领域引起了广泛关注［5-6］。本文将基于特征的思想引入空间态势一体化数据模型中进行概念建模，并结合面向对象的方法进行逻辑模型设计，最后基于可扩展标记语言（eXtensible Markup Language，XML）构建空间态势数据物理模型。

1 空间态势信息构成要素

要全面理解并正确构建空间态势数据模型，就要重点把握其构成要素及相互关系。本文将空间态势信息构成要素分为空间目标要素和空间环境要素两大类，如图1所示。

空间目标本文主要指地球轨道上运行的各类在轨活动、失效航天器以及空间碎片等实体目标。空间环境则是各类空间目标所处的运行环境，主要有：中高层大气、电离层、磁场、等离子体层、辐射带、太阳风和行星磁场等［7］。

2 一体化数据建模

空间态势信息要素繁多，样式复杂，并且具有分布式特点，如若对每种要素信息均进行定制式数据建模，不仅工作量巨大，而且将会造成系统结构冗余，各空间态势信息系统之间的互操作和信息共享变得异常困难，因此需要构建空间态势一体化数据模型。

空间态势一体化数据模型是将描述空间目标、空间环境及其相互间联系的数据进行有效管理的模型，它独立于任何空间态势信息系统，但同时又为空间态势信息的组织和空间态势信息系统的建立提供了支撑。按照不同的应用层次，空间态势一体化数据模型分为概念模型、逻辑模型和物理模型。

下面分别从概念模型、逻辑模型、物理模型3个方面详细介绍基于特征的空间态势一体化数据模型。

如图2所示，本文首先借助基于特征的思想完成空间态势概念建模；然后运用面向对象的方法，完成空间态势逻辑模型的构建，最后根据XML模式（XML Schema）对文档结构、内容约束的描述完成XML文档的组织，从而完成空间态势一体化数据建模的全过程。

图2 空间态势一体化数据建模流程

2.1 基于特征的概念模型

自从基于特征（Feature）的建模方法在80年代出现以来，关于特征一词的定义经历了下面几个阶段。传统地图制图学中，特征一词被定义为：地图中的对象［8］；1992年，特征被地理空间数据转换标准（Spatial Data Transfer Standard，SDTS）定义为：现象和其表达的联合体；1995年，特征被 McDonnell，Kemp定义为：表达现实实体的一组地理空间元素［9］。这些定义都把特征作为现实世界的图形表达。随着面向对象的方法在GIS中的应用，特征被国际标准化组织ISO／TC21l（1999）重新定义为：对现实世界中现象的一种抽象［10］。依据这个定义，特征可以表达现实世界中的所有地理现象。上面这些关于特征的定义虽然是在地理信息领域的研究中提出，但是将其进行扩展后，同样可以用于空间态势的研究。

根据特征的定义，现实世界可以理解为由实体及其关系组成的。实体是一个现实世界相对独立的现象，如一颗资源3号卫星就是一个单一的实体。特征则是对具有相同属性和关系的实体的抽象，如遥感卫星。

在地理信息系统中，特征主要由地理空间成分、时间成分和专题成分组成，三者具有同等的地位［9］，与以静态为主的地理现象不同，空间态势以运动为主，卫星沿着既定轨道飞行，空间环境因为太阳的活动处于不断的变化当中，因此本文将空间态势特征分为时空成分、几何成分和专题成分三部分，如图3所示，由于空间态势的运动特征，时间和地理空间是不可分割的一对属性，因此这里将时间和地理空间成分合并为时空成分；几何外形作为空间态势图像表达的主要对象，其可以直观反映各实体的区别，因此几何成分成为空间态势特征的另一重要成分；专题成分主要指特征的属性信息，包含名称、颜色等信息。

图3 空间态势特征构成成分

2.2 面向对象的逻辑模型

基于特征的模型侧重于概念模型，面向对象的方法侧重于逻辑模型。基于特征的数据模型从概念模型出发，考虑对象的内涵该如何界定，将实体或现象作为一个整体进行描述与表达，面向对象是从数据管理的角度来引入类和对象的概念，基于特征和面向对象在概念和数据组织上具有一定的相通性，从而使数据模型从概念模型到逻辑实现得到了统一，本文采用面向对象的逻辑模型来映射基于特征的概念模型。

图4 物体基类示意图

由空间态势一体化模型的概念模型可知，空间态势特征由时空成分、几何成分和专题成分三部分构成，具体到各类空间态势要素：无论是地球大气、地磁场之类的空间环境还是行星、卫星之类的空间目标，都具有一定时空特性的实体，这是态势要素的共性特征，而不同之处在于各类物体的几何形态差异。如图4所示，本文将所有空间态势要素抽象为一个特征基类，其由属性信息、星历和几何外形三类要素构成，分别对应于空间态势特征的专题成分、时空成分和几何成分。空间态势中所有特征均继承自该基类，从而完成一体化数据建模。

特征基类中的三要素是对所有空间态势数据组成成分的高度抽象，下面详细分析各要素。特征的属性信息较为简单，包含物体的名称、类型等信息，这里不做赘述。

第二类要素是物体的星历信息，星历主要用来负责物体的时空特性管理，即确定物体在某一时刻位置和姿态。如图5所示，考虑到物体具有多个星历段的可能，对星历按照运行时间进行了轨道切分。每段轨道同样具有自身的特征，包括轨道的起始结束时间、围绕的中心天体、轨迹及所在的坐标系、物体本身的旋转及所在坐标系等。

图5 星历结构示意图

在星历段数据中最重要的是物体的轨迹，本文设计包含了常用的4种轨迹：①固定轨迹类型：针对处于相对静止的物体，如地面站，火箭发射场等目标，包括以地球为中心的地球磁场数据，辐射带等空间环境数据均可以看成是中心点固定在地球中心的物体；②开普勒轨道：主要针对卫星、碎片等航天目标，可以利用开普勒轨道根数，根据不同的精度需求采用不同的轨道递推模型解算其位置；③两行轨道根数：两行轨道根数（Two-Line Orbital Element，TLE）是由北美防空司令部发布的轨道数据类型，北美防空司令部会定期发布其全球空间监测网络获取的地球轨道上的各类空间目标的TLE数据；④轨迹预留接口：该接口针对无法用参数描述的轨迹，通过输入随时间变化的实时或历史轨迹数据来对目标进行驱动。

第三类要素是物体的几何外形，本文根据空间态势数据的特点，进一步将物体共有的属性和方法抽象为一个外形基类，这个类为所有的几何类提供虚函数接口，其它种类的几何外形均从该派生出来，如图6所示，派生而来的几何外形根据目标类型的不同可以分为箭头类型、布告板类型、柱体类型等等，每种都对应着特定类型的空间态势数据。这种一体化的数据组织方式管理方便、操作简单、扩展性好，同时保证了程序的可复用性。

图6 外形基类派生示意图

面向对象的方法最大限度地对实体的共有属性和方法进行抽象、封装，所有空间态势要素特征在继承的基础上，可根据自身特点进一步细化内部结构，最终通过特征实例化即可构建对应的实体，从而重构现实世界中的空间态势情况。

2.3 基于XML的物理模型

从建模语言上来说，常用的建模方法有基于统一建模语言（UML）、可扩展标记语言（XML）、IDEF1X和实体-关系模型（E-R）等。XML作为W3C组织制订的一套在互联网上交换和表达数据的标准［11］，具有自描述、可扩展、交互性、结构化的特点，得到众多软件厂商的支持。本文采用基于XML的方法完成对空间态势数据的物理建模。

在空间态势一体化数据模型的概念模型和逻辑模型的基础上，进一步从结构和数据类型方面对各元素进行设计，XML模式（XML Schema）设计如图7所示。整个空间态势（SpaceSituation）由若干空间要素构成，本文按照要素的时空特性，将所有的空间态势要素抽象为运动特征和固定特征两大类。运动特征主要指实体的位置相对于地球随时间进行变化的一类要素，如卫星、航天飞机、空间站；固定特征主要指实体的位置相对于地球是不变的，如地面站，对于空间环境如大气和电离层等，本文也将其归为固定特征一类。虽然空间环境各类参数在不断的变化当中，但是本文进行全球空间环境表达时，采用对地球进行格网划分的方式［12］，展示固定的点位上的属性值，此时其属性值是不断变化的，但是展示的空间格网点是不变的，所以将空间环境划分到固定特征一类。

图7 空间态势一体化数据模型XML设计图

图7中，固定特征（FixedFeature）和运动特征（MoveFeature）都继承于基础特征类（BaseFeature），BaseFeature类主要抽象了最基本的属性，如名称（Name）、类型（ObjectType）等（见图8（a））。另外图7到图9中的“tns”都表示关键字标识符；MoveFeature类和FixedFeature类的主要区别是时空成分的不同，固定特征的地理空间位置不变用Location来获取（见图8（b）），而运动特征的地理空间位置则是由chronology来获取（见图8（c）），chronology有开普勒轨道（Loitering）、TLE轨道（LoiteringTLE）、网络接口（NetWork）、外部文件（External）几种类型。图8（b）和图8（c）中的attributes为MoveFeature类和FixedFeature类各种的扩展参数。

上面设计的XML模式决定了XML文档中数据类型和结构，空间态势一体化数据模型中具体的数据直接用XML文档作为载体进行表示，从而完成整个数据模型的建模。

3 应用实例

图8 各特征类设计图

为了验证本文的基于特征的空间态势一体化数据模型实用性和有效性，基于 Windows平台，在VS2010开发环境中，利用Qt4.8.5和OpenGL图形开发包，开发了空间态势信息系统引擎InSpace V1.0，该引擎采用本文的数据模型组织空间态势场景。不失一般性，在InSpace系统中创建只有一个运动目标和固定目标组成的态势场景，运动目标的参数以商用遥感卫星GeoEye-1为原型，具体参数如表1所示，固定目标以美国格林贝尔（Greenbelt）卫星地面接收站为原型，该地面站的位置为（经度：-76.842 8，纬度：38.998 4）。图9为构建的空间态势场景文件，图10为对应的可视化场景效果图，其中实线为GeoEye-1的运行轨迹，虚线为GeoEye-1与Greenbelt卫星地面站之间的通联关系，此场景对应的仿真时间是北京时间2014年4月13日0时0分19秒。

如图9所示，通过本文的数据模型组织空间态势数据，各种不同的实体对象的数据都采用统一的模式，即都有时空、几何和专题成分，同时各个实体对象的数据又可以根据各自的特点，有其区别于其他的构成要素，如固定目标和移动目标的位置计算模式不同。

表1 GeoEye-1轨道参数

图9 构建的空间态势场景文件

图10 空间态势场景可视化效果图

采用本文的空间态势一体化数据模型，可以屏蔽空间态势各监测单位所获取的数据类型、数据库存储格式的差异性，在空间态势表达时将数据从各数据库中提取并按本文的概念和逻辑模型重新进行组织，并以XML文件为载体，生成空间态势一体化数据。利用XML网络交互的优势，各系统可以通过更改共用的XML文件来实现系统之间的互操作，也可通过共用的XML文件获取最新的空间态势数据来实现信息的同步更新和共享。

4 结束语

数据模型是构建空间态势信息系统的技术，但目前空间态势数据具有多源异构的特点，如若对每种要素信息均进行定制式数据建模，不仅工作量巨大，而且将会造成系统结构冗余，各空间态势信息系统之间的互操作和信息共享变得异常困难，为此本文构建了基于特征的空间态势一体化数据模型，并详细介绍了模拟的概念模型、逻辑模型和物理模型。本文的一体化数据模型，一方面可以屏蔽数据类型、数据库存储格式的差异；另一方面，依据该模型生产的空间态势一体化数据，可以充分利用网络交互的优势，实现系统之间的数据互操作、同步更新和共享。

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