日地空间物理是以科学数据为核心的学科,该学科的科学发现与预报保障等业务均依赖于对科学数据的处理、共享与计算分析。除了具有海量、多源、异构的大数据特征外,日地空间物理数据资源还具有空间圈层分布、多时空分辨率等明显的时空特征,且根据面向的问题不同使用多种不同的时空坐标系。此外,时空特征还是日地空间物理的研究目标,精细结构识别、耦合关系研究、时空关联与演化分析等数据时空特征分析研究日益突出。学科内现有数据资源通常采用基于语义的数据组织方式而忽略了数据间广泛存在的时空关系,因此数据组织和计算应用分别由独立系统完成,难以实现数据组织与应用的无缝连接。本文提出了时空数据组织、存储与计算一体化的日地空间可计算时空框架,分析了框架的基本构成以及亟待解决的热点问题,并针对框架中的时空数据组织模型和时空计算算子开展具体分析,通过时空数据组织模型支持日地空间物理数据的时空离散化组织、分布式存储,利用时空计算算子提供科学数据的时空查询、度量计算以及拓扑关系计算等基础性时空计算,基于上述研究内容构建了日地空间可计算时空框架的原型系统从而验证了框架的有效性和高效性。论文围绕以下方面展开工作:1.日地空间可计算时空框架概念分析与设计。本文在分析了日地空间物理数据时空特征与现有的空间和时空数据组织模型的基础上,提出了日地空间可计算时空框架的设计目标、基本概念以及组成结构,将框架划分为时空数据组织模型和时空计算算子,明确了组织模型的设计原则、研究基础和路线,同时简要总结了框架支持的时空计算算子类型。2.HTM-ST时空数据组织模型设计。针对日地空间物理数据圈层结构、多时空分辨率的时空特征,本文在HTM网格的基础上进行了时间等长剖分扩展从而构建了HTM-ST模型的时空剖分方案,并设计、比较了模型中网格单元的耦合编码和非耦合编码方案,同时结合耦合编码和日地空间物理数据语义特征设计了符合HBase数据库RowKey存储规则的日地空间物理数据时空存储方案。3.基于HTM-ST数据模型的时空计算算子设计。在HTM-ST时空数据模型的基础上设计了多种时空计算算子,以实现日地空间可计算时空框架对上层数据服务应用的基础计算支持。本文研究了时空数据查询、空间度量计算与时空拓扑关系计算3类常用计算算子。4.原型系统构建与关键技术验证。基于HBase分布式数据库与现有日地空间物理数据资源设计并实现了可计算时空框架原型系统,重点实现了HTM-ST时空数据模型和时空计算算子并在其之上构建了数据服务应用,分别从数据模型、数据查询以及基于地方时的全球数据插值等方面对框架进行验证。