本文的研究由施群山、周杨、蓝朝桢、吕亮、胡校飞、徐青等作者共同完成，他们来自信息工程大学地理空间信息学院。该研究于2023年1月发表在《测绘科学》（Science of Surveying and Mapping）期刊上。

学术背景

本研究的主要科学领域是网络空间测绘（Cyberspace Mapping），旨在解决传统网络空间逻辑关系及地理空间要素表达模型在网络空间测绘表达中的不足。随着互联网和物联网技术的飞速发展，网络空间已成为第五战略空间，其复杂性和动态性使得传统的测绘方法难以应对。网络空间测绘技术是测绘科学在网络空间领域的全新应用，旨在实现对网络空间资源的探测、融合分析和绘制。然而，现有的表达模型无法有效描述网络空间的高动态性和多尺度特征，因此本研究提出了基于图论和时空对象的表达模型，以更好地满足网络空间测绘的需求。

研究流程

本研究分为以下几个主要步骤：

1. 表达对象分类与分析
   研究首先将网络空间测绘表达对象分为三类：网络空间资源、网络空间关系和网络空间事件。网络空间资源包括实体资源（如交换设备和接入设备）和虚拟资源（如信息内容和虚拟服务）。网络空间关系则包括物理层的联通关系、逻辑层的拓扑关系和认知层的社交关系。网络空间事件则涉及网络攻击、病毒勒索等动态事件。

2. 表达模型设计
   研究提出了基于图论和时空对象的网络空间测绘表达模型。该模型以图论为基础，结合多粒度时空对象模型，并强化时间属性。具体来说，模型将网络空间资源抽象为时空对象，将网络空间关系抽象为图论中的边。模型的核心设计原则包括：

   • 以图论为基础：利用图论中的结点和边来描述网络空间关系。
   • 结合多粒度时空对象模型：将网络空间资源抽象为具有属性、时空、几何和行为特征的时空对象。
   • 强化时间属性：所有对象和关系都与时间相关，以应对网络空间事件的高动态性。

3. 模型的形式化描述
   研究通过形式化的数学表达式描述了模型的各个组成部分。模型中的时空对象和边都是时间的函数，能够随着时间的变化而变化，从而实现对网络空间事件的动态表达。

4. 模型实现与应用
   研究采用面向对象的方法实现了模型，将网络空间抽象为对象基类（ObjectBaseClass）和关系基类（EdgeBaseClass）。通过继承这两个基类，研究实现了对网络空间资源、关系和事件的统一组织与管理。为了验证模型的有效性，研究以全球网络自治域系统（Autonomous Systems, AS）为例进行了应用实例分析。

5. 数据组织与可视化
   研究采用了CAIDA（The Cooperative Association for Internet Data Analysis）提供的数据，包括AS对象的详细信息和AS拓扑关系数据。通过基于XML的方法对数据进行组织，并结合Cesium开源地理信息平台实现了网络空间测绘的可视化表达。

主要结果

1. 网络空间资源表达
   研究成功实现了对网络空间资源的表达，不同资源对象通过不同的符号进行区分。例如，AS对象通过简单的字母符号表示，其属性和地理位置信息也被有效表达。

2. 网络空间关系表达
   研究实现了对网络空间关系的多层级表达。在物理层，AS对象之间的连接关系与地理位置强相关；在逻辑层，AS对象之间的拓扑关系则通过图论中的边进行描述。研究表明，基于图论的表达模型能够有效描述不同层级的网络空间关系。

3. 网络空间事件表达
   研究通过时间强相关的模型实现了对网络空间事件的动态表达。例如，网络攻击事件可以通过箭头标示的方式从攻击源AS对象动态传播到目标AS对象，整个过程能够随时间变化而动态展示。

4. 网络空间多尺度表达
   研究还实现了网络空间的多尺度表达。在不同视点距离下，AS对象的几何外形会根据比例尺或视点距离的变化而自动调整，从而满足多尺度表达的需求。

结论

本研究提出的基于图论和时空对象的网络空间测绘表达模型，能够有效应对网络空间资源跨层、要素关联、事件多发和多尺度的特点。该模型通过将网络空间资源抽象为时空对象、将网络空间关系抽象为图论中的边，实现了对网络空间测绘成果的统一组织与表达。研究结果表明，该模型能够有效屏蔽不同来源的网络空间数据类型和数据库存储格式的差异，生成一体化场景，满足网络空间测绘的可视化需求。

研究亮点

1. 创新性表达模型
   本研究首次将图论和多粒度时空对象模型相结合，提出了适用于网络空间测绘的表达模型，具有较强的创新性。

2. 时间强相关特性
   模型中的所有对象和关系都与时间相关，能够有效应对网络空间事件的高动态性，为网络空间事件的动态表达提供了新的解决方案。

3. 多尺度表达能力
   模型支持网络空间的多尺度表达，能够根据比例尺或视点距离的变化自动调整表达要素的几何外形，满足不同应用场景的需求。

研究意义

本研究为网络空间测绘提供了一种全新的表达模型，具有重要的科学价值和应用价值。该模型不仅能够有效组织和管理网络空间测绘数据，还能够生成一体化的可视化场景，为网络空间资源的探测、分析和表达提供了新的工具。此外，该模型的时间强相关特性和多尺度表达能力，为网络空间事件的动态展示和跨层级表达提供了新的思路，具有广泛的应用前景。

其他有价值的内容

研究还通过全球AS系统的应用实例，展示了模型在实际应用中的有效性。实例分析表明，该模型能够有效表达网络空间资源、关系和事件，并能够利用一套数据和一个表达模型实现跨层级表达，具有较强的实用性和推广价值。