修文群 李曉明 張寶運

(中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院 深圳 518055)

1 引 言

當(dāng)前有關(guān)互聯(lián)網(wǎng)對象現(xiàn)實空間及虛擬空間的研究，分別在地理信息服務(wù)(Geographic Information Service，GIS)與社會網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(Social Networking Services，SNS)兩領(lǐng)域內(nèi)開展。其中，GIS 側(cè)重分析網(wǎng)絡(luò)資源的時空分布、網(wǎng)民行為空間規(guī)律及與環(huán)境相關(guān)性等，不涉及網(wǎng)絡(luò)對象及行為的虛擬空間結(jié)構(gòu)與關(guān)系；而 SNS 不考慮網(wǎng)絡(luò)要素現(xiàn)實空間位置、距離和方向等，專門研究網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間拓?fù)潢P(guān)系，探討網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計規(guī)律與幾何學(xué)特征等，包括中心―邊緣、冪律、介數(shù)、集聚度和連通度等[1-4]。

兩者間存在形式上的結(jié)合—網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞貓D，如圖 1 所示。圖 1 左側(cè)為網(wǎng)絡(luò)對象的拓?fù)潢P(guān)系圖，通過地理屬性字段，將目標(biāo)動態(tài)投影到右側(cè)二維地圖上。由于互聯(lián)網(wǎng)虛擬要素與其現(xiàn)實空間范圍并非建立在統(tǒng)一坐標(biāo)系及數(shù)據(jù)庫之上(分別存于 IP 地址庫與拓?fù)潢P(guān)系表中)，故現(xiàn)有 TOPO＋MAP 圖只是雙方關(guān)系的一個簡單映射與象征性組合。

圖2 是另一種“虛擬―現(xiàn)實”空間性的集成顯示[5,6]。通過對互聯(lián)網(wǎng)對象及行為的拓?fù)錅y量與聚類分析，將形成的節(jié)點(簇)投影到地球表面。由于節(jié)點缺乏空間坐標(biāo)，其空間位置難以精確定位，僅具示意性。

圖1 GIS 與 SNS 的聯(lián)合顯示Fig. 1. Universal display of GIS and SNS

圖2 互聯(lián)網(wǎng)資源的拓?fù)溲芯?Cadia.com)Fig. 2. Topology research of internet resource(Cadia.com)

上述兩方案解決了部分“虛擬―現(xiàn)實”空間互動關(guān)系，但存在以下問題：首先無法實現(xiàn)雙重空間的一體化表達，未能將雙方要素及關(guān)系置于同一坐標(biāo)系內(nèi)，缺少空間結(jié)構(gòu)真實感，無法顯示其相關(guān)性及復(fù)雜性；其次，缺少互聯(lián)網(wǎng)對象的現(xiàn)實空間坐標(biāo)，無法實現(xiàn)精確定位；最后，二維地圖顯示效果不佳，相互遮擋，信息量有限。

對于互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)溲芯慷?，由于拓?fù)浔砣狈?zhǔn)確空間位置、網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)絡(luò)用戶的屬性信息，因而無法進行復(fù)雜條件查詢，其結(jié)構(gòu)分析也無法與現(xiàn)實空間相對應(yīng)[7]?；ヂ?lián)網(wǎng)資源的空間定位，主要采用 IP 注冊表地址映射方式，如GeoIP 和 IP Locating 等，實現(xiàn) IP 地址及其所處國家、城市和注冊地等信息的動態(tài)反饋，在地圖上可進行近似標(biāo)注，但無法獲得 IP 節(jié)點的精確空間坐標(biāo)[8]。

傳統(tǒng) GIS 對網(wǎng)絡(luò)資源、用戶和事件等進行基于 IP 地址表的間接、近似定位及二維顯示，用于揭示其現(xiàn)實空間分布及變化趨勢，制作網(wǎng)絡(luò)資源圖、網(wǎng)民分布圖和社交關(guān)系圖等。同時，探索地理要素對互聯(lián)網(wǎng)分布的影響，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)施地理相關(guān)性、網(wǎng)民現(xiàn)實空間活動規(guī)律及影響因子，研究手段多為統(tǒng)計分析而非實時在線監(jiān)控。上述研究，多關(guān)注互聯(lián)網(wǎng)要素的某一類別、某一局部特征，無法涉及全要素、全方位和系統(tǒng)化的互聯(lián)網(wǎng)整體。同時由于缺乏精確的 IP 坐標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)虛擬屬性和三維顯示方法，無法對虛擬空間對象行為進行動態(tài)管理，難以具備復(fù)雜查詢及分析預(yù)測功能[8,9]。

本文以 IP 空間定位為手段，將網(wǎng)絡(luò)空間與現(xiàn)實空間統(tǒng)一集成于三維數(shù)字地球坐標(biāo)系中，增加網(wǎng)絡(luò)對象的虛擬屬性，分層分區(qū)建立“虛擬―現(xiàn)實”一體化的三維賽博地圖系統(tǒng)(3D CyberGIS)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空間與現(xiàn)實空間的雙向查詢、分析預(yù)測及可視化。

2 互聯(lián)網(wǎng)的全局測繪與信息采集

以 IP 作為網(wǎng)絡(luò)維度，通過 IP 空間定位及網(wǎng)絡(luò)屬性采集，建立互聯(lián)網(wǎng)對象的“虛擬―現(xiàn)實”空間數(shù)據(jù)庫。具體方法如下：通過全局測繪，獲得互聯(lián)網(wǎng) IP 節(jié)點精確空間坐標(biāo)與虛擬屬性(包括服務(wù)器、路由器、交換機和網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)備；網(wǎng)站和數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)資源；用戶名、ID、郵件、微博、QQ、微信、網(wǎng)卡、主板、CPU 和硬盤號等用戶信息)，從而將“虛擬―現(xiàn)實”空間的各類對象置入 GIS 進行統(tǒng)一管理。

2.1 互聯(lián)網(wǎng)資源的空間測繪―室內(nèi)外一體化定位

通過室外 GPS 獲得準(zhǔn)確位置信息，以之為基點，通過激光測距測角，獲得與室內(nèi)目標(biāo)間距離與方位，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得被測量點位置。

2.2 互聯(lián)網(wǎng)資源的空間測繪―計算機位置信息及網(wǎng)絡(luò)屬性自動采集

采用室內(nèi)增強式手機基站定位方法(A-GPS)，實地測量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的空間坐標(biāo)。開發(fā)嵌入式程序，通過系統(tǒng)接口獲取并綁定該設(shè)備網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(主板、網(wǎng)卡、CPU 及 IP 地址)，將上述信息存貯于采集工具內(nèi)，進一步匯集于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一定位管理。

2.3 基于擴展 IP 協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)空間定位方法

擴充 IP 協(xié)議以支持互聯(lián)網(wǎng)資源及對象的空間定位。在 IP 協(xié)議數(shù)據(jù)報頭選項字段里，增加網(wǎng)絡(luò)通信的源頭、目標(biāo)及中轉(zhuǎn)各設(shè)備的實際地理位置信息(通過實測獲得經(jīng)緯度坐標(biāo))，同時建立地址服務(wù)系統(tǒng)，用于解析地名位置，從而形成一套以 IP 坐標(biāo)為基礎(chǔ)的互聯(lián)網(wǎng)地理定位體系。

對互聯(lián)網(wǎng)靜態(tài)要素進行以 IP 為標(biāo)識的全局測繪，具有超前性、必要性以及可操作性。一旦從網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施到網(wǎng)絡(luò)資源和從網(wǎng)絡(luò)用戶到網(wǎng)絡(luò)行為均被準(zhǔn)確、實時鎖定于現(xiàn)實空間，不僅帶來網(wǎng)絡(luò)安全質(zhì)變，同時也可以大幅提升網(wǎng)絡(luò)管理效率，成為打擊防范網(wǎng)絡(luò)犯罪的根本解決之道。鑒于目前各種互聯(lián)網(wǎng)通訊及空間定位工具的普及程度較高，采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進行互聯(lián)網(wǎng)要素空間測繪工程成本低廉(與運營商網(wǎng)絡(luò)用戶注冊申報檢查等工作捆綁進行)、時機成熟。

3 互聯(lián)網(wǎng)對象關(guān)系的 GIS 化

傳統(tǒng) GIS 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)源于真實空間與有形實體，雖結(jié)合復(fù)雜地理事物類型加以擴充，但針對網(wǎng)絡(luò)空間及對象缺乏有效管理機制，無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)事件的現(xiàn)實定位、基于“虛擬―現(xiàn)實”屬性的條件查詢以及分析預(yù)測。

面對互聯(lián)網(wǎng)“虛擬―現(xiàn)實”空間相互交織結(jié)合的態(tài)勢，需要對傳統(tǒng) GIS 數(shù)據(jù)功能進行虛擬化擴展，解決網(wǎng)絡(luò)對象及行為在現(xiàn)實空間的映射。IP 是一切網(wǎng)絡(luò)對象與行為的基本維度(網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo))，將 IP 地址準(zhǔn)確記錄于現(xiàn)實空間，從而在虛擬空間與現(xiàn)實空間建立了相互對應(yīng)的橋梁。本文在 GIS 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上進行擴展[10]，將現(xiàn)實空間((X、Y))、網(wǎng)絡(luò)空間(IP)及其虛擬屬性置于統(tǒng)一管理框架內(nèi)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空間對象及現(xiàn)實位置的完整表達。在此基礎(chǔ)上，對互聯(lián)網(wǎng)要素進行邏輯特征分類來作為高程(Z 值)，然后根據(jù)其 IP 經(jīng)緯度，垂直投影到三維地球表面，形成三維“虛擬―現(xiàn)實”空間坐標(biāo)系。

3.1 互聯(lián)網(wǎng)要素屬性分層

首先，根據(jù)屬性特征對互聯(lián)網(wǎng)對象進行分類，一級類別包括：物理層(Z1)、網(wǎng)站層(Z2)及用戶層(Z3)等。之后再細(xì)分為二級、三級等類別，分別進行編碼(Z1-Z11-Z111--- ；Z2-Z22-Z222---)，以此作為其“邏輯高程”。

其次，在三維數(shù)字地球坐標(biāo)系中，以互聯(lián)網(wǎng)對象的 IP 經(jīng)緯度為坐標(biāo)，垂直投影到地球表面，以其網(wǎng)絡(luò)類別(Z)為高程值，確定網(wǎng)絡(luò)對象的地理空間位置。

再次，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)對象類別確定其圖標(biāo)，根據(jù)IP 地址邏輯關(guān)系，確定 IP 節(jié)點間連接結(jié)構(gòu)。

最后，將上述網(wǎng)絡(luò)對象及其結(jié)構(gòu)，按照其【經(jīng)度＋緯度＋邏輯高程】三維坐標(biāo)以及類別圖標(biāo)，顯示在三維 GIS 系統(tǒng)中，如圖 3 所示。

圖3 “虛擬―現(xiàn)實”一體化的 CyberGIS 空間邏輯Fig. 3. Spatial logic of CyberGIS based on virtual-reality integration

3.2 虛擬空間對象數(shù)據(jù)模型

本文對現(xiàn)實世界和網(wǎng)絡(luò)空間進行面向?qū)ο蟮慕Ｅc數(shù)據(jù)管理，對其幾何、語義、拓?fù)湟约皩傩缘葦?shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理[11,12]。如圖 4 所示，該CyberGIS 數(shù)據(jù)庫由多工程組成，每個工程根據(jù)范圍劃分為多個分區(qū)，由多個數(shù)據(jù)集組成，包括遙感圖像數(shù)據(jù)集、三維矢量數(shù)據(jù)集、語義拓?fù)鋽?shù)據(jù)集和虛擬要素數(shù)據(jù)集等。

對于虛擬要素對象數(shù)據(jù)集的管理，建立“要素對象層→對象類→對象基本數(shù)據(jù)＋屬性數(shù)據(jù)＋拓?fù)潢P(guān)系”的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)。其中，虛擬對象層可以劃分為管理層、物理層、網(wǎng)站層和用戶層等，由多個虛擬要素對象類聚合而成。虛擬要素對象包括虛擬要素幾何數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和語義拓?fù)鋽?shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過虛擬網(wǎng)絡(luò)空間對象的 IP 進行關(guān)聯(lián)。虛擬對象數(shù)據(jù)表記錄其 IP、經(jīng)緯度、高程和形狀等信息；虛擬屬性表記錄每個虛擬要素對象所有字段的屬性數(shù)據(jù)；虛擬對象語義拓?fù)潢P(guān)系表則記錄同一層次要素對象的拓?fù)潢P(guān)系，包括關(guān)聯(lián)關(guān)系和連接關(guān)系等。

3.3 復(fù)合空間數(shù)據(jù)表設(shè)計

在“虛擬―現(xiàn)實”一體化數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上，結(jié)合對象關(guān)系特性進行數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)的設(shè)計。CyberGIS 數(shù)據(jù)庫包括“現(xiàn)實要素類”和“虛擬要素類”，以“幾何＋語義＋拓?fù)洌珜傩浴钡慕Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)復(fù)合空間的數(shù)據(jù)組織。

圖4 “虛擬―現(xiàn)實”一體化的 CyberGIS 數(shù)據(jù)模型Fig. 4. CyberGIS data model based on virtual-reality integration

復(fù)合空間 CyberGIS 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括【X,Y】＋【IP】＋【現(xiàn)實屬性】＋【虛擬屬性】＋【虛擬高程】，以 IP 為標(biāo)識。

其中網(wǎng)絡(luò)對象包括物理層(設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、終端、服務(wù)器和存儲)、管理層、用戶及網(wǎng)站應(yīng)用層。其中，網(wǎng)站層再分為通信、新聞、社交、商務(wù)、政務(wù)、通訊、發(fā)布和娛樂等子層。

網(wǎng)絡(luò)對象屬性表結(jié)構(gòu)：

用戶屬性表包括：用戶名、經(jīng)緯度(靜態(tài))、姓名、身份證號、住址、電話、機器名、網(wǎng)卡號、E-mail、QQ、微信、微博和網(wǎng)名等。

設(shè)備屬性表包括：名稱、型號、出廠號、CPU 號、主板號、網(wǎng)卡號、所有人、地址、身份證、電話、放置地和經(jīng)緯度等。

比較西醫(yī)治療組、中西醫(yī)聯(lián)合治療組效果；紅斑、炎性丘疹、毛細(xì)血管擴張、脫屑消失時間；治療前后患者癥狀積分水平、生存質(zhì)量水平；副反應(yīng)。

網(wǎng)站屬性表包括：單位、地址、注冊號、身份證、上級單位及投資者名、網(wǎng)站、IP 地址、域名、負(fù)責(zé)人、電話、E-mail、欄目、編號、名稱、首頁和域名等。

4 復(fù)合空間三維可視化

在進行分類分層后，以其 IP 對應(yīng)的空間坐標(biāo)進行垂直投影，將網(wǎng)絡(luò)資源、關(guān)系、行為和用戶等虛擬空間要素全方位擴展至三維地球坐標(biāo)系中，對空間復(fù)雜拓?fù)潢P(guān)系統(tǒng)一表達，在數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)一管理，完成“虛擬―現(xiàn)實”空間的一體化存儲與顯示。

4.1 三維復(fù)合數(shù)字地球

采用 3D 地理信息 osgEarth 搭建三維數(shù)字地球平臺，其作為基于 OSG 開發(fā)的實時地形模型加載和渲染工具，支持 WMS、WCS 和 TMS 等多種地圖數(shù)據(jù)服務(wù)器，包括 shp、jpg 和 tif 等數(shù)據(jù)格式等[13]。通過 osgEarth 對“虛擬―現(xiàn)實”復(fù)合空間對象進行多層次三維可視化開發(fā)。

4.2 虛擬空間對象多層次分類表達

將虛擬空間分為網(wǎng)絡(luò)資源、對象和用戶等，對不同類別分別表達；三維繪制時，不同類別對象通過不同的層次進行可視化，每層次采用不同特征加以區(qū)別，包括形狀、大小、材質(zhì)和顏色等。

4.3 虛擬網(wǎng)絡(luò)空間對象三維動態(tài)繪制

首先確定網(wǎng)絡(luò)對象的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，定義唯一 64 位 ID。為區(qū)分不同層次類型，分別采用不同形狀、顏色和大小的三維立方體、球體和椎體等形狀表達。通過不同高度分別繪制不同層次的虛擬空間對象，如離地表最近距離為網(wǎng)絡(luò)用戶表達層，中間為服務(wù)器硬件設(shè)備層，最上層為互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站層。每層可再分為若干亞層，對應(yīng)一定高度空間，采用透明平面分隔，增加層次顯示清晰性。

虛擬空間對象繪制時，將每個對象都作為一個節(jié)點(Node)，采用 osgEarth 的 ObjectPlacer 方法，先定義 ObjectLocatorNode 節(jié)點對象，設(shè)置經(jīng)緯度坐標(biāo)以及位置、方位等參數(shù)信息，然后將設(shè)置存于偏移矩陣對象(MatrixTransform)中，根據(jù)所屬層次確定該對象繪制的高度。采用 LOD技術(shù)建立多細(xì)節(jié)層次，設(shè)置不同 LOD 節(jié)點的可見距離，進行網(wǎng)絡(luò)對象的動態(tài)加載與多細(xì)節(jié)層次可視化，以此提高網(wǎng)絡(luò)對象在三維數(shù)字地球上的可視化效率[14]。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，將虛擬對象采用三維線段加以連接，對不同關(guān)系類型以及關(guān)系強弱等采用不同的線型、粗細(xì)和顏色等區(qū)分表達。

4.4 采用 OpenSceneGraph 開源圖形庫繪制“虛擬―現(xiàn)實”三維空間步驟

空間邏輯關(guān)系采用圓柱體作為三維元模型，通過函數(shù)：osg::Cylinder(const osg::Vec3¢er,float radius,float height)繪制。

(2)為各類三維元模型添加材質(zhì)，三維場景燈光默認(rèn)為白色，

(3)根據(jù)虛擬節(jié)點和結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實環(huán)境的位置，利用三維元模型繪制其空間邏輯。根據(jù)相鄰節(jié)點位置計算平移、旋轉(zhuǎn)矩陣，據(jù)此對原始位置的邏輯關(guān)系模型(圓柱)進行旋轉(zhuǎn)和平移變換，實現(xiàn)邏輯關(guān)系的繪制；根據(jù)節(jié)點的類型和空間位置計算平移矩陣，對原始位置節(jié)點模型進行旋轉(zhuǎn)和平移變換；邏輯關(guān)系三維模型變換代碼如下：

根據(jù)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、文件對象模型和三維建筑物模型數(shù)據(jù)，建立三維虛擬地理環(huán)境。將所述三維空間邏輯模型加載到三維虛擬地理環(huán)境中，實現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實的對應(yīng)，如圖 5 所示。圖 5顯示在現(xiàn)實三維地球坐標(biāo)系上，按照 IP 所在位置和區(qū)域，垂直分布各類網(wǎng)絡(luò)虛擬要素，分為網(wǎng)絡(luò)層、網(wǎng)站層以及用戶層(按形狀、大小和拓?fù)潢P(guān)系)加以區(qū)分顯示，以顏色及標(biāo)號對其屬性加以細(xì)分，從而形成“虛擬―現(xiàn)實”一體化的三維賽博地圖系統(tǒng)。

圖5 基于邏輯分層的互聯(lián)網(wǎng)“虛擬―現(xiàn)實”一體化三維可視化Fig. 5. Virtual-reality integrative 3D visualization of internet resource based on logical layering

5 結(jié) 論

通過增加網(wǎng)絡(luò)對象的現(xiàn)實坐標(biāo)，將網(wǎng)絡(luò)空間與現(xiàn)實空間要素置于統(tǒng)一坐標(biāo)系中，實現(xiàn)了雙重空間的一體化表達，通過增加其虛擬屬性及三維結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了 CyberGIS“虛擬―現(xiàn)實”一體化的定位、查詢、分析及可視化功能，有效拓展了GIS 對虛擬空間的管理。

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