基于動(dòng)態(tài)變粒度的改進(jìn)基態(tài)修正模型研究

姚茂華　周文婷

[摘要]分析基態(tài)修正模型的特點(diǎn)和研究進(jìn)展,提出基于動(dòng)態(tài)變粒度的改進(jìn)基態(tài)修正模型,該模型引入動(dòng)態(tài)變粒度基態(tài)距因子來(lái)確定基態(tài)距閥值,是對(duì)基態(tài)修正模型進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn),提高歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索效率;針對(duì)該改進(jìn)基態(tài)修正模型,分析時(shí)空數(shù)據(jù)的檢索方式,實(shí)現(xiàn)多種方案的時(shí)空數(shù)據(jù)檢索。

[關(guān)鍵詞]時(shí)態(tài)GIS 時(shí)空數(shù)據(jù)模型 基態(tài)修正 時(shí)空數(shù)據(jù)檢索

中圖分類號(hào):TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0910043-03

一、引言

由于時(shí)間是反映地理實(shí)體的狀態(tài)和演變過(guò)程的重要組成部分,任何地理實(shí)體都有其產(chǎn)生、發(fā)展和滅亡的時(shí)間過(guò)程,因此,在描述地理實(shí)體的空間和屬性特征的同時(shí),也必須描述它具體的存在時(shí)間,才能反映客觀真實(shí)世界。能夠處理時(shí)間信息的時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)(Temporal Geogaphical Information System,簡(jiǎn)稱TGIS)就成為GIS研究的熱點(diǎn)。

TGIS的關(guān)鍵問(wèn)題是建立合適的時(shí)空數(shù)據(jù)模型,許多學(xué)者提出了多種時(shí)空數(shù)據(jù)模型來(lái)存儲(chǔ)時(shí)態(tài)數(shù)據(jù),主要包括:序列快照模型、基態(tài)修正模型、時(shí)空復(fù)合模型、第一范式時(shí)空數(shù)據(jù)模型、非第一范式時(shí)空數(shù)據(jù)模型、基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型等。其中,基態(tài)修正模型不存儲(chǔ)研究區(qū)域內(nèi)的每個(gè)時(shí)刻的全部信息,只存儲(chǔ)某個(gè)時(shí)刻的全部信息(基態(tài))以及其他時(shí)刻相對(duì)于基態(tài)時(shí)刻的信息變化量,得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注[1]。

二、基態(tài)修正模型特點(diǎn)

基態(tài)修正模型是Peuquek和Duan于1995年提出的[2]。基態(tài)修正模型按事先設(shè)定的時(shí)間間隔采樣,只儲(chǔ)存某個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)狀態(tài)(稱基態(tài))和相對(duì)于基態(tài)的變化量。由于對(duì)于每一次變化,基態(tài)修正模型僅記錄變化的增量,只有很小的數(shù)據(jù)量需記錄,因此數(shù)據(jù)冗余較少,而且也能充分地表達(dá)地物的變化情況。然而,在對(duì)某一歷史時(shí)刻查詢的時(shí)候需要按順序進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加操作,整合出一套完整的空間數(shù)據(jù),當(dāng)時(shí)間比較久遠(yuǎn)、變化次數(shù)較多時(shí),對(duì)歷史數(shù)據(jù)的檢索時(shí)間較長(zhǎng),查詢的效率會(huì)非常低。如何減少數(shù)據(jù)冗余、高效地進(jìn)行查詢和分析,已經(jīng)成為許多學(xué)者研究的問(wèn)題[3-5]。

三、基態(tài)修正模型的改進(jìn)方法

針對(duì)傳統(tǒng)的基態(tài)修正模型對(duì)歷史數(shù)據(jù)的檢索時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題,研究基態(tài)修正模型的學(xué)者對(duì)于傳統(tǒng)的基態(tài)修正模型進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展主要圍繞如何更科學(xué)的設(shè)置基態(tài)和快速索引展開(kāi)。張祖勛等(1996)提出了建立多級(jí)差文件的方法減少歷史數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)檢索差文件的個(gè)數(shù)[6];曹志月(2002)等人認(rèn)為當(dāng)歷史久遠(yuǎn)時(shí)建立多級(jí)差文件方法仍不理想,提出了多基態(tài)修正法,提高檢索的速度[7];劉仁義等(2002)認(rèn)為時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)用戶對(duì)數(shù)據(jù)具有厚今薄古或?qū)δ骋惶囟〞r(shí)期操作頻繁的特點(diǎn),提出了雙基態(tài)/多基態(tài)修正,并在理論探討的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步采用區(qū)段快速索引和變粒度存儲(chǔ)技術(shù)提高了時(shí)態(tài)查詢效率[8];余志文等(2003)提出了面向?qū)ο蠓椒ǖ幕鶓B(tài)修正模型以及基態(tài)距因子與等比系數(shù)方法等;張保鋼(2005)認(rèn)為當(dāng)歷史久遠(yuǎn)時(shí),基態(tài)的占用空間仍是非?？捎^的,提出了多基態(tài)多級(jí)差文件修正方法[9];李勇(2005)以對(duì)象變化臨界指數(shù)確定基態(tài)距的方法[10],改進(jìn)基態(tài)修正時(shí)空數(shù)據(jù)模型?，F(xiàn)在修正模型的理論與技術(shù)兩方面發(fā)展相對(duì)較為成熟,且已在土地、房產(chǎn)等相關(guān)領(lǐng)域的TGIS系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

總結(jié)基態(tài)修正時(shí)空數(shù)據(jù)模型的存儲(chǔ)方式及其改進(jìn)方法,主要有以下幾種比較典型的基態(tài)修正方式[11]。

圖1(a)是Langran[12]的基態(tài)修正方式,只記錄了一個(gè)數(shù)據(jù)基態(tài)和相對(duì)于基態(tài)的變化值,這種方式在發(fā)生變化的對(duì)象數(shù)量很多時(shí),由于關(guān)系表中存儲(chǔ)了太多的歷史數(shù)據(jù),因而對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索時(shí)速度很慢,查詢效率很低。

圖1(b)是張祖勛等[6]改進(jìn)后的基態(tài)修正方式。他們把時(shí)間段T分成兩部分,對(duì)前半段時(shí)間,從起始狀態(tài)不斷閱讀差文件,狀態(tài)不斷沿著時(shí)間軸正向變化,直到查詢到所需時(shí)刻為止;而對(duì)后半段時(shí)間,從現(xiàn)在狀態(tài)不斷閱讀差文件,狀態(tài)不斷沿著時(shí)間軸反向變化,直到查詢到所需時(shí)刻為止。這種方式同樣有其不足之處:將時(shí)間段T分成兩部分只是臨時(shí)性地解決檢索時(shí)歷史數(shù)據(jù)過(guò)多的問(wèn)題,當(dāng)時(shí)間段T進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí)(比如當(dāng)T延長(zhǎng)到2倍時(shí)),此方法實(shí)際上就沒(méi)有任何意義了。

圖1(c)是曹志月等人提出動(dòng)態(tài)多級(jí)索引方法[7],在整個(gè)歷史狀態(tài)中動(dòng)態(tài)地設(shè)立多個(gè)基態(tài),基態(tài)間的差文件數(shù),稱為基態(tài)距(k)。系統(tǒng)中,隨著對(duì)象歷史狀態(tài)的插入、修正,以及對(duì)歷史時(shí)期的檢索頻繁程度而動(dòng)態(tài)地創(chuàng)立基態(tài)。當(dāng)用戶對(duì)某時(shí)間段的檢索較頻繁時(shí),特別是對(duì)于連續(xù)變化的時(shí)空過(guò)程,差文件的恢復(fù)中大量的連續(xù)變化屬性的推導(dǎo)過(guò)程會(huì)占去較大的時(shí)間開(kāi)銷,通過(guò)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建差文件和基態(tài)的方法,緩解了這一問(wèn)題,動(dòng)態(tài)多級(jí)索引方法大大提高了查詢效率。但是,基態(tài)距k是等距的,基態(tài)的分布位置不是最優(yōu)的基態(tài)位置。

圖1(d)和圖1(e)是張寶鋼等在曹志月等人提出的動(dòng)態(tài)多級(jí)索引方法的基礎(chǔ)上增加單級(jí)和多級(jí)時(shí)間索引,提出的多基態(tài)多級(jí)差文件修正方法[9],該方法中,基態(tài)仍以快照方式存儲(chǔ),基態(tài)數(shù)沒(méi)有增加,每?jī)蓚€(gè)基態(tài)之間增加了3個(gè)的差文件,數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間基本沒(méi)有增加,數(shù)據(jù)檢索的速度卻有很大的提高。然而,當(dāng)基態(tài)距較小時(shí)或是歷史較久遠(yuǎn)時(shí),基態(tài)個(gè)數(shù)會(huì)隨之增加,也就意味著較大的數(shù)據(jù)冗余。

圖1(f)是余志文等[11]根據(jù)變粒度基態(tài)距因子理論提出修正方式。其基本思想是:各個(gè)歷史時(shí)期查詢的頻繁程度是不同的,離現(xiàn)在時(shí)刻越遠(yuǎn)的歷史時(shí)期,查詢的頻繁程度越小;離現(xiàn)在時(shí)刻越近的歷史時(shí)期,查詢的頻繁程度越大。因此,引入變粒度基態(tài)距因子,離現(xiàn)在時(shí)刻越遠(yuǎn)的基態(tài)之間的基態(tài)距越大,離現(xiàn)在時(shí)刻越近的基態(tài)之間的基態(tài)距越小。但是,對(duì)于在短時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)變化頻繁的情況下,基態(tài)距與時(shí)間的相關(guān)性會(huì)減弱。

圖1(g)是李勇[10]提出根據(jù)“對(duì)象變化臨界指數(shù)(M)”來(lái)確定基態(tài)距的基態(tài)修正方式。其基本思路為:①造成數(shù)據(jù)檢索時(shí)間長(zhǎng)的根本原因是數(shù)據(jù)量。②事物的變化都是一個(gè)從“量變到質(zhì)變”的過(guò)程,而在這個(gè)過(guò)程中,總會(huì)有一個(gè)臨界點(diǎn),當(dāng)達(dá)到或超過(guò)這個(gè)臨界點(diǎn)時(shí),就會(huì)發(fā)生質(zhì)變。因此,兩個(gè)相鄰基態(tài)之間的基態(tài)距既不是等距的,也不是隨時(shí)間的迫近而遞減的,而是根據(jù)對(duì)象發(fā)生變化是否達(dá)到或超過(guò)對(duì)象變化臨界指數(shù)(M)來(lái)確定的。這里的關(guān)鍵問(wèn)題是M值如何確定,其中,相鄰兩個(gè)基態(tài)的前一個(gè)基態(tài)的數(shù)據(jù)量是決定因子之一,還有就是相鄰兩個(gè)基態(tài)之間對(duì)象發(fā)生變化的次數(shù),發(fā)生變化的次數(shù)越多,數(shù)據(jù)庫(kù)中增加的記錄就越多。但是,影響M取值的因子很多,確定比較困難。

四、動(dòng)態(tài)變粒度的改進(jìn)基態(tài)修正模型

基態(tài)修正模型減少數(shù)據(jù)冗余的秘訣在于在對(duì)象發(fā)生變更時(shí),只存儲(chǔ)該時(shí)刻的變化量(差文件),而不存儲(chǔ)該時(shí)刻所有數(shù)據(jù)以避免重復(fù)存儲(chǔ),但是隨著變化的頻度和力度的加大,會(huì)增加差文件的數(shù)量,因此進(jìn)行歷史回顧時(shí),必須依賴該時(shí)刻與當(dāng)前時(shí)刻間的各個(gè)差文件和當(dāng)前基態(tài)進(jìn)行逐步回退求解,這個(gè)計(jì)算量隨著時(shí)間的推移和變化的加快會(huì)成倍增長(zhǎng)。為了使歷史回溯檢索的時(shí)間縮短,需要建立新的基態(tài),作為此段時(shí)間的檢索起點(diǎn),縮短對(duì)較遠(yuǎn)的歷史數(shù)據(jù)的查詢時(shí)間,其中一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是基態(tài)距閥值的確定。有些改進(jìn)的基態(tài)修正模型隨時(shí)間的發(fā)展不斷增加基態(tài)的占用空間,降低檢索時(shí)間的開(kāi)銷,因此,基態(tài)距閥值的確定需要對(duì)這兩方面進(jìn)行權(quán)衡,閥值太小會(huì)浪費(fèi)空間,閥值太大又會(huì)占用過(guò)多時(shí)間。如果根據(jù)數(shù)據(jù)變化數(shù)量和查詢頻率確定基態(tài)距閥值,適當(dāng)?shù)卦趯?duì)象發(fā)生變化的過(guò)程中記錄若干個(gè)基態(tài),則不會(huì)造成太多的數(shù)據(jù)冗余,并可提高歷史回顧的效率。

動(dòng)態(tài)變粒度的改進(jìn)基態(tài)修正模型就是基于上述思想設(shè)計(jì)的時(shí)空數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型(如圖2所示)。對(duì)象發(fā)生變化,就會(huì)有相應(yīng)于上一次變化的差文件產(chǎn)生,基態(tài)距是兩個(gè)基態(tài)間的差文件數(shù),兩個(gè)相鄰基態(tài)之間的基態(tài)距不是等距的,需要?jiǎng)討B(tài)變化,動(dòng)態(tài)地建立基態(tài),只有與查詢頻率分布和變化數(shù)量分布相符合的基態(tài)分布位置才是最好的基態(tài)位置。各個(gè)歷史時(shí)期查詢的頻繁程度是不同的,離現(xiàn)在時(shí)刻越遠(yuǎn)的歷史時(shí)期,查詢的頻繁程度越小;離現(xiàn)在時(shí)刻越近的歷史時(shí)期,查詢的頻繁程度越大。不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)變化更新數(shù)量直接影響差文件數(shù),變化次數(shù)越多,差文件越多,查詢的等待時(shí)間越長(zhǎng),反之則越短。因此,影響基態(tài)距的因子有:數(shù)據(jù)變化數(shù)量和離現(xiàn)在時(shí)刻的遠(yuǎn)近。

因此,引入動(dòng)態(tài)變粒度基態(tài)距因子,數(shù)據(jù)變化更新數(shù)量和離現(xiàn)在時(shí)刻的遠(yuǎn)近決定基態(tài)距閥值。除了起始基態(tài)外,其余的基態(tài)都要隨著時(shí)間的不斷前移而每隔一段時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)更新。基態(tài)距是根據(jù)對(duì)象發(fā)生變化是否達(dá)到變化閥值Q確定的。

在分析影響基態(tài)距的因子后,引入系數(shù)a(a≠1),設(shè)ti時(shí)刻距現(xiàn)在時(shí)刻的時(shí)間差為△ti,在△ti時(shí)間內(nèi)的差文件數(shù)為qi,基態(tài)距閥值為Qi,則Qi=a×△ti。當(dāng)在△ti時(shí)間內(nèi),變化差文件數(shù)qi大于或等于基態(tài)距閥值Qi時(shí)(即qi≥Qi),需要產(chǎn)生基態(tài),如圖2所示。時(shí)間差△ti越小,基態(tài)距閥值Qi越小;時(shí)間差△ti越大,變化基態(tài)距閥值Qi越大。設(shè)起始狀態(tài)距現(xiàn)在時(shí)刻的時(shí)間差為△t0,變化差文件數(shù)為q0,即為總差文件數(shù),也是基態(tài)距閥值Q0(Q0=q0),由Q0=a×△t0,則可確定系數(shù)a。

當(dāng)△ti較小時(shí),即離現(xiàn)在時(shí)刻很近時(shí),若變化差文件數(shù)qi小于基態(tài)距閥值Qi,則在該時(shí)刻不設(shè)立基態(tài);當(dāng)△ti較大時(shí),即離現(xiàn)在時(shí)刻很遠(yuǎn)時(shí),若變化差文件數(shù)qi小于基態(tài)距閥值Qi,則在該時(shí)刻也不設(shè)立基態(tài)。

隨著時(shí)間的推移,基態(tài)距閥值逐漸變大,通過(guò)上述公式,可以求出新基態(tài)所在的差文件位置,舊基態(tài)加上新舊基態(tài)時(shí)間段內(nèi)的差文件,即可更新為新基態(tài)。

動(dòng)態(tài)變粒度的改進(jìn)基態(tài)修正模型在整個(gè)時(shí)間過(guò)程中,隨著時(shí)間的推進(jìn)和對(duì)象的變化,考慮了數(shù)據(jù)的變化數(shù)量和數(shù)據(jù)的查詢頻率對(duì)數(shù)據(jù)查詢效率的影響,根據(jù)對(duì)象變化是否達(dá)到變化閥值Qi,動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建基態(tài),使得對(duì)對(duì)象信息進(jìn)行恢復(fù)時(shí),可以緩解大量的差文件疊加而占用的時(shí)間開(kāi)銷,提高查詢效率。

五、時(shí)空檢索

時(shí)空數(shù)據(jù)的檢索包含兩個(gè)方面的條件:時(shí)間條件和空間條件。本文主要關(guān)注時(shí)態(tài)問(wèn)題(時(shí)間條件)。

基于基態(tài)修正的時(shí)空數(shù)據(jù)檢索主要有兩種方式:一種是基于時(shí)間點(diǎn)的檢索,另一種是基于時(shí)間段的檢索(即查詢兩個(gè)事件時(shí)間之間的數(shù)據(jù))[13]。時(shí)間點(diǎn)檢索方式的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單,當(dāng)用戶輸入檢索的時(shí)間(tj)時(shí),首先判斷與所要查找時(shí)間點(diǎn)之間差文件數(shù)最少的基態(tài)(基態(tài)n),然后在該基態(tài)的基礎(chǔ)上疊加差文件,就可以得到用戶所要的結(jié)果,如圖3所示。

時(shí)間段的檢索方式要復(fù)雜一些,根據(jù)兩個(gè)事件時(shí)間所處的區(qū)域不同,分為如下的4種情況,如圖4所示。

圖4(a)中tj=tk,這種情況實(shí)際上就是基于時(shí)間點(diǎn)的檢索。

圖4(b)中tj與tk處于相鄰的兩個(gè)基態(tài)之間,兩個(gè)事件時(shí)間之間沒(méi)有基態(tài)的存在。這時(shí)首先計(jì)算tj時(shí)刻和tk時(shí)刻與基態(tài)n-1和基態(tài)n之間差文件數(shù)最少的基態(tài),若tj->tn-1的差文件數(shù)小于tk->tn的差文件數(shù),則加載基態(tài)n-1,然后在此基礎(chǔ)上加上tn-1->tj的差文件,就得到tj時(shí)刻的快照,tj->tk時(shí)間段產(chǎn)生的對(duì)象就可以從tj時(shí)刻的快照到tk時(shí)刻的差文件獲得;若tj->tn-1的差文件數(shù)大于tk->tn的差文件數(shù),則加載基態(tài)n,然后在此基礎(chǔ)上加上tn->tk的差文件,就得到tk時(shí)刻的快照,tj->tk時(shí)間段產(chǎn)生的對(duì)象就可以從tk時(shí)刻的快照到tj時(shí)刻的差文件獲得。

圖4(c)中tj與tk之間有一個(gè)基態(tài)n的存在。這時(shí)可以首先計(jì)算出tj->tn的差文件,然后再加上tn->tk的差文件,兩個(gè)差文件的和就是tj與tk之間產(chǎn)生的對(duì)象。

圖4(d)中tj與tk之間有多于1個(gè)基態(tài)的存在。首先計(jì)算出tj->tn-1的差文件,然后再計(jì)算出tn->tk的差文件。tn-1->tn的差文件只需要計(jì)算出基態(tài)n-1與基態(tài)n之間的變化情況,于是就可以得到tj->tk的差文件。

根據(jù)上面的分析,可以得到兩個(gè)事件時(shí)間tj與tk之間的時(shí)空對(duì)象的查詢方法,其流程如圖5所示。

六、結(jié)論

運(yùn)用動(dòng)態(tài)變粒度基態(tài)距因子確定基態(tài)距閥值的方法,考慮了基態(tài)距與數(shù)據(jù)變化數(shù)量和時(shí)間查詢頻繁程度相關(guān)的問(wèn)題,系數(shù)a的引入實(shí)現(xiàn)了基態(tài)動(dòng)態(tài)更新,更好地優(yōu)化了歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索效率問(wèn)題,并具備較強(qiáng)的實(shí)用性和靈活性。同時(shí),針對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)查詢分析,實(shí)現(xiàn)了基于時(shí)間點(diǎn)和時(shí)間段的不同方式的數(shù)據(jù)檢索,提高了歷史數(shù)據(jù)的檢索效率。

基于動(dòng)態(tài)變粒度的改進(jìn)基態(tài)修正模型解決了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索問(wèn)題,但對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)的空間關(guān)系問(wèn)題并沒(méi)有解決。因此,需要對(duì)基態(tài)修正模型進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展研究,解決對(duì)時(shí)空對(duì)象空間關(guān)系處理和時(shí)空數(shù)據(jù)的組織問(wèn)題。

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