基于對(duì)象的GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)方法

李景文,傅瑋佳,葉良松,馬學(xué)峰,田麗亞

(1.桂林理工大學(xué) GIS研究中心,廣西桂林 541004;2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,廣西桂林 541004）

基于對(duì)象的GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)方法

李景文1,2,傅瑋佳2,葉良松1,馬學(xué)峰2,田麗亞2

(1.桂林理工大學(xué) GIS研究中心,廣西桂林 541004;2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,廣西桂林 541004）

GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型是描述空間實(shí)體的時(shí)間特性和空間特性的有機(jī)體,是 GIS存儲(chǔ)、再現(xiàn)、分析動(dòng)態(tài)的現(xiàn)實(shí)世界的基礎(chǔ)。該文采用面向?qū)ο蟮乃枷雽⒌乩韺?shí)體抽象為空間對(duì)象,對(duì)空間對(duì)象的空間幾何信息、屬性信息、時(shí)間信息進(jìn)行封裝,提出了基于對(duì)象的GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建方法。重點(diǎn)探討了基于對(duì)象的地理實(shí)體描述方法、空間對(duì)象的時(shí)態(tài)特征和時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方法,為時(shí)空信息的有機(jī)集成、共享管理、決策分析與應(yīng)用提供了關(guān)于時(shí)空數(shù)據(jù)組織與管理模式的新思路。

GIS;面向?qū)ο?時(shí)空;數(shù)據(jù)模型

傳統(tǒng)的 GIS是以圖層為基礎(chǔ),描述了地理數(shù)據(jù)的一個(gè)瞬態(tài)(snapshot）,記錄和表達(dá)某一時(shí)刻空間實(shí)體狀態(tài)及相互關(guān)系的靜態(tài)分布,屬于靜態(tài) GIS。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí),用新數(shù)據(jù)代替舊數(shù)據(jù),系統(tǒng)成為另一個(gè)瞬態(tài)。因而,靜態(tài) GIS無法有效地描述和表達(dá)空間實(shí)體及其相互關(guān)系的時(shí)空變化,更無法逼真地描述現(xiàn)實(shí)世界現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[1]。時(shí)間、空間和屬性是現(xiàn)實(shí)世界中地理實(shí)體和地理現(xiàn)象本身固有的3個(gè)基本特征[2],是反映地理實(shí)體的狀態(tài)和演變過程的重要組成部分,任何地理實(shí)體都有其產(chǎn)生、發(fā)展和滅亡的時(shí)間過程。因此,在描述地理實(shí)體的空間幾何和屬性特征的同時(shí),也必須描述地理實(shí)體的時(shí)間特征,才能反映動(dòng)態(tài)的客觀現(xiàn)實(shí)世界。本文從面向?qū)ο蠼嵌忍岢隽?GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建過程,研究和探討了基于對(duì)象的時(shí)空數(shù)據(jù)的描述、表達(dá)和組織方法,為時(shí)空信息的有機(jī)集成、共享管理、決策分析與廣泛應(yīng)用提供了有效的時(shí)空數(shù)據(jù)組織方法與管理模式。

1 面向?qū)ο蟮牡乩韺?shí)體描述方法

GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建目的是將空間數(shù)據(jù)的時(shí)間特性和空間特性有機(jī)結(jié)合,使 GIS能更好地模擬動(dòng)態(tài)現(xiàn)實(shí)世界,提供基于時(shí)空的空間信息決策分析服務(wù)。基于對(duì)象的GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型是用面向?qū)ο蟮乃枷胝J(rèn)識(shí)、表達(dá)地理實(shí)體,將地理實(shí)體作為 GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型構(gòu)建的基本對(duì)象,通過建立空間對(duì)象的時(shí)態(tài)邏輯關(guān)系,描述地理實(shí)體的產(chǎn)生、發(fā)展和滅亡的時(shí)間過程。

1.1 地理空間

定義1 直接或間接與地表分布有關(guān)的事物、現(xiàn)象、特征等的總和,連同對(duì)它們的描述稱為地理現(xiàn)實(shí)[3],若用點(diǎn)的集合(點(diǎn)集）表示空間,則地理現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)為二元組:

其中(x,y,z）表示空間上的任意點(diǎn),(a1,a2,…,an）表示在該點(diǎn)上的地理事物、地理特征、地理現(xiàn)象的集合。

定義2 用 Pi=(xi,yi,zi）表示空間上任意點(diǎn), S={P1,…,Pi,…,Pn}作為研究對(duì)象的空間,bi=f (Pi,(a1,…,ai,…,an））表示地理現(xiàn)實(shí) a1,a2,…,ai,…,an在 Pi上綜合函數(shù)效應(yīng),集合 B=(b1,b2,…,bi,…,bn）表示空間S上的地理現(xiàn)實(shí)在S上的綜合函數(shù)效應(yīng)集合,則二元組(S,B）表示一種泛化的地理空間[4]。

由定義可知,地理空間是一個(gè)連續(xù)的、泛化的空間,其地理意義由集合B表示。

1.2 地理實(shí)體

定義3 地理實(shí)體是地理空間中獨(dú)立的、具有完整地理意義的最小邏輯單元。如果S空間是關(guān)于空間變量Ai的離散空間,s為該空間的一個(gè)獨(dú)立單元,則s及在s上的空間變量Ai的值 F(s,Ai）稱為地理實(shí)體[5,6]。地理實(shí)體具有下列特征:1）地理實(shí)體是可以標(biāo)識(shí)的,即可以給任意地理實(shí)體一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)符; 2）地理實(shí)體是可以區(qū)分的,即任意地理實(shí)體都具有一組屬性,由這一組屬性唯一確定該地理實(shí)體的存在;3）地理實(shí)體是可以描述的,對(duì)一個(gè)地理實(shí)體的完整描述包括對(duì)其時(shí)空屬性域及其取值、非時(shí)空屬性域及其取值、地理實(shí)體基本關(guān)系和方法的描述,其中屬性域是描述該地理實(shí)體所有可能屬性項(xiàng)的集合,值域是每一屬性可能取值范圍;4）地理實(shí)體是可以分解和組合的,隨著研究目的和范圍不同,地理實(shí)體可以再分或組合成新的地理實(shí)體。

1.3 面向?qū)ο蟮乩韺?shí)體描述方法

在現(xiàn)實(shí)世界中,地理空間信息是對(duì)地理實(shí)體的具體描述和表達(dá),各地理實(shí)體的地理空間信息都隨著地理實(shí)體消失、合并或產(chǎn)生而變化。把地理實(shí)體抽象為空間對(duì)象,將各空間對(duì)象封裝起來,便于在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下地理實(shí)體的時(shí)間、空間幾何和屬性信息的一體化存儲(chǔ)和分布式管理[1]。

1.3.1 空間對(duì)象定義[7,8]

定義4 把構(gòu)成某一地理實(shí)體的最小單元稱為元對(duì)象(Meta Object,MO）。元對(duì)象是幾何空間中按一定規(guī)則劃分的基本單元,狀態(tài)集為一個(gè)有限離散的集合,是不可再分的具有客觀現(xiàn)實(shí)意義的最小空間單元。元對(duì)象MO是一個(gè)四元組(ID,GA,EA, M F）:其中 ID是元對(duì)象的標(biāo)識(shí)(Identification）;GA為實(shí)體的空間屬性集合(Geo-A ttribute）,GA= {GAi,i=1,2,3,…,n};EA為實(shí)體的非空間屬性集合(Entity A ttribute）,EA={EAi,i=1,2,3,…, n};M F為對(duì)象受理的方法集合(Methods Function）。

定義5 把構(gòu)成元對(duì)象的點(diǎn)、線、面稱為元素(Element）。點(diǎn)元素 P={Pid,X,Y,Z},線元素L=

{Lid,Pid1,Pid2,Pid3,…,Pidn,…},面元素 A={Aid, Lid1,Lid2,Lid3,…,Lidn,…},元對(duì)象的空間構(gòu)成是點(diǎn)、線、面等元素或其組合,即MO.G={{P},{L},{A}}。

定義6 把對(duì)某一客觀事物的綜合信息進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和應(yīng)用的主體稱為空間對(duì)象(Spatial Object,SO）?？臻g對(duì)象分為實(shí)體對(duì)象和語義對(duì)象:實(shí)體對(duì)象是指客觀存在的對(duì)象,例如要對(duì)一棟樓房的信息進(jìn)行管理,樓房就作為實(shí)體對(duì)象;語義對(duì)象是指人們根據(jù)實(shí)際需要而定義的非客觀存在的對(duì)象,如要對(duì)一個(gè)公司進(jìn)行管理,公司就作為語義對(duì)象。對(duì)任意空間對(duì)象,可以描述成:

其中:MOi是組成該對(duì)象的元對(duì)象。元對(duì)象屬于空間對(duì)象,是構(gòu)成地理實(shí)體的最小空間對(duì)象。

1.3.2 空間對(duì)象之間相互關(guān)系 空間對(duì)象的構(gòu)成是一個(gè)樹形結(jié)構(gòu),樹的頂點(diǎn)是要定義的空間對(duì)象,樹的下一級(jí)節(jié)點(diǎn)是參與構(gòu)成該空間對(duì)象的其他空間對(duì)象,樹的葉子節(jié)點(diǎn)則是由點(diǎn)、線、面元素構(gòu)成的元對(duì)象(圖1）。

圖1 空間對(duì)象構(gòu)成Fig.1 The constituting of spatial object

2 基于對(duì)象的GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

時(shí)間是自然界事物具有的客觀屬性,所有地理實(shí)體都具有產(chǎn)生、存在和死亡的時(shí)態(tài)特性。時(shí)間和空間是密切相關(guān)的,地理實(shí)體的時(shí)間特征由其空間特征變化和屬性特征變化共同表現(xiàn),即時(shí)間語義由改變空間狀態(tài)或?qū)傩誀顟B(tài)的地理時(shí)間序列來表現(xiàn)。本文將一個(gè)空間對(duì)象因空間和屬性的變化而體現(xiàn)在時(shí)間變化的特性劃分為產(chǎn)生、存在、死亡這3種狀態(tài),空間對(duì)象的變化一般是從過去某一時(shí)間開始(產(chǎn)生）,按照時(shí)間順序發(fā)展(存在）,最終直至消失(死亡）。

2.1 空間對(duì)象的時(shí)態(tài)

空間對(duì)象的死亡與產(chǎn)生:任何一個(gè)空間對(duì)象在某一瞬間由于空間和屬性的變化而死亡,同時(shí),必然有新的對(duì)象隨之產(chǎn)生?？臻g對(duì)象的死亡主要分為3種類型:1）空間幾何信息不變,屬性信息的突然變化;2）屬性信息不變,空間幾何信息的突然變化;3）空間幾何信息和屬性信息的同時(shí)突然變化。無論哪種變化,空間對(duì)象的死亡與產(chǎn)生是一個(gè)相對(duì)狀態(tài),死亡對(duì)象的空間特性與產(chǎn)生對(duì)象的空間特性必須一致,才能保證地理空間的無縫性。

空間對(duì)象的存在:狀態(tài)是在一定的時(shí)間下,地理實(shí)體客觀存在的形式,是地理實(shí)體相對(duì)穩(wěn)定的一個(gè)過程。一個(gè)空間對(duì)象在其生命周期里有不同的狀態(tài),空間對(duì)象的存在是指其從出生時(shí)態(tài)到死亡時(shí)態(tài)之間的相對(duì)穩(wěn)定的一個(gè)過程。在這個(gè)過程中,空間對(duì)象在空間和屬性特征上都無變化,是一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

地理實(shí)體狀態(tài)的改變是人類認(rèn)識(shí)、改造地理空間的最直觀的反映,因而空間對(duì)象的產(chǎn)生和死亡是一個(gè)瞬間狀態(tài),空間對(duì)象的存在是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),產(chǎn)生和死亡采用時(shí)刻的方式表示,而存在則采用時(shí)間段表示,三者之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 空間對(duì)象產(chǎn)生、存在和死亡的關(guān)系Fig.2 The relationship of spatial object′s creation,existence and death

2.2 空間對(duì)象的時(shí)空模型設(shè)計(jì)

時(shí)空數(shù)據(jù)模型的建立必須符合人的認(rèn)知規(guī)律,應(yīng)能夠表達(dá)發(fā)生了什么 (w hat）、在哪兒發(fā)生(w here）、什么時(shí)間發(fā)生(w hen）等語義?；趯?duì)象的GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型是將空間對(duì)象的變化劃分為對(duì)象的合并(Ⅰ）、對(duì)象的分解(Ⅱ）、對(duì)象的合并與分解(Ⅲ）、對(duì)象的繼承(Ⅳ）4種基本類型,如圖3所示。

圖3a～圖3c既描述了空間對(duì)象變化的類型(Ⅰ）、(Ⅱ）、(Ⅲ）,也表達(dá)了空間對(duì)象屬性信息不變而空間幾何信息的突然變化、空間幾何信息和屬性信息突然變化的兩種死亡類型,圖3d描述了空間對(duì)象變化的類型(Ⅳ）,也表達(dá)了空間對(duì)象空間幾何信息不變而屬性信息突然變化的死亡類型。

圖3 空間對(duì)象變化的4種基本類型Fig.3 Four basic types of spatial object change

地理空間是由一系列地理對(duì)象組成,各地理對(duì)象在不同時(shí)刻狀態(tài)也不同,一系列時(shí)刻構(gòu)成了地理信息的時(shí)空演化過程。在 Ti時(shí)刻一些地理對(duì)象因?yàn)榭臻g幾何信息、屬性信息的變化或者二者同時(shí)變化導(dǎo)致死亡,同時(shí)產(chǎn)生新的空間對(duì)象,如圖4,在 T2時(shí)刻,04、05對(duì)象死亡,產(chǎn)生了10對(duì)象;在 T3時(shí)刻, 02、03對(duì)象死亡,產(chǎn)生了11、12、13對(duì)象;在 T4時(shí)刻,01對(duì)象因?yàn)閷傩缘淖兓劳?產(chǎn)生了14對(duì)象。

圖4 基于對(duì)象的GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型Fig.4 GIS spatio-temporal data model based on object

基于對(duì)象的GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型非常直觀和簡(jiǎn)單地表達(dá)了空間對(duì)象的變化過程,是地理現(xiàn)象隨時(shí)間變化的原始表達(dá),且能夠很好地恢復(fù)歷史上某一時(shí)刻的所有信息。在整個(gè)歷程中,只存儲(chǔ)變化的空間對(duì)象,沒有變化的空間對(duì)象只需存儲(chǔ)一次。因此,每變化一次,只需記錄很小的數(shù)據(jù)量。

2.3 基于對(duì)象的GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)管理

基于對(duì)象的GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)管理是將地理實(shí)體按照模型的要求以空間對(duì)象的方式將空間幾何信息和屬性信息統(tǒng)一存儲(chǔ)到Oracle Spatial、Sybase等對(duì)象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。每個(gè)空間對(duì)象在數(shù)據(jù)表單中占用一條記錄,圖形信息存儲(chǔ)到GEOLOC類型的SDO-GEOM ETRY字段中,數(shù)據(jù)庫表單之間通過對(duì)象ID建立聯(lián)系。在模型構(gòu)建過程中,根據(jù)地理實(shí)體的變化,自動(dòng)生成空間對(duì)象的產(chǎn)生和死亡時(shí)間,并同時(shí)生成空間對(duì)象的變化關(guān)系數(shù)據(jù)表,來存儲(chǔ)空間對(duì)象的變化關(guān)系,如表1、表2所示。

表1 空間對(duì)象數(shù)據(jù)管理Table 1 Spatial object data management

表2 對(duì)象變化關(guān)系數(shù)據(jù)表Table 2 Object-relational table

2.4 基于對(duì)象的GIS時(shí)空模型的查詢過程

在模型中,由于以對(duì)象的方式存儲(chǔ)了各空間對(duì)象的產(chǎn)生和死亡時(shí)間,用戶在Ti時(shí)刻對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢操作時(shí),只要在整個(gè)數(shù)據(jù)庫中剔除在Ti時(shí)刻之前死亡和在Ti時(shí)刻之后產(chǎn)生的空間對(duì)象,剩余的01、02、03、06、07、08、09、10空間對(duì)象即是在Ti時(shí)刻存在的對(duì)象(圖5）。

圖5 Ti時(shí)刻空間對(duì)象存在情況Fig.5 Presence of spatial object at Ti time change

基于對(duì)象的GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型查詢過程是以空間對(duì)象變化關(guān)系數(shù)據(jù)表為基礎(chǔ)進(jìn)行查詢,與對(duì)象本身的圖形、屬性信息無關(guān),從而提高了查詢?nèi)魏螘r(shí)刻空間對(duì)象的效率。

3 結(jié)論

基于對(duì)象的GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型采用面向?qū)ο蟮乃枷雽⒌乩韺?shí)體抽象為空間對(duì)象,對(duì)空間對(duì)象的空間幾何信息、屬性信息、時(shí)間信息進(jìn)行封裝,將時(shí)間維引入對(duì)象中,通過存儲(chǔ)空間對(duì)象的產(chǎn)生、存在和死亡3種狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)空間對(duì)象的時(shí)空信息的管理,易于實(shí)現(xiàn)時(shí)間、空間幾何、屬性信息的一體化存儲(chǔ),有利于時(shí)空數(shù)據(jù)模型的擴(kuò)展與時(shí)態(tài)操作。該模型將最小空間對(duì)象作為組織時(shí)空數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)單元,把面向?qū)ο竺枋龊蛯?duì)象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的管理有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)時(shí)空數(shù)據(jù)從單一的結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)管理向抽象的面向?qū)ο竽Ｐ蛿?shù)據(jù)管理過渡,便于利用時(shí)空分析的工具和技術(shù)來模擬動(dòng)態(tài)過程,探究和挖掘隱含于時(shí)空數(shù)據(jù)中的信息和規(guī)律。

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Design Method of GISSpatio-Temporal Data Model Based on Object

L IJing-wen1,2,FU Wei-jia2,YE Liang-song1,MA Xue-feng2,TIAN Li-ya2
(1.GIS Research Center,Guilin University of Technology,Guilin 541004;
2.College of Civil Engineering and Construction,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China）

GIS spatio-tempo ral data model is the o rganism w hich is used to describe the tempo ral and the spatial characteristics of spatial entities.It is also the foundation for GIS sto rage,rep roduction,analysisof the dynamic real-world.The study p resents the building p rocessof GIS spatio-tempo ral datamodel based on object by adop ting theobject-oriented p rincip le that geo-entities were abstracted as spatial objects w hose geometric info rmation,p roperty info rmation and temporal info rmation were encapsulated.Focusing on the exp lo ration of the descrip tion method of geo-entities based on object,tempo ral characteristicsof spatial objects and storage method of temporal data,the study p rovides a new perspective of spatio-temporal data organization and management for the organic integration of spatial-tempo ral information,sharing management,decision analysis and app lication.

GIS;object-oriented;spatio-tempo ral;datamodel

P208

A

1672-0504(2010）06-0011-04

2010-08-07;

2010-10-11

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(桂科能0992030-1、10100018-2）;廣西高校優(yōu)秀人才資助計(jì)劃(桂教人[2009]62號(hào)）

李景文(1971-）,男,博士,教授,從事GIS理論和應(yīng)用方面的研究。E-mail:lijw2008@glite.edu.cn