时空坐标数据标准（Spatio-Temporal Coordinate Data Standard, STCDS）

版本：1.0
发布日期：2025年12月1日
适用领域：数字人文、历史地理、文化遗产、天文史、跨文明研究

1. 引言

1.1 目的

本标准定义了一种统一的数据模型，用于表达具有空间与时间不确定性的事件或实体。通过“中心 + 半径 + 可信度”三段式结构，支持从地球局部到宇宙尺度的多层级时空描述，并兼容绝对参考系与相对叙事锚点。

1.2 范围

适用于结构化存储、交换、查询和可视化时空数据；
支持地球地理事件（如历史人物行踪）、太阳系事件（如彗星观测）、宇宙事件（如超新星爆发）；
明确区分测量/记载不确定性与参考系差异。

1.3 设计原则

统一性：所有时空对象采用相同核心结构；
可扩展性：支持地球、太阳系、宇宙三级参考系；
可解释性：保留原始语义与转换路径；
互操作性：兼容 WGS84、ICRS、JD、TCB 等国际标准；
不确定性显式化：拒绝“伪精确”，将模糊性作为一等公民建模。

2. 核心概念

2.1 时空对象（SpatioTemporalEntity）

表示一个在时空中发生的事件、存在的实体或观测记录，由以下组成部分构成：

唯一标识符（id）
空间描述（space）
时间描述（time）
元数据（metadata）

2.2 三段式结构

每个维度（空间、时间）均采用三段式表达：

组件	含义	类型
中心（center）	最可能的位置或时刻	坐标或时间标量
半径（radius / uncertainty）	不确定性范围（误差边界）	长度或时间量
可信度（confidence）	数据可靠性评估	分级标签或概率值

2.3 参考系层级（Reference System Levels）

层级代码	名称	空间基准	时间基准	典型应用场景
`earth`	地球层	WGS84 (EPSG:4326)	Terrestrial Time (TT)	历史事件、考古遗址、文学地景
`solarsys`	太阳系层	ICRS (J2000)	Barycentric Coordinate Time (TCB)	彗星、行星观测、航天任务
`cosmic`	宇宙层	ICRS + Redshift	Cosmic Time (ΛCDM)	超新星、伽马暴、系外行星

注：所有内部计算推荐归一化至绝对参考系（WGS84 / ICRS + TT / TCB）。

3. 数据模型规范

3.1 时空对象整体结构（JSON Schema）

{
  "$schema": "https://json-schema.org/draft/2020-12/schema",
  "type": "object",
  "properties": {
    "id": { "type": "string", "format": "uri" },
    "label": { "type": "string" },
    "description": { "type": "string" },
    "space": { "$ref": "#/$defs/uncertain_space" },
    "time": { "$ref": "#/$defs/uncertain_time" },
    "metadata": { "$ref": "#/$defs/metadata" }
  },
  "required": ["id", "space", "time"],
  "$defs": {
    "uncertain_space": { /* 见 3.2 */ },
    "uncertain_time": { /* 见 3.3 */ },
    "metadata": { /* 见 3.4 */ }
  }
}

3.2 空间描述（`uncertain_space`）

字段定义

字段	类型	必填	说明
`reference_system`	string	是	取值：`earth` \| `solarsys` \| `cosmic`
`center`	object	是	中心坐标（结构依参考系而定）
`spatial_uncertainty`	object	是	不确定性参数
`confidence_level`	string	是	取值：`high` \| `medium` \| `low` \| `speculative`

`center` 结构（按参考系）

earth:

{ "type": "earth", "lon": number, "lat": number, "alt_m": number? }

lon, lat：十进制度（WGS84），范围 [-180,180], [-90,90]
alt_m：海拔（米），可选
solarsys 或 cosmic:

{
  "type": "icrs",
  "ra_deg": number,
  "dec_deg": number,
  "distance_ly": number?,
  "redshift": number?
}

ra_deg：赤经（度），[0, 360)
dec_deg：赤纬（度），[-90, 90]
distance_ly 与 redshift 至少提供其一

`spatial_uncertainty` 结构

earth:

{ "radius_m": number }

solarsys / cosmic:

{
  "angular_radius_arcsec": number,
  "distance_uncertainty_ly": number?
}

3.3 时间描述（`uncertain_time`）

字段定义

字段	类型	必填	说明
`reference_system`	string	是	`earth` → TT；`solarsys`/`cosmic` → TCB
`center_jd`	number	是	儒略日（浮点数）
`time_radius_seconds`	number	是	时间不确定性（秒）
`confidence_level`	string	是	同空间字段

儒略日说明：

earth 层：基于 Terrestrial Time (TT)

solarsys/cosmic 层：基于 Barycentric Coordinate Time (TCB)

转换工具见附录 A

3.4 元数据（`metadata`）

字段	类型	说明
`original_description`	string	原始文本（如“乾元二年秋客秦州”）
`original_calendar`	string?	原历法（如 `chinese_lunar`, `islamic`, `julian`）
`source`	string	数据来源（文献、数据库、观测）
`conversion_method`	string	转换方法说明
`anchor_event_id`	string?	若为相对时间，引用锚点事件 ID
`created_by`	string	录入者或系统

4. 置信度分级标准（CL-Level）

等级	代码	置信区间	判定标准
CL1	`high`	≥0.90	多源交叉验证；仪器实测；官方档案
CL2	`medium`	0.70–0.89	单源可靠记载；有上下文佐证；合理推断
CL3	`low`	0.40–0.69	模糊描述（如“江南”）；孤证；间接证据
CL4	`speculative`	<0.40	假说；象征性地点；无直接依据

✅ 建议优先使用分级代码，而非连续概率值，以保证跨项目一致性。

5. 数据交换格式

5.1 JSON（推荐）

完整遵循第 3 节 JSON Schema。

5.2 GeoJSON 扩展

在 properties 中嵌入时空对象：

{
  "type": "Feature",
  "geometry": { "type": "Point", "coordinates": [lon, lat] },
  "properties": {
    "stcds": {
      "id": "...",
      "time": { ... },
      "space": { ... },
      "metadata": { ... }
    }
  }
}

5.3 RDF/OWL（用于知识图谱）

使用自定义本体 http://vocab.stcds.org/
类：stcds:SpatioTemporalEntity
属性：stcds:hasSpace, stcds:hasTime, stcds:confidenceLevel 等

6. 实施建议

6.1 存储

关系型数据库：使用 PostgreSQL + PostGIS + 自定义复合类型（见附录 B）
文档数据库：直接存储 JSON 对象

6.2 转换工具

提供 Python 库 stcds-core，包含：
- 历法转换（公历、农历、干支等 → JD）
- WGS84 ↔ ICRS 坐标转换
- TT ↔ TCB 时间转换
- 相对时间解析器

6.3 验证

提供在线 JSON Schema 验证器
支持置信度逻辑检查（如：CL1 数据不应有 >100km 半径）

附录 A：时间系统说明

时间系统	缩写	定义	适用层级
Terrestrial Time	TT	地面原子钟时间，忽略引力红移	`earth`
Barycentric Coordinate Time	TCB	太阳系质心坐标时（广义相对论）	`solarsys`, `cosmic`
Cosmic Time	—	自大爆炸起的共动时间	`cosmic`（理论）

转换公式复杂，建议使用 astropy.time 库实现。

附录 B：PostgreSQL 类型定义（示例）

CREATE TYPE stcds_confidence AS ENUM ('high', 'medium', 'low', 'speculative');

CREATE TYPE stcds_space_earth AS (
  lon DOUBLE PRECISION,
  lat DOUBLE PRECISION,
  alt_m DOUBLE PRECISION
);

CREATE TYPE stcds_space_icrs AS (
  ra_deg DOUBLE PRECISION,
  dec_deg DOUBLE PRECISION,
  distance_ly DOUBLE PRECISION,
  redshift DOUBLE PRECISION
);

CREATE TYPE stcds_uncertain_space AS (
  reference_system TEXT,
  center JSONB,
  spatial_uncertainty JSONB,
  confidence_level stcds_confidence
);

-- time 类型类似...

附录 C：示例数据

示例 1：地球事件（杜甫游秦州）

{
  "id": "cbdb:event:dufu_qinzhou_759",
  "label": "杜甫客居秦州",
  "space": {
    "reference_system": "earth",
    "center": { "type": "earth", "lon": 105.7, "lat": 34.6 },
    "spatial_uncertainty": { "radius_m": 20000 },
    "confidence_level": "medium"
  },
  "time": {
    "reference_system": "earth",
    "center_jd": 1965832.5,
    "time_radius_seconds": 7776000,
    "confidence_level": "medium"
  },
  "metadata": {
    "original_description": "乾元二年秋，客秦州",
    "original_calendar": "chinese_lunar",
    "source": "《旧唐书》《秦州杂诗》",
    "conversion_method": "乾元二年 = 759 CE; 秋 ≈ Aug–Oct"
  }
}

示例 2：宇宙事件（SN1987A 超新星）

{
  "id": "nasa:sn1987a",
  "label": "超新星 SN1987A 爆发",
  "space": {
    "reference_system": "cosmic",
    "center": {
      "type": "icrs",
      "ra_deg": 83.8958,
      "dec_deg": -69.2667,
      "distance_ly": 168000
    },
    "spatial_uncertainty": {
      "angular_radius_arcsec": 0.1,
      "distance_uncertainty_ly": 5000
    },
    "confidence_level": "high"
  },
  "time": {
    "reference_system": "solarsys",
    "center_jd": 2446850.5,
    "time_radius_seconds": 86400,
    "confidence_level": "high"
  },
  "metadata": {
    "original_description": "Observed on 1987-02-24 UTC",
    "source": "IAU Circular No. 4316",
    "conversion_method": "Light travel time corrected; TCB conversion applied"
  }
}

标准维护（假设）：本标准由开放时空数据联盟（Open Spatio-Temporal Data Consortium, OSTDC）维护。
反馈与贡献：https://github.com/ostdc/stcds-spec
许可证：CC BY-SA 4.0

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1. 引言

1.1 目的

1.2 范围

1.3 设计原则

2. 核心概念

2.1 时空对象（SpatioTemporalEntity）

2.2 三段式结构

2.3 参考系层级（Reference System Levels）

3. 数据模型规范

3.1 时空对象整体结构（JSON Schema）

3.2 空间描述（uncertain_space）

字段定义

center 结构（按参考系）

spatial_uncertainty 结构

3.3 时间描述（uncertain_time）

字段定义

3.4 元数据（metadata）

4. 置信度分级标准（CL-Level）

5. 数据交换格式

5.1 JSON（推荐）

5.2 GeoJSON 扩展

5.3 RDF/OWL（用于知识图谱）

6. 实施建议

6.1 存储

6.2 转换工具

6.3 验证

附录 A：时间系统说明

附录 B：PostgreSQL 类型定义（示例）

附录 C：示例数据

示例 1：地球事件（杜甫游秦州）

示例 2：宇宙事件（SN1987A 超新星）

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3.2 空间描述（`uncertain_space`）

`center` 结构（按参考系）

`spatial_uncertainty` 结构

3.3 时间描述（`uncertain_time`）

3.4 元数据（`metadata`）

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