基于時(shí)空基態(tài)修正的三維電子地圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃麗娜，闞子涵， 李冬琳

（1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079）

基于時(shí)空基態(tài)修正的三維電子地圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃麗娜1，闞子涵1， 李冬琳1

（1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079）

在分析幾種基態(tài)修正模型特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究一種適合于表達(dá)時(shí)空信息回溯與演變的三維時(shí)空數(shù)據(jù)模型。首先建立初始時(shí)期的基態(tài)三維模型，再按照預(yù)先設(shè)置的時(shí)間粒度由遠(yuǎn)及近建立各歷史時(shí)期的基態(tài)修正模型,并將其應(yīng)用于三維場(chǎng)景的組織和管理，進(jìn)行校園三維電子地圖原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)校園時(shí)空信息的回溯與演變。初步實(shí)驗(yàn)表明，本研究提出的基態(tài)增量模型具有存儲(chǔ)三維數(shù)據(jù)冗余量小、數(shù)據(jù)組織和管理較為高效的特點(diǎn)。

三維地圖；時(shí)空數(shù)據(jù)模型；基態(tài)增量；時(shí)態(tài)GIS

目前，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的地理信息系統(tǒng)可分為靜態(tài)GIS與時(shí)態(tài)GIS兩類[1,2]。靜態(tài)GIS只能反映某一地區(qū)的瞬時(shí)地理情況，不能反映歷史的發(fā)展和變遷，也不能預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展情況。時(shí)態(tài)GIS是一種采集、存儲(chǔ)、管理、分析與顯示地理實(shí)體隨時(shí)間變化信息（或時(shí)空信息）的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[2]。時(shí)態(tài)GIS的核心是時(shí)空數(shù)據(jù)模型[3]，即將地理實(shí)體的時(shí)間特征、空間特征、屬性特征恰當(dāng)?shù)亟M織起來(lái)，準(zhǔn)確反映地理實(shí)體的狀態(tài)和演變過(guò)程。

1992年，Gail Langran提出文件系統(tǒng)支持下的時(shí)空立方體模型、連續(xù)快照模型、基態(tài)修正模型、時(shí)空復(fù)合模型4種時(shí)空數(shù)據(jù)模型[4]，標(biāo)志著GIS時(shí)空數(shù)據(jù)建模的正式開(kāi)始[5]。隨后國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都做了這方面的嘗試。例如，Raafat以一個(gè)交通網(wǎng)為例，提出一種符合第一范式關(guān)系的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，并闡述了歷史GIS空間拓?fù)潢P(guān)系[2]；閆宏斌利用歷史庫(kù)、過(guò)程庫(kù)、現(xiàn)實(shí)庫(kù)對(duì)時(shí)空過(guò)程和時(shí)空關(guān)系進(jìn)行描述、模擬，擴(kuò)展了基態(tài)修正模型[6]；曹偉、花向紅等采用面向?qū)ο蟮臅r(shí)空模型，將時(shí)態(tài)GIS應(yīng)用于地籍管理信息系統(tǒng)[3]；薛存金、周成虎等以連續(xù)漸變地理實(shí)體的表達(dá)、組織、存儲(chǔ)為研究對(duì)象，提出了面向過(guò)程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型[7]。這些理論豐富了時(shí)空數(shù)據(jù)模型以及時(shí)態(tài)GIS的內(nèi)涵，推進(jìn)了時(shí)態(tài)GIS的發(fā)展。但是，以上研究多停留在二維平面數(shù)據(jù)的時(shí)空組織上，如今更需要一種適合于三維模型的時(shí)空數(shù)據(jù)組織方案來(lái)反映某一地區(qū)三維場(chǎng)景的時(shí)空變化。

在現(xiàn)有的時(shí)空數(shù)據(jù)組織模型中，基態(tài)修正模型具有存儲(chǔ)量小、易于進(jìn)行時(shí)態(tài)變化分析的特點(diǎn)[6]。基于此，本文在分析基態(tài)修正的時(shí)空數(shù)據(jù)模型特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種適用于三維模型的時(shí)空數(shù)據(jù)組織方法，通過(guò)對(duì)三維模型的基態(tài)修正信息進(jìn)行增量式存儲(chǔ)與調(diào)度，實(shí)現(xiàn)三維GIS中時(shí)空變化信息的有效表達(dá)。

1 基于基態(tài)修正的時(shí)空數(shù)據(jù)組織

1.1 基態(tài)修正模型的基本原理

基態(tài)修正模型的基本思想是把某一地理區(qū)域的當(dāng)前狀態(tài)作為基態(tài)，將其歷史狀態(tài)作為對(duì)基態(tài)的修正。實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：首先存儲(chǔ)某一區(qū)域地理現(xiàn)象的初始狀態(tài)（基態(tài)），再按照一定的時(shí)間間隔存儲(chǔ)發(fā)生變化的地理現(xiàn)象，即新舊狀態(tài)的信息差。那么，某個(gè)時(shí)刻的地理現(xiàn)象，理論上應(yīng)該是通過(guò)對(duì)之前所有時(shí)間段地理現(xiàn)象進(jìn)行邏輯累加的結(jié)果。這種存儲(chǔ)方式由于沒(méi)有單獨(dú)存儲(chǔ)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的完整的地理現(xiàn)象，而是只存儲(chǔ)部分變化的現(xiàn)象，具有數(shù)據(jù)冗余較少、便于數(shù)據(jù)傳輸、能表述地物目標(biāo)的時(shí)空變化過(guò)程等優(yōu)勢(shì)[8]。

目前，時(shí)空數(shù)據(jù)模型主要有5種基態(tài)修正方式[9-11]，如圖1所示。

圖1a中，將當(dāng)前狀態(tài)設(shè)為基態(tài)，將每個(gè)歷史時(shí)間點(diǎn)相比于基態(tài)的變化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一個(gè)文件。圖1b為圖1a的改良，即每個(gè)歷史時(shí)期存放的是相比于上個(gè)歷史時(shí)期的變化數(shù)據(jù)。顯然，圖1b比圖1a減少了數(shù)據(jù)的冗余，但是由于把當(dāng)前狀態(tài)存儲(chǔ)為基態(tài)，所以當(dāng)追溯的歷史時(shí)期較為久遠(yuǎn)時(shí)，檢索所需的時(shí)間復(fù)雜度將大大提高。圖1c和圖1d分別用分級(jí)索引的方法，將中間點(diǎn)也存為基態(tài)，這樣調(diào)用后面的歷史時(shí)期時(shí)，可以降低檢索的時(shí)間復(fù)雜度，但是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量也會(huì)增加。圖1e為動(dòng)態(tài)多級(jí)檢索方法[11]，即在檢索過(guò)程中，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建多個(gè)基態(tài)，可大大縮減索引的時(shí)間。但是動(dòng)態(tài)基態(tài)的創(chuàng)建同樣會(huì)增加數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量，當(dāng)創(chuàng)建多個(gè)基態(tài)時(shí)，將會(huì)造成大量的數(shù)據(jù)冗余。

圖1 5種基態(tài)修正模型

1.2 基于基態(tài)修正的數(shù)據(jù)組織方法

若需要再現(xiàn)地理目標(biāo)或現(xiàn)象隨時(shí)間的變化過(guò)程，且這種變化可以抽象為目標(biāo)的增加或減少時(shí)，采用基態(tài)修正模型可有效地進(jìn)行時(shí)空數(shù)據(jù)組織。將地理目標(biāo)或現(xiàn)象最原始的狀態(tài)作為基態(tài)，再存儲(chǔ)每一時(shí)期相對(duì)于上一時(shí)期的修正數(shù)據(jù)，以此降低數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)量。

在三維GIS的時(shí)空信息可視化表達(dá)中，為了降低三維數(shù)據(jù)模型存儲(chǔ)的復(fù)雜性，可以將三維模型的變化抽象為增加過(guò)程。對(duì)于作為基態(tài)的三維數(shù)據(jù)模型，當(dāng)新空間目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)，對(duì)應(yīng)于新三維模型的正增加；當(dāng)原空間目標(biāo)消失時(shí)，對(duì)應(yīng)原三維模型的負(fù)增加；若空間目標(biāo)發(fā)生變化，則對(duì)應(yīng)于三維模型的變化經(jīng)歷了先負(fù)增加再正增加2個(gè)階段。對(duì)圖1b中模型進(jìn)行改進(jìn)，三維時(shí)空數(shù)據(jù)的基態(tài)修正組織模型如圖2所示。

圖2 三維時(shí)空數(shù)據(jù)的基態(tài)修正組織模型

圖2將歷史時(shí)期分為6個(gè)時(shí)間段，以“1930年以前”這一時(shí)期作為基態(tài)，“1930年”文件存儲(chǔ)相比于“1930年以前”增加的數(shù)據(jù)，“1950年”文件存儲(chǔ)相比于“1930年”增加的數(shù)據(jù)。依此類推，每個(gè)時(shí)間文件存儲(chǔ)的都是相比于上一個(gè)時(shí)間的“增量”。在圖2中，“增量”一行為當(dāng)前文件實(shí)際存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，“增量累加后的結(jié)果”一行表示的是當(dāng)前時(shí)期的實(shí)際數(shù)據(jù)。這樣每個(gè)時(shí)間文件只需存儲(chǔ)相比上一時(shí)間的“增量”，大大降低了數(shù)據(jù)量。三維模型增量數(shù)據(jù)調(diào)度流程如圖3所示。

圖3 三維模型調(diào)度流程圖

2 時(shí)態(tài)三維電子地圖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為驗(yàn)證本文提出的基于基態(tài)修正的三維時(shí)空數(shù)據(jù)組織方案的可行性，以武漢大學(xué)文理學(xué)部校園為實(shí)驗(yàn)樣區(qū)，利用ArcGIS 9.3和Google SketchUp 6的相關(guān)功能模塊制作校園三維時(shí)態(tài)電子地圖，對(duì)武漢大學(xué)文理學(xué)部自1930年至今的校園場(chǎng)景變化過(guò)程進(jìn)行再現(xiàn)。

2.1 三維模型的基態(tài)增量組織

我們將武漢大學(xué)最原始的狀態(tài)作為基態(tài)，建立校園地物三維模型，然后將不同歷史時(shí)期的增量變化信息進(jìn)行三維建模和存儲(chǔ)。當(dāng)對(duì)某一時(shí)期的校園三維場(chǎng)景進(jìn)行可視化表達(dá)時(shí)，相當(dāng)于對(duì)前一歷史時(shí)期的基態(tài)三維場(chǎng)景進(jìn)行修正。

從可操作性的角度出發(fā)，我們根據(jù)校園歷史建筑的不同發(fā)展時(shí)期設(shè)立顯示時(shí)間節(jié)點(diǎn)，然后建立對(duì)應(yīng)時(shí)間圖層分別存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的增量數(shù)據(jù)集中，如表1所示。

2.2 動(dòng)態(tài)三維電子地圖的實(shí)現(xiàn)效果

本文在VS2008環(huán)境下，通過(guò)ArcEngine二次開(kāi)發(fā)，編寫(xiě)C#程序開(kāi)發(fā)應(yīng)用界面并加載ArcScene中的模型數(shù)據(jù)，通過(guò)圖層管理不同時(shí)期的增量數(shù)據(jù)。三維電子地圖場(chǎng)景的時(shí)態(tài)變化信息顯示如圖4所示。

表1 基于基態(tài)修正模型的數(shù)據(jù)組織情況

圖4 武漢大學(xué)校園三維電子地圖時(shí)態(tài)信息變化顯示效果

3 結(jié) 語(yǔ)

本文將基態(tài)增量數(shù)據(jù)模型用于三維模型的數(shù)據(jù)組織，并通過(guò)基態(tài)增量的方式將三維GIS與時(shí)態(tài)GIS結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行武漢大學(xué)校園時(shí)空信息變化的可視化，為動(dòng)態(tài)三維電子地圖的數(shù)據(jù)組織研究提供實(shí)證。實(shí)驗(yàn)表明，在三維GIS的環(huán)境下，本文所使用的基態(tài)增量模型所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量為最小，數(shù)據(jù)組織和管理更為高效。但是當(dāng)數(shù)據(jù)量增大時(shí)，數(shù)據(jù)的調(diào)度效率就會(huì)降低。如何將本文的基態(tài)增量模型進(jìn)行完善以適合大數(shù)據(jù)量的組織和管理，是本模型需要繼續(xù)研究的問(wèn)題。

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B

1672-4623（2015）01-0165-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.055

黃麗娜，博士，講師，主要從事地理信息可視化研究。

2013-11-11。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41101448、51008138）；國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目（J1103409）。