土地信息時(shí)空數(shù)據(jù)模型構(gòu)建方法研究

周文婷　姚茂華

［摘要］土地信息具有典型的時(shí)空特性，為滿足土地信息動(dòng)態(tài)管理的需求，急需研究基于TGIS的土地信息時(shí)空數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建方法。文章在分析土地信息的時(shí)空特性的基礎(chǔ)上，提出土地信息時(shí)空數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建方法，并介紹土地對(duì)象時(shí)空操作步驟。該模型能較好地解決土地信息管理的數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題，對(duì)建立實(shí)用的土地動(dòng)態(tài)綜合管理信息系統(tǒng)具有十分重要的意義。

［關(guān)鍵詞］土地信息管理；時(shí)空數(shù)據(jù)模型；概念模型；邏輯模型；時(shí)空操作

［作者簡(jiǎn)介］周文婷，桂林理工大學(xué)南寧分校講師，碩士，研究方向：TGIS理論和應(yīng)用，廣西南寧，530000；姚茂華，廣西基礎(chǔ)地理信息中心，廣西南寧，530000

［中圖分類號(hào)］ P208 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1007-7723（2012）08-0032-0004

土地是人類立足的場(chǎng)所、生存的條件和使人類勞動(dòng)過程能夠得以全部實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，是有限的、不可再生的，它既是寶貴的資源又是一筆巨大的資產(chǎn)，科學(xué)地管理土地，更集約地經(jīng)營利用土地已經(jīng)成為全球關(guān)注的問題。隨著我國土地使用權(quán)制度的改革，土地資產(chǎn)成為我國最大的國有資產(chǎn)，目前城市土地交易日益頻繁，如何既能保持與日俱增的土地信息的現(xiàn)勢(shì)性，又能進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的管理，對(duì)土地信息管理是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。而要有效存儲(chǔ)和管理土地信息，利用傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)只能記錄當(dāng)前瞬時(shí)狀態(tài)的數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)土地管理中的土地信息動(dòng)態(tài)查詢、時(shí)空分析和決策等時(shí)空信息管理。因此，需要在土地管理中引入時(shí)間信息，研究基于TGIS（temporal geographic information systems）的土地信息時(shí)空數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建方法?；诨鶓B(tài)修正的面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型為解決時(shí)空數(shù)據(jù)組織和存儲(chǔ)提供了一種較有效的解決方案。本文在此基礎(chǔ)上提出一個(gè)土地信息時(shí)空數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建方法。

一、土地信息管理中的時(shí)空特性

任何事物的發(fā)生或演變都有其時(shí)間特征。在土地信息管理中，時(shí)間和空間是不可分割地聯(lián)系在一起的，時(shí)間是不可缺少的一維，它不僅作為數(shù)據(jù)的一個(gè)組成部分，而且與空間數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)地存在著。

土地信息具有顯著的時(shí)態(tài)特征，表現(xiàn)在土地信息變更的頻繁程度、復(fù)雜程度和土地信息管理對(duì)土地信息變更的要求以及變更處理與否所造成的影響上。具體包括以下幾方面[1]：（1）土地變更的內(nèi)容包括地類名稱、土地權(quán)屬單位、土地權(quán)屬性質(zhì)和面積等。土地變更的時(shí)空變化有三種：一是屬性變化，空間不變；二是空間變化，屬性不變；三是空間和屬性同時(shí)變化。（2）土地管理要求對(duì)土地信息的變更幾乎都要進(jìn)行記載。通過對(duì)土地歷史信息的分析可以獲得過去某一時(shí)刻的土地權(quán)屬和利用狀況，可以評(píng)價(jià)過去土地政策的正確性，可以獲得將來土地利用的趨勢(shì)，可以輔助決策者根據(jù)過去的土地信息進(jìn)行決策，可以檢查現(xiàn)有數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性。（3）上報(bào)后的土地信息具有法律意義，土地信息的變更是不是隨意的，要經(jīng)過層層審批把關(guān)和協(xié)調(diào)，稍不留意，就可能引起糾紛。同時(shí)，它也是解決土地產(chǎn)權(quán)糾紛的依據(jù)。

二、土地時(shí)空數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

目前，國內(nèi)外學(xué)者提出的時(shí)空數(shù)據(jù)模型有十余種，其中實(shí)際應(yīng)用較為成功的模型以基態(tài)修正模型為代表[2]，并在應(yīng)用中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展和完善[3][4] 。然而，改進(jìn)的基態(tài)修正模型只是從數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方面解決時(shí)空數(shù)據(jù)的問題，沒有解決時(shí)空數(shù)據(jù)的空間關(guān)系問題。面向?qū)ο蠹夹g(shù)的發(fā)展以及在GIS領(lǐng)域的應(yīng)用，為我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，可以很好地解決時(shí)空數(shù)據(jù)的空間關(guān)系問題。因此，改進(jìn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)的基態(tài)修正模型，構(gòu)建基于基態(tài)修正的面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型是解決土地信息數(shù)據(jù)管理問題的一種可行的解決方案，為土地時(shí)空概念模型、邏輯模型和物理模型的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和新的方法。

該模型為土地對(duì)象賦予時(shí)態(tài)屬性，為土地對(duì)象建立一個(gè)有效的時(shí)間類，來描述土地對(duì)象在現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)際變化歷史。每個(gè)地理對(duì)象用“對(duì)象標(biāo)識(shí)+對(duì)象空間信息+對(duì)象屬性信息+對(duì)象時(shí)間信息+對(duì)象操作”表示。基于基態(tài)修正的面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型理論在時(shí)空數(shù)據(jù)建模中具有指導(dǎo)性的作用，其組成見圖1。

（一）土地時(shí)空信息

1.土地對(duì)象

在土地信息管理中，利用面向?qū)ο蟮乃枷?，即面向土地?shí)體對(duì)象，對(duì)土地時(shí)空信息進(jìn)行組織和表達(dá)，直接支持對(duì)象的嵌套和變長記錄，且封裝對(duì)象的所有信息，能更充分、客觀地描述土地實(shí)體，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ恋匦畔⒆鳛橥恋貙?duì)象，將空間信息、屬性信息、時(shí)間信息封裝起來，構(gòu)成一個(gè)不可分割的獨(dú)立單元，與其他土地對(duì)象發(fā)生聯(lián)系。

時(shí)間信息指記錄土地對(duì)象的存在時(shí)間，即記錄土地對(duì)象的創(chuàng)建時(shí)間（Createtime）和消亡時(shí)間（Endtime）。土地對(duì)象的消亡并不是刪除土地對(duì)象，只是改變土地對(duì)象的時(shí)間信息，土地對(duì)象仍存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。在時(shí)間信息中，消亡時(shí)間（Endtime）有可能是空，這表示該時(shí)刻土地對(duì)象還存在；如果Endtime是非空，則表示該時(shí)刻土地對(duì)象已死亡。因此，仍存在的土地對(duì)象的時(shí)間信息表示為[Createtime，Now]，消亡對(duì)象表示為[Createtime，Endtime]。

2.土地對(duì)象變更

土地對(duì)象具有空間、時(shí)間和屬性特征。其空間特征通過空間類定義，時(shí)態(tài)特征通過有效時(shí)間標(biāo)記，屬性通過面積、權(quán)屬單位、權(quán)屬性質(zhì)等描述。每個(gè)對(duì)象具有唯一的ID，時(shí)空對(duì)象的操作有創(chuàng)建、消亡等。

按照變化的內(nèi)容，土地對(duì)象隨時(shí)間的變化主要分為3種：空間變化、屬性變化、屬性和空間信息同時(shí)變化。土地對(duì)象發(fā)生任何變化都將產(chǎn)生新的土地對(duì)象。新的土地對(duì)象與舊的土地對(duì)象的關(guān)系是子對(duì)象與父對(duì)象的關(guān)系。

3.差文件

考慮到土地信息的海量性以及土地信息變化較為緩慢的特點(diǎn)，采用動(dòng)態(tài)變粒度的改進(jìn)基態(tài)修正模型[5]，只存儲(chǔ)土地對(duì)象的基態(tài)數(shù)據(jù)和土地對(duì)象的數(shù)據(jù)變化量（即差文件），這樣能大大減少數(shù)據(jù)冗余，且能充分表達(dá)土地對(duì)象的變化情況。因此，需要研究差文件數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)。

差文件包括土地空間變化信息、土地屬性變化信息、創(chuàng)建時(shí)間、土地對(duì)象操作和與其他差文件的關(guān)聯(lián)信息。

土地空間信息發(fā)生變化時(shí)，需要記錄土地對(duì)象的空間幾何信息。

土地屬性變化信息只記錄變化的屬性字段。

創(chuàng)建時(shí)間指變化發(fā)生的時(shí)刻，即原土地對(duì)象的消亡時(shí)間，新土地對(duì)象的創(chuàng)建時(shí)間。

土地對(duì)象操作是對(duì)土地對(duì)象的創(chuàng)建、消亡操作。土地對(duì)象操作按土地對(duì)象變化的原因，分為地類圖斑分割、合并、地類界線調(diào)整、復(fù)雜變更，線狀地物調(diào)整、增加線狀地物、減少線狀地物，增加零星地物、減少零星地物，屬性變更等。

關(guān)聯(lián)信息指創(chuàng)建的新土地對(duì)象與其他土地對(duì)象的關(guān)系信息。土地對(duì)象發(fā)生變化后，原土地對(duì)象消亡是由于新土地對(duì)象創(chuàng)建而發(fā)生的，原土地對(duì)象與新土地對(duì)象有親緣繼承關(guān)系，在差文件中，記錄上一個(gè)差文件的ID，即父對(duì)象ID。

（二）土地信息時(shí)空數(shù)據(jù)模型

基于基態(tài)修正的面向?qū)ο笸恋匦畔r(shí)空數(shù)據(jù)模型需要建立基態(tài)庫和差文件庫。其構(gòu)成如圖3所示。

基態(tài)庫是存儲(chǔ)土地對(duì)象的基態(tài)信息，即某一時(shí)刻所有土地對(duì)象的信息。根據(jù)動(dòng)態(tài)變粒度的改進(jìn)基態(tài)修正模型，基態(tài)距是由離現(xiàn)在時(shí)刻的遠(yuǎn)近和數(shù)據(jù)變化量確定的[5]。根據(jù)面向?qū)ο蟮挠^點(diǎn)，基態(tài)庫存儲(chǔ)基態(tài)對(duì)象信息和土地對(duì)象信息?；鶓B(tài)對(duì)象信息包括基態(tài)對(duì)象的時(shí)間信息和所包含的土地對(duì)象等；土地對(duì)象信息包括空間信息、屬性信息、時(shí)間信息、關(guān)聯(lián)信息、操作信息等。

差文件庫是存儲(chǔ)每次土地對(duì)象發(fā)生變化產(chǎn)生的差文件信息。差文件庫是一個(gè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)土地對(duì)象時(shí)間序列差文件數(shù)據(jù)。對(duì)于任意給定時(shí)刻或時(shí)段，都可以在差文件庫中查詢相對(duì)于基態(tài)的變化量，對(duì)基態(tài)進(jìn)行時(shí)空運(yùn)算，得出給定時(shí)刻或時(shí)段的土地對(duì)象信息。

基態(tài)庫與差文件庫采用父差文件ID相聯(lián)。

當(dāng)要獲取某時(shí)刻的土地對(duì)象信息，則在基態(tài)數(shù)據(jù)上按順序進(jìn)行差文件的疊加操作，整合出一套完整的土地對(duì)象信息。

1.土地對(duì)象結(jié)構(gòu)

父差文件ID是將土地對(duì)象與父差文件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可以追溯土地對(duì)象的親緣繼承關(guān)系，并獲得土地信息變化量。

操作是對(duì)土地對(duì)象的創(chuàng)建和消亡操作，地類圖斑對(duì)象的操作主要包括地類圖斑分割、合并、地類界線調(diào)整、復(fù)雜變更、屬性變更等，線狀地物對(duì)象的操作包括線狀地物調(diào)整、增加線狀地物、減少線狀地物、屬性變更等，零星地物對(duì)象的操作包括增加零星地物、減少零星地物、屬性變更等。

2.差文件結(jié)構(gòu)

差文件包括土地空間變化信息、土地屬性變化信息、時(shí)間信息、土地對(duì)象操作和與其他差文件的關(guān)系信息。差文件的結(jié)構(gòu)表示如下：

差文件（CID，Geometry，要素代碼，屬性字段代碼，屬性字段值，CreatTime， EndTime，父差文件ID，操作）。

CID表示差文件的唯一標(biāo)識(shí)符；Geometry表示土地對(duì)象變化的空間幾何信息；要素代碼表示土地對(duì)象的類型；屬性字段代碼和屬性字段值表示屬性字段的變化值，差文件中只記錄變化的屬性字段；CreatTime表示差文件的創(chuàng)建時(shí)間，即土地對(duì)象變化發(fā)生的時(shí)間，同時(shí)，也是新產(chǎn)生土地對(duì)象的創(chuàng)建時(shí)間，原土地對(duì)象的消亡時(shí)間；EndTime表示差文件消亡的時(shí)間，將創(chuàng)建新的土地對(duì)象；父差文件ID是表示消亡土地對(duì)象的差文件，是新創(chuàng)建土地對(duì)象差文件的父對(duì)象，兩個(gè)土地對(duì)象和兩個(gè)差文件都有親緣繼承關(guān)系；操作是土地對(duì)象變化的原因，與土地對(duì)象中的內(nèi)容相同，分為地類圖斑操作、線狀地物操作和零星地物操作等。

3.基態(tài)結(jié)構(gòu)

在土地信息時(shí)空數(shù)據(jù)模型中，當(dāng)差文件數(shù)達(dá)到基態(tài)距時(shí)，則設(shè)立基態(tài)，在整個(gè)時(shí)間過程中，有N個(gè)基態(tài)，每個(gè)基態(tài)需要記錄基態(tài)設(shè)立時(shí)刻和該時(shí)刻的土地對(duì)象信息?；鶓B(tài)的結(jié)構(gòu)表示如下：

基態(tài)（JID，ID，RecordTime）

JID表示基態(tài)的唯一標(biāo)識(shí)符；ID表示土地對(duì)象的唯一標(biāo)識(shí)符，一個(gè)基態(tài)中有多個(gè)土地對(duì)象標(biāo)識(shí)符；RecordTime表示基態(tài)設(shè)立時(shí)刻。

4.基態(tài)距的確定

（三）土地對(duì)象時(shí)空操作

土地對(duì)象時(shí)空操作主要指土地對(duì)象的創(chuàng)建和消亡等操作。土地對(duì)象的變更包括地類圖斑分割、合并、地類界線調(diào)整、復(fù)雜變更，線狀地物調(diào)整、增加線狀地物、減少線狀地物，增加零星地物、減少零星地物，屬性變更等。土地對(duì)象的創(chuàng)建和土地對(duì)象的消亡操作是同時(shí)發(fā)生的。由于土地面積是守恒的，土地對(duì)象在空間上無重疊，也無縫隙，土地的總面積不變，有土地對(duì)象消亡，一定有新的土地對(duì)象產(chǎn)生。土地對(duì)象的創(chuàng)建和消亡操作按土地對(duì)象類型可分為地類圖斑操作、線狀地物操作、零星地物操作，在起始時(shí)刻土地對(duì)象的創(chuàng)建指土地信息初始建庫。實(shí)現(xiàn)過程如下：

3.線狀地物操作

（1）創(chuàng)建土地對(duì)象；（2）空間操作：包括線狀地物調(diào)整、增加線狀地物、減少線狀地物等。變更原土地對(duì)象的幾何圖形，形成新創(chuàng)建對(duì)象的幾何圖形，記錄在差文件中；（3）屬性操作：變更屬性字段，記錄在差文件中；（4）時(shí)間操作：記錄土地對(duì)象的創(chuàng)建時(shí)間（CreatTime），即變化時(shí)間，記錄在差文件中；（4）關(guān)聯(lián)操作：記錄新創(chuàng)建土地對(duì)象的父對(duì)象差文件ID，記錄在差文件中。

4.零星地物操作

（1）創(chuàng)建土地對(duì)象；（2）空間操作：包括增加零星地物、減少零星地物等。根據(jù)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)生成新土地對(duì)象的幾何圖形，記錄在差文件中；（3）屬性操作：變更屬性字段，記錄在差文件中；（4）時(shí)間操作：記錄土地對(duì)象的創(chuàng)建時(shí)間（CreatTime），即變化時(shí)間，記錄在差文件中；（5）關(guān)聯(lián)操作：在土地對(duì)象屬性發(fā)生變更后，記錄新創(chuàng)建土地對(duì)象的父對(duì)象差文件ID，記錄在差文件中。

三、結(jié)語

本文針對(duì)土地信息管理的特點(diǎn)，在研究基于改進(jìn)基態(tài)修正的面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，提出土地時(shí)空數(shù)據(jù)模型。該模型能較好地解決土地信息管理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)組織問題，保證了歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，為建立實(shí)用的土地動(dòng)態(tài)綜合管理信息系統(tǒng)提供強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)。下一步需要對(duì)該模型的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步研究，以提高該模型的實(shí)用性。

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