ＧＩＳ－Ｔ中基于動態(tài)分段技術(shù)的面向?qū)ο髸r空數(shù)據(jù)模型研究

黃少鑾　熊盛武

摘 要：交通網(wǎng)絡(luò)的表達在GIS-T中處于非常重要的地位，不僅交通設(shè)施管理、道路交通信息管理需要良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而且在交通運輸規(guī)劃、路網(wǎng)規(guī)劃等方面還需要拓展傳統(tǒng)GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)是GIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)模型則用來表達數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系與邏輯組織形式。由于交通信息種類繁多，具有自身的特點，需要合理的形式進行組織，因此研究GIS-T數(shù)據(jù)模型具有重要的意義。以動態(tài)分段技術(shù)為基礎(chǔ)，提出面向?qū)ο蟮臅r空數(shù)據(jù)模型。

關(guān)鍵詞：GIS-T;動態(tài)分段;面向?qū)ο?數(shù)據(jù)模型

中圖分類號：TN95文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2009)03-183-03

Object-oriented Spatio-temporal Data Model Based on Dynamic Segmentation in GIS-T

HUANG Shaoluan,XIONG Shengwu

(Department of Computer Science and Technology,Wuhan University of Technology,Wuhan,430070,China)

Abstract：The expression of transport network is very important in GIS-T.Not only the traffic facilities management and road traffic information management need a good data structure,moreover developing traditional GIS data construction is needed in transport planning and network planning.Data is a base of GIS,and data model is used to express the relation between the data and the forms of logic organizations.Because of a great variety of transportation information of their own characteristics,the data need to be organized by a logical form.It has a great significance of studying the data model of GIS-T.This article discusses a object-oriented spatio-temporal data model based on dynamic segmentation.

Keywords：GIS-T;dynamic segmentation;object-oriented;data model

動態(tài)分段技術(shù)只是從數(shù)據(jù)存儲的方面解決時空數(shù)據(jù)的問題，但是對時空數(shù)據(jù)的時空關(guān)系沒有解決。面向?qū)ο蠹夹g(shù)的發(fā)展以及在GIS領(lǐng)域的應(yīng)用，為人們提供了一種更為科學(xué)的數(shù)據(jù)組織方式。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型更符合客觀世界的本質(zhì)特征，在GIS-T的數(shù)據(jù)模型研究中，面向?qū)ο蠹夹g(shù)的應(yīng)用可以很好地解決時空數(shù)據(jù)的空間關(guān)系問題。

1 動態(tài)分段技術(shù)

動態(tài)分段是在傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上利用線性參照系統(tǒng)和相應(yīng)算法［1］，在需要分析、顯示、查詢及輸出時，在不改變要素位置(坐標(biāo))的前提下，建立線性要素上任意路段與多重屬性信息之間關(guān)聯(lián)的技術(shù)。動態(tài)分段實質(zhì)上是建立在弧段-節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的一種抽象方法，通過一定映射關(guān)系，將動態(tài)段對應(yīng)回原有的GIS數(shù)據(jù)庫中的一種技術(shù)［2］。動態(tài)分段大大提高了GIS對線性數(shù)據(jù)的處理能力，解決了傳統(tǒng)GIS中只能處理一個固定屬性數(shù)據(jù)集的問題。

1.1 動態(tài)分段的優(yōu)勢

(1) 任何一個要素的變化不會影響其他要素;

(2) 容易添加和刪除要素;

(3) 應(yīng)用時只需處理具有特殊意義的要素，減少處理和存儲的數(shù)據(jù)量;

(4) 一些實體可以被表述成結(jié)點和弧段。

1.2 動態(tài)分段技術(shù)的線性參照系

與傳統(tǒng)的平面坐標(biāo)系統(tǒng)相比較,在GIS-T的應(yīng)用中,線性參照系具有以下優(yōu)點:

采用線性參照系使得GIS-T能夠采用一個統(tǒng)一界面融合各類不同的交通信息數(shù)據(jù),簡化系統(tǒng)的查詢方式［3］。目前一般認(rèn)為線性參考系統(tǒng)是交通信息系統(tǒng)中最合適的位置參考系統(tǒng)。

線性地物的各個分段是由動態(tài)分段方法實時計算得到的，用戶只需要維護屬性事件表中的度量值,如道路的起點樁號、終點樁號,而不需要在矢量化時進行手工打斷，大大減少了地圖數(shù)字化的工作量。線性參考系統(tǒng)相對獨立地管理圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，一個線性空間地物可以對應(yīng)多重屬性，線性地物不同類型的屬性以及空間分布特征可以獨立地維護而不會相互影響［4］。

1.3 動態(tài)分段技術(shù)的算法實現(xiàn)

為了說明問題，以一實例來闡述動態(tài)分段技術(shù)的算法。

問題：從標(biāo)識點B至C的路面寬度為30 m，B與C的里程值為MPB，MPC。

求解：(XB,YB)，(XC,YC)。

條件：已知控制點A的坐標(biāo)和里程分別為(XA,YA)，MPA，控制點D的坐標(biāo)和里程分別為(XD,YD)，MPD，公路上的幾何特征點(曲線主點)坐標(biāo),如圖1所示。

實現(xiàn)過程：

第一步，查詢路面寬度為30 m、由鏈組成的公路路段及里程，包括滿足條件的路程的起始里程、鏈標(biāo)識、終點里程等。

第二步，按里程計算起始點至終點的偏移值，對于圖1，即AB/AD，AC/AD。

第三步，根據(jù)公路的幾何圖形和幾何特征點的坐標(biāo)，沿包含起始點和終點的鏈段累計計算里程，并將計算的里程與鏈路里程比較，直到計算的比例偏移值大于第二步計算的比例偏移值?；蛘邽樘岣邇?nèi)插精度，采用距待求點最近的兩特征點的坐標(biāo)內(nèi)插出該點的坐標(biāo)值，即根據(jù)公路的幾何圖形和特征點的坐標(biāo)，沿包含起始點和終點的鏈段累計計算里程，并將計算里程和鏈路里程比較，直到計算的里程的偏移值大于第二步中的偏移值，記錄該點的坐標(biāo)。

第四步，確定比例偏移值小于第二步計算的比例偏移值且查詢點最近的公路幾何特征點的里程，或確定比例偏移值小于第二步計算的比例偏移值且查詢點最近的公路幾何特征點并刻錄該點的坐標(biāo)。

第五步，按線性內(nèi)插方法計算B，C兩點的坐標(biāo)。

動態(tài)分段是一種新的線性特征的動態(tài)分析、顯示和繪圖技術(shù)，極大地提高了GIS-T中線性要素的處理能力，然而，傳統(tǒng)動態(tài)分段技術(shù)在處理具有時態(tài)性線性數(shù)據(jù)時卻存在明顯的不足。為了體現(xiàn)數(shù)據(jù)的時空屬性，在動態(tài)分段的基礎(chǔ)上，我們采用面向?qū)ο蟮姆绞絹斫r空數(shù)據(jù)模型。

2 面向?qū)ο蟮臅r空數(shù)據(jù)模型

2.1 面向?qū)ο蟮膬?yōu)越性

隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)的出現(xiàn)，面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型以豐富的語義、描述復(fù)雜對象的功能和數(shù)據(jù)抽象技術(shù)等優(yōu)點受到專家的關(guān)注。國內(nèi)外的眾多專家學(xué)者如WorBoys［5］、龔健雅等都曾經(jīng)或者正利用面向?qū)ο蟮乃枷脒M行時空數(shù)據(jù)模型的研究。面向?qū)ο蟮臅r空數(shù)據(jù)模型的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 以面向?qū)ο蠓治龇椒ê统绦蛟O(shè)計方法為基礎(chǔ)的面向?qū)ο蟮哪Ｐ头椒?，提供了豐富的數(shù)據(jù)建模機制對象(封裝、對象標(biāo)識)、類型與類、概括(繼承)、多態(tài)、聚集、傳播等，能夠很好地模擬和描述地理空間中復(fù)雜的時空對象。面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型它在復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)和操作重利用方面具有比關(guān)系、擴展關(guān)系、層次數(shù)據(jù)和網(wǎng)狀模型更大的優(yōu)點，而時空數(shù)據(jù)的最大特點莫過于大數(shù)據(jù)量和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)?？臻g數(shù)據(jù)和無限變化的歷史累積數(shù)據(jù)屬海量數(shù)據(jù)，且空間數(shù)據(jù)的明顯層次結(jié)構(gòu)、有序、不定長、復(fù)雜關(guān)系、時態(tài)數(shù)據(jù)的時間序列等特點要求數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供復(fù)雜結(jié)構(gòu)或語義建模機制。

(2) 面向?qū)ο蟮臅r空數(shù)據(jù)模型可以建立自然的、充分表示現(xiàn)實世界地理空間的概念模型。通過多種語義抽象機制，可以采用與人們在科學(xué)認(rèn)識模型中一致的方式表示地理空間，并以此來建立地理空間的數(shù)據(jù)模型。這種數(shù)據(jù)模型即可以表達人們對地理現(xiàn)象和地理性質(zhì)認(rèn)識的概念體系，按照人們自然思維方式中的分解和抽象機制來表示地理空間的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的各種復(fù)雜對象，又可以支持較完備的空間關(guān)系集的表示。

(3) 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型提供了概念模型到邏輯數(shù)據(jù)模型以至物理數(shù)據(jù)模型一致的表示方法，模型抽象的各個階段可以自然過渡，不需要人為地模型轉(zhuǎn)換，特別是概念模型和邏輯數(shù)據(jù)模型之間的界限變得模糊起來。也就是說人們在設(shè)計和使用地理信息系統(tǒng)時直接使用提供的數(shù)據(jù)定義語言。

由于面向?qū)ο髸r空數(shù)據(jù)模型具有以上的許多優(yōu)越性，因此使用而向?qū)ο蠹夹g(shù)進行時空數(shù)據(jù)建模，發(fā)展時空對象數(shù)據(jù)模型將是時空數(shù)據(jù)建模的重要手段［7］。

2.2 面向?qū)ο蟮臅r空數(shù)據(jù)模型的概念模型

GIS-T數(shù)據(jù)中的時空信息可以用描述事件的五元組＜對象、時間、空間、事件、屬性>來描述時空模型，該概念模型中信息聯(lián)系如圖2所示。

模型各元組關(guān)系描述如圖3所示。

這種五元組的描述方式，顯式地描述了變化的五個方面，即變化主體、變化時間、變化地點、變化因由和變化的結(jié)果(量變)，同時也隱含地表達了地理信息的變化狀態(tài)質(zhì)變的情況下，通過記錄變化的對象間接記錄狀態(tài)量變的情況，通過記錄屬性(專題)信息的變化間接記錄狀態(tài)。

該模型中時間從概念上可分為時間點(基于點的時間)和時間段(一個時間間隔)。當(dāng)描述固定時間發(fā)生的事件時，時間是一個固定點的值，所描述的事件是一個時間點的事件。當(dāng)記錄事件的發(fā)生、發(fā)展、消亡的過程時，采用的是記錄離散的時間點、地點、人物及重要的事件，從而達到記錄事件發(fā)生、發(fā)展、消亡過程的目的。據(jù)波粒二象性理論，在宏觀世界，時間是連續(xù)的，在微觀世界，時間也是由時間粒子組成，也就是說連續(xù)的時間是由時間點組成的。相應(yīng)地，對于地理實體可以用對象標(biāo)識、時間點、空間定位、對象屬性、事件及其關(guān)系進行描述，而且整個描述可由對象標(biāo)識進行關(guān)聯(lián)，這樣在量變時，可通過記錄一個對象在某時刻發(fā)生的事件、空間位置及屬性信息變化進行記錄，質(zhì)變時則可以通過對象的改變和導(dǎo)致對象

改變的事件來記錄。

3 結(jié) 語

時空數(shù)據(jù)建模是研究領(lǐng)域的一個重要方向［8］。近年來，對時空數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計、歷史分析、歷史再現(xiàn)、動態(tài)分析及趨勢預(yù)測等方面提出了更為迫切的要求，本文以動態(tài)分段技術(shù)為基礎(chǔ)，提出面向?qū)ο蟮臅r空數(shù)據(jù)模型［9］。動態(tài)分段是一種新的線性特征的動態(tài)分析、顯示和繪圖技術(shù)，極大地提高了GIS-T中線性要素的處理能力，然而，傳統(tǒng)動態(tài)分段技術(shù)在處理具有時態(tài)性線性數(shù)據(jù)時卻存在明顯的不足。為了體現(xiàn)數(shù)據(jù)的時空屬性，在動態(tài)分段的基礎(chǔ)上，采用面向?qū)ο蟮姆绞絹斫r空數(shù)據(jù)模型。

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作者簡介黃少鑾 女，1983年出生，廣東汕頭人，碩士研究生。主要研究方向為軟件工程、信息系統(tǒng)。

熊盛武 男,1967年出生，湖北咸寧人，教授，博導(dǎo)。主要研究方向為數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)，智能計算，機器學(xué)習(xí)與模式識別，GIS，復(fù)雜系統(tǒng)建模理論與方法。