基于可控时空立方体的车辆轨迹大数据检索方法研究

With the development of information technologies, it is possible to continuously collect trajectories of massive moving objects. It is a new data source for geographers who are concerned about the relationship between human and the earth. However, the lack of appropriate data access methods and index structures hinders the research progress and full utilization of data resources. In view of this, based on existing research, we put forward the application. The big data of taxi trajectories in urban area are employed as research object, and typical applications are selected as the target of data access methods. A novel index structure named “controlled spatio-temporal cubes” as well as data retrieval methods is designed and implemented with respect to the concept of “bringing methods into data". The project aims at not only enriching the existing large-scale trajectory data access method in theory, but also promoting the application of vehicle trajectory data in urban planning and traffic management in practice.

随着信息技术的发展，持续获取海量移动对象轨迹成为可能，为以关注人地关系为根本的地理学者们提供了新的数据源，但相关数据检索方法及索引结构的不足，阻碍了研究的深入及数据资源的充分利用。为此，我们提出项目申请，基于已有研究成果，以城市出租车轨迹大数据为研究对象，选择典型应用，借鉴“将方法带入数据中”的指导思想，设计并实现以“可控时空立方体”为主体索引结构的数据高效检索方法。研究成果希望在理论上丰富现有轨迹大数据检索方法，在实践上推动车辆轨迹大数据在城市规划、交通管理等领域的应用。

随着信息技术的快速发展、大量行业数据的不断开放，持续或实时地获取海量移动对象的位置和属性信息成为可能，为以关注人地关系为研究根本的地理学者提供了新的数据源。这类数据的一个共同特征就是数据中的每项或大多数记录除了包含描述对象的属性信息之外，还带有时空标签，记录了该对象在特定时间的空间位置，因此，其可被称为“轨迹数据”。当可采集的移动对象数量较大时，则称之为“轨迹大数据”。轨迹大数据的出现既为相关研究提供了大量的机遇，同时也带来了挑战，如传统研究方法的变革问题、数据本身的质量和不确定性问题及数据处理算法问题等。此次项目研究，关注数据处理中检索方法的研究，主要研究内容包括轨迹大数据结构分析，应用目的确定，地图匹配方法与数据存储结构设计，索引结构设计及方法实现与验证。取得的主要研究成果包括：1）设计了多种轨迹大数据管理与索引方法，如，面向轨迹行程管理的TripCube索引方法，基于Cassandra数据库的数据降维及键值存储及索引方法，应用于多边形对象时空信息管理的MTGIS模型，基于深度强化学习的移动目标行为轨迹模拟模型等；2）在时空轨迹数据建模和索引的方法实现上，研发了一套时空轨迹大数据处理及分析软件系统（XSTAR），其从底层实现了针对轨迹数据的多种处理和分析功能，截至2021年底，下载数量已经超过4500；3）在多个领域尝试了方法的应用效果，如，利用多源个体轨迹数据，针对城市空间结构及职住平衡问题进行了研究，基于海量救护车轨迹数据，提出了急救站优化选址方法，基于个体移动轨迹数据，实现了时空粒度更加精细的活动人口预测，结合实际车辆行驶轨迹，改进蚁群算法，优化了物流运输中的车辆路径问题等。上述研究成果在理论上丰富了现有轨迹大数据检索方法和工具，在实践上推动了车辆轨迹大数据在城市规划、交通管理等领域的应用。