滇池流域非點(diǎn)源污染文檔型時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究與應(yīng)用

謝志萍 楊昆 李澤城

摘要：針對(duì)滇池流域非點(diǎn)源污染應(yīng)急響應(yīng)、模擬及數(shù)據(jù)挖掘過(guò)程中，現(xiàn)有的基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)建立的時(shí)空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了分析并指出其不足，提出了基于MongoDB及面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型改進(jìn)的文檔型時(shí)空數(shù)據(jù)模型，以有效組織、存儲(chǔ)與管理非點(diǎn)源數(shù)據(jù)；最后設(shè)計(jì)了滇池流域非點(diǎn)源污染時(shí)空數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同來(lái)源、格式數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出、編輯、索引及高級(jí)運(yùn)算功能。試驗(yàn)證明，系統(tǒng)在存儲(chǔ)、管理和維護(hù)海量時(shí)空數(shù)據(jù)等方面得到了提升，能為滇池流域非點(diǎn)源污染時(shí)空過(guò)程數(shù)據(jù)的模擬以及大數(shù)據(jù)挖掘提供統(tǒng)一的訪(fǎng)問(wèn)接口和數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型；MongoDB；滇池流域；非點(diǎn)源污染

中圖分類(lèi)號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）05-1295-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.05.053

Research and Application on Document Type Spatio-temporal Data Model of

Non-point Source Pollution in Dianchi Lake Basin

XIE Zhi-ping1a，2，YANG Kun1a，2，LI Ze-cheng1b，2

（1.a.School of Information Science and Technology；b.School of Tourism and Geographic Science，Yunnan Normal University，Kunming 650500，China；

2.GIS Technology Engineering Research Center for West-China Resources and Environment of Educational Ministry，Kunming 650500，China）

Abstract：In the non-point source pollution in Dianchi Lake Basin emergency response， simulation and data mining process， the existing temporal data model based on a relational database were analyzed and its shortcomings were pointed out，an improved model based on MongoDB and object-oriented spatio-temporal data model was proposed to organize， store and manage the non-point source data； Finally， the non-point source pollution spatio-temporal data management system of Dianchi Lake Basin was designed to achieve the following functions， such as importing & exporting，editing， indexing and advanced operation function of different sources or format data. The experiment results showed that，the system had been improved in storage， management and maintenance of huge amounts of spatial-temporal data， which could provide a unified access interface and data support for the data simutation and big data mining of non-point source pollution spatio-temporal process in Dianchi lake Basin.

Key words： object-oriented spatio-temporal data model； MongoDB； Dianchi Lake Basin； non-point source pollution

近年來(lái)，滇池流域點(diǎn)源污染經(jīng)過(guò)治理已得到有效控制，而非點(diǎn)源污染問(wèn)題卻越來(lái)越突出，其產(chǎn)生來(lái)源范圍廣、隱蔽性與潛伏性強(qiáng)、隨機(jī)性大，主要通過(guò)淋溶與降雨徑流的沖刷作用，促使污染物匯入水體[1]。為了研究非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生與擴(kuò)散情況，設(shè)計(jì)了滇池流域非點(diǎn)源污染的時(shí)空過(guò)程模擬應(yīng)急響應(yīng)示范系統(tǒng)、SWMM、SWAT、ABM、葉綠素反演模擬等。但這些系統(tǒng)“信息孤島”現(xiàn)象嚴(yán)重，系統(tǒng)大多強(qiáng)調(diào)的是空間數(shù)據(jù)的分析、處理及可視化等功能，而忽略了空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理和維護(hù)。對(duì)此需設(shè)計(jì)一個(gè)非點(diǎn)源污染空間數(shù)據(jù)的管理系統(tǒng)為研究提供統(tǒng)一的訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)的接口的同時(shí)，支持海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。然而，傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)研究中，大多是通過(guò)建立關(guān)系數(shù)據(jù)模型，以屬性的方式描述和表達(dá)空間數(shù)據(jù)，存在一些不足[2]，為此，針對(duì)滇池流域非點(diǎn)源污染空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對(duì)空間數(shù)據(jù)模型的需求，提出了基于MongoDB文檔特性與面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型改進(jìn)的文檔型時(shí)空數(shù)據(jù)模型，為空間數(shù)據(jù)模型增加時(shí)間要素，利用MongoDB對(duì)流域內(nèi)歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ)和管理，以期為滇池流域非點(diǎn)源污染應(yīng)急響應(yīng)、模擬和數(shù)據(jù)挖掘提供統(tǒng)一的訪(fǎng)問(wèn)接口和數(shù)據(jù)支撐。

1 面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型

時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，一直到80年代都是重點(diǎn)對(duì)時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的空間信息和時(shí)間信息的處理，但基于時(shí)空組合的研究涉及較少。直到20世紀(jì)90年代早期，出現(xiàn)了以GIS中柵格、矢量數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)的面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型[3，4]。但是對(duì)時(shí)間和空間的表達(dá)仍舊較少，不能反映空間對(duì)象前后變化之間的因果聯(lián)系，時(shí)間存儲(chǔ)在一個(gè)普通屬性表里，與空間數(shù)據(jù)其他屬性一樣，重點(diǎn)對(duì)地理狀態(tài)作描述[5]。

面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型中，為了充分描述對(duì)象的活躍狀態(tài)及變化過(guò)程，把真實(shí)世界表示為各個(gè)地理時(shí)空對(duì)象類(lèi)，包含空間對(duì)象類(lèi)、時(shí)間對(duì)象類(lèi)及屬性對(duì)象類(lèi)[6，7]。每個(gè)對(duì)象類(lèi)封裝了時(shí)間、空間與屬性特征，還包括對(duì)象間關(guān)系和行為操作[8]。如圖1，時(shí)間對(duì)象類(lèi)是針對(duì)時(shí)間信息來(lái)建模，空間對(duì)象類(lèi)是針對(duì)空間信息來(lái)建模，包括空間位置（經(jīng)緯度坐標(biāo)）、地物形狀（點(diǎn)、線(xiàn)、面）以及空間拓?fù)湫畔⒌龋粚傩詫?duì)象類(lèi)是操作者自己定義的，有標(biāo)識(shí)ID、Name、Type等屬性，其中Name可以為道路、河流、規(guī)劃區(qū)、土地利用或建筑等。面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型增加時(shí)間信息來(lái)表示多邊形、弧段、節(jié)點(diǎn)等幾何要素，充分考慮了時(shí)間拓?fù)渑c空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但對(duì)分層圖層間的時(shí)空性質(zhì)以及內(nèi)在的關(guān)系的考慮存在不足，并且在基礎(chǔ)關(guān)系描述與顯示定義方面也相對(duì)缺乏[9]。

2 MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)

MongoDB是非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)具有如下的邏輯模型：一系列字段構(gòu)成單個(gè)文檔，一系列文檔構(gòu)成集合，一系列集合又構(gòu)成數(shù)據(jù)庫(kù)，最終多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成MongoDB系統(tǒng)實(shí)例[10-12]。具體如下：①集合等同于表，其實(shí)質(zhì)為一組文檔。與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)不同的是，由于MongoDB的模式自由特性，對(duì)字段結(jié)構(gòu)并沒(méi)有作強(qiáng)制要求。因此，用戶(hù)可以存儲(chǔ)不同結(jié)構(gòu)的文檔在相同集合中，而不必預(yù)先定義一個(gè)集合的字段結(jié)構(gòu)；在數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行時(shí)，可以隨時(shí)動(dòng)態(tài)地添加或刪除文檔的字段，支持?jǐn)?shù)據(jù)的變長(zhǎng)記錄。②MongoDB文檔指結(jié)構(gòu)化的文檔，通過(guò)規(guī)則的Key-Value對(duì)來(lái)表示數(shù)據(jù)，而并非自由文本[13]。MongoDB的文檔使用BSON語(yǔ)言表示，MongoDB的BSON文檔是數(shù)據(jù)的抽象，是非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的基本單元和的數(shù)據(jù)交換格式。單個(gè)文檔等同于單個(gè)BSON對(duì)象，含有多個(gè)鍵值對(duì)。BSON以二進(jìn)制字節(jié)的形式存儲(chǔ)鍵值對(duì)，鍵為字符串格式，值可以為任意的數(shù)據(jù)類(lèi)型，除了基本的浮點(diǎn)數(shù)、整數(shù)、日期、字符串等，還可以是鍵值對(duì)或數(shù)組等復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以嵌套數(shù)組或者子文檔，即文檔的字段值可以是一個(gè)文檔或者數(shù)組類(lèi)型的，支持?jǐn)?shù)據(jù)的不一致存儲(chǔ)。如下所示即為用BSON對(duì)象表示滇池流域非點(diǎn)源污染時(shí)空數(shù)據(jù)信息的一條記錄：

{

ID："001"，

Name："DianchiRoad"，

RoadGrade：5，

RoadWidth：16

Adress：{Area："XishanDistrict"，City："Kunming"}

Company：[{DesignUnit："RoadConstruction" ， DesignCost："10W"}，{ ConstructionUnit："RoadConstruction"，ConstructionCost："50W"}]

}

在記錄中，道路有ID、Name、RoadGrade、RoadWidth、Adress、Company六個(gè)屬性。ID和Name屬性對(duì)應(yīng)的值類(lèi)型為字符型，RoadGrade和RoadWidth對(duì)應(yīng)的值類(lèi)型為整形，Adress對(duì)應(yīng)的是鍵值對(duì)，Company對(duì)應(yīng)的是數(shù)組，數(shù)組元素的類(lèi)型是鍵值對(duì)。同時(shí)，MongoDB能將關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中本來(lái)要使用外鍵聯(lián)接的多個(gè)集合歸納到一個(gè)集合中，減少了集合與集合之間的關(guān)聯(lián)，提高了數(shù)據(jù)庫(kù)的性能。如記錄中，Adress中的Area和City需要建立Area和City對(duì)應(yīng)的表Area和City，其中City表外鍵指向Area表，查詢(xún)時(shí)需要二級(jí)聯(lián)動(dòng)查詢(xún)。MongoDB的這種能夠存儲(chǔ)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以及支持?jǐn)?shù)據(jù)不定長(zhǎng)與不一致的特性正是本文提出文檔型時(shí)空數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。

3 文檔型時(shí)空數(shù)據(jù)模型

由于現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)通用的時(shí)空數(shù)據(jù)模型面臨巨大困難，學(xué)者們更傾向于針對(duì)一個(gè)或一類(lèi)地理問(wèn)題設(shè)計(jì)時(shí)空數(shù)據(jù)模型并加以驗(yàn)證，現(xiàn)已在城市綠色空間、地下管網(wǎng)、地籍管理等領(lǐng)域有重大突破。滇池流域非點(diǎn)源污染時(shí)空變化研究是前人很少涉足的領(lǐng)域，包括點(diǎn)、線(xiàn)、面及其復(fù)合對(duì)象的時(shí)空變化規(guī)律，其地表變化過(guò)程復(fù)雜，建模困難。然而，建立滇池流域內(nèi)非點(diǎn)源污染文檔型時(shí)空數(shù)據(jù)模型來(lái)描述非點(diǎn)源污染的連續(xù)變化，能為解決滇池流域非點(diǎn)源污染相關(guān)問(wèn)題提供理論依據(jù)和應(yīng)用方法。

3.1 現(xiàn)有時(shí)空數(shù)據(jù)模型的不足

現(xiàn)有的關(guān)系數(shù)據(jù)模型，其內(nèi)在的關(guān)系模式會(huì)制約時(shí)空數(shù)據(jù)處理及便捷訪(fǎng)問(wèn)。圖2為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)概念模型，包含兩個(gè)時(shí)空要素類(lèi)，其存儲(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)不足，具體如下。

1）非點(diǎn)源污染時(shí)空數(shù)據(jù)是一種非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。其非結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：空間實(shí)體不固定，例如一條弧段可能包含兩對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)，也可以包含10萬(wàn)對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)；空間實(shí)體具有非原子性特點(diǎn)，有的甚至是嵌套的，如一個(gè)多邊形可能有多條弧段，每個(gè)弧段由多點(diǎn)構(gòu)成。因此如果要用關(guān)系型時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)表示通常需要疊加復(fù)雜的多對(duì)多關(guān)系及其要素，一個(gè)概念模型通常含有多個(gè)關(guān)系，也即含有多張二維的關(guān)系表。其關(guān)系復(fù)雜，涉及的要素較多，最終造成數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)表的數(shù)據(jù)規(guī)模，數(shù)據(jù)量龐大，同時(shí)不利于系統(tǒng)的維護(hù)。因此對(duì)于滇池流域非點(diǎn)源污染的時(shí)空數(shù)據(jù)這種非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，不方便用二維表邏輯進(jìn)行表示。

2）基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)建立的時(shí)空數(shù)據(jù)模型要求對(duì)象固化，而面對(duì)非點(diǎn)源污染時(shí)空數(shù)據(jù)具有的不一致、不定長(zhǎng)特性時(shí)，就需要對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，增加了關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)雜性，成本較高，修改較難。

3）時(shí)間是地理實(shí)體和地理現(xiàn)象的另一個(gè)內(nèi)在基本特征，是地理實(shí)體演變過(guò)程的一個(gè)重要組成部分，地理現(xiàn)象的特性隨時(shí)間的變化而變化?；陉P(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)建立的時(shí)空數(shù)據(jù)模型的時(shí)間記錄的是關(guān)系表記錄的時(shí)間，往往會(huì)將各個(gè)時(shí)期的演變和關(guān)系破碎化和復(fù)雜化，增加時(shí)空關(guān)系的維護(hù)難度。

4）任務(wù)繁重。目前時(shí)空數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中缺乏完整的歷史變化數(shù)據(jù)及動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的存儲(chǔ)和管理，無(wú)法有效地進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤及預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)；針對(duì)滇池流域非點(diǎn)源污染模擬的時(shí)空數(shù)據(jù)建模方法在國(guó)內(nèi)外的研究中涉及很少，沒(méi)有通用的建模方式，因此對(duì)滇池流域非點(diǎn)源污染模擬時(shí)空數(shù)據(jù)的建模難度較大。

3.2 文檔型時(shí)空數(shù)據(jù)模型創(chuàng)建

滇池流域非點(diǎn)源污染時(shí)空數(shù)據(jù)模型構(gòu)建的核心和難點(diǎn)是準(zhǔn)確、清晰地描述滇池流域非點(diǎn)源污染各類(lèi)對(duì)象的時(shí)空變化過(guò)程，同時(shí)能兼容簡(jiǎn)單對(duì)象的時(shí)空變化過(guò)程。針對(duì)前文中對(duì)現(xiàn)有時(shí)空數(shù)據(jù)模型的比較和對(duì)滇池流域非點(diǎn)源污染時(shí)空變化特點(diǎn)的分析，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的需要，發(fā)現(xiàn)面向?qū)ο蟮姆椒鼙容^容易地描述以滇池流域非點(diǎn)源污染的時(shí)空變化。結(jié)合MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)，在物理實(shí)現(xiàn)上所有數(shù)據(jù)以模式自由的文檔結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)。根據(jù)滇池流域非點(diǎn)源污染時(shí)空數(shù)據(jù)變化特點(diǎn)，從建立動(dòng)態(tài)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)合一的非點(diǎn)源污染模擬時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立非點(diǎn)源污染文檔型時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型，如圖3所示。

文檔型時(shí)空數(shù)據(jù)模型兼具M(jìn)ongoDB文檔模式自由和面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型特性，支持松散的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用BSON格式進(jìn)行組織，存儲(chǔ)復(fù)雜的時(shí)空數(shù)據(jù)類(lèi)型，將不同結(jié)構(gòu)、類(lèi)型的時(shí)空數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)一張共同的大表中，實(shí)現(xiàn)一體化存儲(chǔ)[14]，主要包括以下幾部分。

1）在對(duì)象管理上，利用MongoDB模式自由的特性，以水體為對(duì)象進(jìn)行管理，將污染水域的各種對(duì)象導(dǎo)入一個(gè)庫(kù)中。有效降低非點(diǎn)源污染時(shí)空數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)的復(fù)雜度。解決數(shù)據(jù)不一致、不定長(zhǎng)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)表增加或結(jié)構(gòu)冗余的難題。

2）在空間上，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)、河流、湖泊整合在一起，以點(diǎn)、線(xiàn)、面的形式存儲(chǔ)。對(duì)于非結(jié)構(gòu)化的時(shí)空數(shù)據(jù)，通過(guò)充分利用MongoDB的文檔特性，以面向?qū)ο蠓绞絹?lái)表達(dá)地理對(duì)象，以文檔形式無(wú)限制地存儲(chǔ)任意的時(shí)空變化類(lèi)型對(duì)象驅(qū)動(dòng)事件對(duì)象，一個(gè)對(duì)象可以自由嵌套許多原來(lái)對(duì)象的字段，實(shí)現(xiàn)非點(diǎn)源污染非結(jié)構(gòu)化時(shí)空數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理。

3）在不同屬性數(shù)據(jù)建模中，對(duì)時(shí)空變化不活躍的地理現(xiàn)象，選用靜態(tài)數(shù)據(jù)建模；而對(duì)時(shí)空變化活躍的地理現(xiàn)象，選用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)建模，區(qū)別表示隨時(shí)間變化的信息和與時(shí)間變化無(wú)關(guān)的信息。

4）在時(shí)態(tài)上，由于水污染各個(gè)時(shí)期的演變關(guān)系破碎，導(dǎo)致維護(hù)工作繁重，因此針對(duì)不同歷史頻率的數(shù)據(jù)進(jìn)行分別存儲(chǔ)，以便區(qū)別對(duì)待數(shù)據(jù)輸入時(shí)間和使用的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)將水體各個(gè)時(shí)期的過(guò)程數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理起來(lái)，忠實(shí)記錄水體來(lái)龍去脈。對(duì)水體信息的歷史狀態(tài)進(jìn)行保存、恢復(fù)、跟蹤和預(yù)測(cè)。

5）對(duì)于滇池流域非點(diǎn)源污染的海量數(shù)據(jù)，采用本地磁盤(pán)上存儲(chǔ)當(dāng)前數(shù)據(jù)，而將歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在遠(yuǎn)程服務(wù)器大容量光盤(pán)上，同時(shí)，采用MapReduce技術(shù)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行高級(jí)統(tǒng)計(jì)運(yùn)算。

6）在查詢(xún)效率提升中，通過(guò)時(shí)空數(shù)據(jù)所具有的空間特征，建立一系列的空間索引，同時(shí)也通過(guò)歷史頻率數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)建立時(shí)間和空間索引來(lái)提高查詢(xún)的效率。

模型分為4個(gè)主要部分：ID、水體對(duì)象類(lèi)、索引與事件。①?gòu)膶?duì)象來(lái)看，對(duì)水體對(duì)象作惟一性標(biāo)識(shí)和信息管理，用對(duì)象ID來(lái)標(biāo)識(shí)不同對(duì)象，不同對(duì)象的內(nèi)涵可能差別較大，這得益于MongoDB的模式自由特性，這些差別較大的對(duì)象仍然可以整合在一起。②在水體對(duì)象類(lèi)中，將水體的基本屬性和空間信息整合到一起，利用BSON格式類(lèi)型來(lái)無(wú)限制嵌套存儲(chǔ)任意的點(diǎn)、線(xiàn)、面對(duì)象字段。③采用陣列存儲(chǔ)雨量的變化信息，能夠兼容存儲(chǔ)若干個(gè)有差別的雨量變化對(duì)象，有效地存儲(chǔ)空間信息類(lèi)、屬性信息類(lèi)以及時(shí)間信息類(lèi)，同時(shí)記錄時(shí)空對(duì)象變化類(lèi)型驅(qū)動(dòng)地理對(duì)象發(fā)生變化，時(shí)空對(duì)象變化類(lèi)型即為降雨、季節(jié)變化、農(nóng)作物灌溉、工業(yè)排污等各種不同的變化類(lèi)型。圖4即為連續(xù)記錄未降雨、降小雨、降大雨的滇池流域隨事件發(fā)生變化的成長(zhǎng)樹(shù)，通過(guò)降雨事件的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)非點(diǎn)源污染時(shí)空數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、完整、有序的記載。在以后的模擬與研究中，可以通過(guò)大量的歷史數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，獲得降雨對(duì)流域非點(diǎn)源污染的影響以及它們之間的關(guān)聯(lián)，從而有效降低降雨對(duì)流域非點(diǎn)源污染的影響。

從形態(tài)上來(lái)說(shuō)，在不同事件的驅(qū)動(dòng)下，利用對(duì)象狀態(tài)變化來(lái)表達(dá)時(shí)空過(guò)程，水體時(shí)空對(duì)象變成一個(gè)可以成長(zhǎng)的樹(shù)。連續(xù)記錄未降雨、降小雨、降大雨時(shí)候的水體時(shí)空數(shù)據(jù)，包括流域內(nèi)的屬性數(shù)據(jù)及空間數(shù)據(jù)。由于雨量變化的不同，樹(shù)的結(jié)構(gòu)亦不相同。從時(shí)間上來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)中的各雨量變化對(duì)象以實(shí)際發(fā)生的時(shí)序排列，在雨量變化對(duì)象中，記錄了每一個(gè)流程的時(shí)間，將時(shí)態(tài)寓于對(duì)象的變化信息中。利用MongoDB的非點(diǎn)源污染時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，通過(guò)將水體各個(gè)時(shí)期的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或者模擬數(shù)據(jù)，依雨量變化的時(shí)間序列順序進(jìn)行存儲(chǔ)管理，將各種要素復(fù)雜關(guān)系內(nèi)化到水體對(duì)象中，一體化地存儲(chǔ)各種水體要素，可以有效解決水體管理時(shí)空屬性的特殊要求。如下為滇池流域中一個(gè)點(diǎn)在降雨開(kāi)始以及降雨結(jié)束情況下的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)GPS數(shù)據(jù)，包括水體對(duì)象的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息、監(jiān)測(cè)信息以及時(shí)間記錄。

降雨開(kāi)始監(jiān)測(cè)信息：

{

"ID"："2015070901"，

"MonitoringTime"： [{"Time1"： 14：49：56}]

"Name"： "DianChi"，

"Adress"：{"Area"："xinan"， "City"："Kunming"}

"Longitude"：24°33'13.4172"，

"Latitude"： 102°26'20.1228"，

"Data"：[{"Depth"：2.5， "Temp"： 22.1， "DO"： 11.33， "Achl"： 33.2，"PH"：08.35，"TP"：2.12， "TN"：3.66}]

"StorageTime"： 14：49：57

}

降雨結(jié)束監(jiān)測(cè)信息：

{

"ID"："2015070901"，

"MonitoringTime"：[

{" Time1"： 14：49：56} ，

{" Time2"：14：49：56}]

"Name"："DianChi"，

"Adress"：{"Area"："xinan" ， "City"："Kunming" } ，

"Longitude"："24°33'13.4172""，

"Latitude"： "102°26'20.1228" "，

"Data"：[{"Depth1"：2.5， "Temp1"：22.1，"Achl1"： 33.2，"DO1"：11.33"，"pH1"：08.35，"TP1"：2.12，"TN1"：3.66}，{"Achl2"： 28.5， "Depth2" ：2.8， "Temp2"： 19.5，"DO2"： 11.33， " pH2"： 08.04， "TP2"： 2.38，"TN2"：3.76}]

"StorageTime"： [{" StorageTime1"： 14：49：57}，

{"StorageTime2"： 15：30：13}]

}

在降雨前后的BSON文檔中，完整記錄ID號(hào)為2015070901水體對(duì)象的詳細(xì)信息，包含時(shí)間信息，空間信息和屬性信息。其中時(shí)間信息為降雨開(kāi)始監(jiān)測(cè)時(shí)間Time1、降雨結(jié)束監(jiān)測(cè)時(shí)間Time2、入庫(kù)時(shí)間信息StorageT1和StorageT2；水體對(duì)象空間信息為水體對(duì)象經(jīng)緯度信息Longitude和Latitude；水體對(duì)象屬性信息包含水體水深（Depth）、水溫（Temp）、渾濁度（DO）、水體葉綠素a含量（Achl）、pH、總氮（TN）、總磷（TP）等。

4 時(shí)空數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)

滇池流域非點(diǎn)源污染模擬時(shí)空數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)包含存儲(chǔ)實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)、模擬結(jié)果的觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)以及模擬數(shù)據(jù)庫(kù)兩個(gè)物理子庫(kù)。圖5為存儲(chǔ)的時(shí)空數(shù)據(jù)。觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)主要有柵格、矢量、GPS、傳感器、影像五類(lèi)對(duì)象，模擬數(shù)據(jù)庫(kù)包括柵格、矢量和影像、文本四類(lèi)對(duì)象。

4.2 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

根據(jù)滇池流域時(shí)空過(guò)程模擬研究以及數(shù)據(jù)挖掘的時(shí)空數(shù)據(jù)組織、入庫(kù)、輸出、存儲(chǔ)、管理的需求，系統(tǒng)總體功能需求如圖6。系統(tǒng)子功能包括Add、Update、Delete、Check等編輯功能；聚合功能、MapRduce等高級(jí)運(yùn)算功能；數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出功能；時(shí)間與空間等索引功能。

4.3 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

從滇池流域?qū)嶋H情況出發(fā)，結(jié)合MongoDB文檔特性、面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。通過(guò)使用MongoDB驅(qū)動(dòng)程序，編寫(xiě)代碼，實(shí)現(xiàn)MongoDB服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫(kù)、集合、文檔的訪(fǎng)問(wèn)與查詢(xún)。經(jīng)實(shí)踐，完成了設(shè)定目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體功能模塊。系統(tǒng)界面如圖7。

5 小結(jié)

本研究提出基于文檔型時(shí)空數(shù)據(jù)模型，利用事件驅(qū)動(dòng)的特性，并應(yīng)用于滇池流域非點(diǎn)源污染時(shí)空數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中。將非點(diǎn)源污染時(shí)空數(shù)據(jù)空間、屬性數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)內(nèi)化到水體對(duì)象中，能夠有效地支持復(fù)雜、多源、非結(jié)構(gòu)化的時(shí)空數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及隨時(shí)間變化的信息與不隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)區(qū)分，它擺脫了傳統(tǒng)的基于關(guān)系模式設(shè)計(jì)時(shí)空數(shù)據(jù)模型的弊端，不需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的表關(guān)系。但是面對(duì)更為復(fù)雜的滇池流域非點(diǎn)源污染情況，由于選擇MongoDB作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，因此具有無(wú)法支持事務(wù)操作、占用空間過(guò)大等缺點(diǎn)。接下來(lái)，仍需要對(duì)文檔型時(shí)空數(shù)據(jù)模型進(jìn)一步優(yōu)化，考慮對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的模型如何抽象，才能夠更好地適應(yīng)非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)、管理與應(yīng)用；同時(shí)，也需要考慮如何更好地結(jié)合云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)進(jìn)行時(shí)空數(shù)據(jù)的研究。

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