基于自定義模板的空間實(shí)體對象轉(zhuǎn)換方法研究

田志剛，張彥麗，趙韶沖

（1.黃河水文勘察測繪局，河南 鄭州 450045；2.黃委水文局，河南 鄭州 450004；3.菏澤黃河河務(wù)局，山東菏澤 274000）

存在于自然世界地理實(shí)體中，與空間位置或特征相關(guān)聯(lián)，在空間中不可再分的最小單元稱為空間實(shí)體[1]。吳信才[2]認(rèn)為對象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是由對象的一組數(shù)據(jù)和表達(dá)它行為的一組操作共同組成，數(shù)據(jù)和行為是統(tǒng)一體。李景文[3]等提出了基于對象的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，對空間對象的幾何信息、屬性信息、時(shí)間信息進(jìn)行封裝。姜曉軼[4]設(shè)計(jì)了GOO-STDM空間數(shù)據(jù)模型，運(yùn)用面向?qū)ο蟮姆椒▽⒌貙W(xué)對象封裝為空間、專題、時(shí)間的整體。面向?qū)嶓w的空間數(shù)據(jù)模型以現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體為基本表達(dá)對象，葉亞琴[5]等提出的實(shí)體數(shù)據(jù)模型將地理實(shí)體模型表示為要素，由幾何實(shí)體和屬性組成；劉南[6]等提出了面向?qū)嶓w的分布式結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)對象集合，將現(xiàn)實(shí)世界抽象為空間參考系模型、地理幾何對象模型、空間數(shù)據(jù)庫模型和元數(shù)據(jù)庫模型，提供實(shí)體模型的海量數(shù)據(jù)支持。

綜合上述實(shí)體對象的數(shù)據(jù)描述內(nèi)容，本文將空間實(shí)體對象定義為由時(shí)空參照、空間信息、屬性特征、關(guān)系、組成5個(gè)特征構(gòu)成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中組成描述的是對象的組成部件或部分，是對象之間的相對包含關(guān)系。

1 模板定義

地理實(shí)體以某種或多種屬性特征為劃分標(biāo)準(zhǔn)，同類地理實(shí)體具有相同的地理屬性特征[7]。空間實(shí)體對象模型對地理實(shí)體的認(rèn)知過程是相同的，形成對象的關(guān)鍵是抽象，面向?qū)ο蠓椒ň哂泻軓?qiáng)的抽象表達(dá)能力，可將對象抽象為對象類，實(shí)現(xiàn)抽象的數(shù)據(jù)類型，并允許用戶自定義[8]?？臻g實(shí)體對象抽象得到空間實(shí)體對象模板，將其作為對象的原型以確定對象數(shù)據(jù)的描述，且用戶可自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過實(shí)例化對象模板實(shí)現(xiàn)空間實(shí)體對象建模。

由于模板處理機(jī)制的靈活性和易擴(kuò)展性，已逐漸成為空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳輸和組織研究的熱點(diǎn)?，F(xiàn)階段數(shù)據(jù)模板的類型主要分為數(shù)據(jù)匹配模板、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模板、數(shù)據(jù)解析模板和數(shù)據(jù)組織模板4種。數(shù)據(jù)匹配模板的應(yīng)用內(nèi)容主要是數(shù)據(jù)內(nèi)容匹配，以影像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為模板與被匹配源進(jìn)行配準(zhǔn)[9-11]，以連續(xù)的場結(jié)構(gòu)為模板進(jìn)行地形匹配[12]，以及在矢量地圖數(shù)據(jù)中通過模板進(jìn)行要素匹配[13]；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模板提供了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)和目標(biāo)數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)[14]；數(shù)據(jù)解析模板是數(shù)據(jù)內(nèi)容的描述文件和數(shù)據(jù)的語義解釋方法；數(shù)據(jù)組織模板是通過模板將不同的數(shù)據(jù)組件組成完整的數(shù)據(jù)內(nèi)容，在三維復(fù)雜實(shí)體建模中通過模板將簡單對象構(gòu)建為復(fù)雜對象。對象模板綜合了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模板和數(shù)據(jù)組織模板的特點(diǎn)。

根據(jù)上述對象模板的理論內(nèi)容和技術(shù)，本文提出的空間實(shí)體對象模板定義為：對象模板的基本思想是從一組相似的事物中抽象出一種框架模式，任何一個(gè)類似的事物都可作為以模板為超類的派生實(shí)例?？臻g實(shí)體對象模板是實(shí)體數(shù)據(jù)組織的抽象模板，將具體應(yīng)用中實(shí)體數(shù)據(jù)的內(nèi)容和組織方式定義為模板樣式，使對象數(shù)據(jù)能進(jìn)行規(guī)范化組織。

2 對象模板的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 對象模板分類

空間實(shí)體對象信息包括對象自身特征信息和對象間關(guān)系信息兩部分，相應(yīng)地可將對象模板分為對象原型模板和關(guān)系模板。

1）對象原型模板包括對象的時(shí)空參照、空間信息、組成和屬性信息。對象原型模板的結(jié)構(gòu)和形式化表達(dá)可描述為：

對象原型模板=

{

時(shí)空參照: {時(shí)間參照，空間參照};

空間信息:

{

幾何1= {空間標(biāo)識，尺度，數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，空間參照};

…

幾何n= {空間標(biāo)識，尺度，數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，空間參照};

}

組成:

{

組成1={對象類型，對象地址，空間參照};

…

組成n={對象類型，對象地址，空間參照};

}

屬性特征:

{

屬性1={名稱，屬性類型，屬性值類型，初始值，取值范圍，獲取方式};

…

屬性n={名稱，屬性類型，屬性值類型，初始值，取值范圍，獲取方式};

}

}

2）關(guān)系模板負(fù)責(zé)描述空間實(shí)體對象的關(guān)系信息，包括對象關(guān)系類（關(guān)系模型）和關(guān)系存儲結(jié)構(gòu)。關(guān)系模板的形式化表達(dá)可描述為:

關(guān)系模板=

｛

關(guān)系類:

{

關(guān)系類1={關(guān)系類型，關(guān)系標(biāo)識，參數(shù)定義，對象類約束};

關(guān)系存儲結(jié)構(gòu)={存儲結(jié)構(gòu)類型，關(guān)系節(jié)點(diǎn)，關(guān)系邊};

}

…

關(guān)系類:

｛

關(guān)系類n={關(guān)系類型，關(guān)系標(biāo)識，參數(shù)定義，對象類約束};

關(guān)系存儲結(jié)構(gòu)={存儲結(jié)構(gòu)類型，關(guān)系節(jié)點(diǎn)，關(guān)系邊};

｝

｝

對象原型模板和關(guān)系模板相對獨(dú)立地描述了某類空間實(shí)體對象和對象間關(guān)系的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，關(guān)系模板需依賴于對象進(jìn)行實(shí)例化。

2.2 對象模板概念設(shè)計(jì)

在概念層次上的實(shí)體被看作是由時(shí)空參照、空間信息、組成、屬性信息和關(guān)系5個(gè)特征組成。對象模板是某類空間實(shí)體完整特征抽象的集合。根據(jù)對象分類原則，空間實(shí)體集中可抽象出多個(gè)空間實(shí)體類，而應(yīng)用目的決定了對象模板的數(shù)據(jù)描述框架，因此一種類型的實(shí)體可包含多個(gè)對象模板，對象模板的概念模型設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 對象模板概念設(shè)計(jì)

2.3 對象模板邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空間實(shí)體對象模板包括對象原型模板和關(guān)系模板。

2.3.1 對象原型模板邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對象原型模板包括時(shí)空參照、空間位置、空間形態(tài)、組成結(jié)構(gòu)、屬性特征5個(gè)特征。在邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要包括對象模板標(biāo)識數(shù)據(jù)，通過該標(biāo)識管理和識別對象模板類型。

1）模板標(biāo)識（ObjectTemplate），描述模板編碼和模板中所描述的對象類別，同時(shí)在該處添加繼承的上層模板路徑?？臻g實(shí)體對象模板標(biāo)識信息包括模板編碼（TemplateID）、模板所描述對象類名稱（Name）、對象類型（Type）、繼承模板路徑（referencePath），其中Type存儲了模板所描述的對象類的分類編碼。

2）時(shí)空參照（STRID），包括時(shí)間參照類型（TRID）和空間參照類型（SRID），在模板結(jié)構(gòu)中需選擇時(shí)間和空間參照類型。

3）空間信息（Spatials）描述中單個(gè)空間描述是基于對象空間尺度進(jìn)行劃分的，一個(gè)空間描述中數(shù)據(jù)存儲內(nèi)容可包括一種矢量數(shù)據(jù)。本文模板中Spatials邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只針對對象二維矢量形態(tài)。

Spatials中，對象包含多個(gè)形態(tài)的“Spatial”，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括尺度（Scale）、空間描述名稱（Name）和時(shí)間（Time），Time描述了對象空間信息的時(shí)態(tài)記錄特點(diǎn)。Part表示空間的組成部分，包含組成部分的名稱、形態(tài)類型（本文矢量形態(tài)統(tǒng)一為Vector2D）。對象模板構(gòu)建時(shí)，需對Name和Scale屬性進(jìn)行初始化，限定基于該對象模板建模的對象空間形態(tài)支持的空間尺度。

4）組成。對象模板中組成連接部件對象與組合對象，Parts結(jié)構(gòu)描述了對象組成數(shù)據(jù)的標(biāo)識。Parts結(jié)構(gòu)中，Name表示對象組成部分的名稱，ID表示組成結(jié)構(gòu)編碼，在對象組成結(jié)構(gòu)信息初始化時(shí)動態(tài)分配，RefType表示組成結(jié)構(gòu)的類型，RefObjectID表示該組成部分所引用的對象編碼，RefObjectType表示組成部分的對象類型。構(gòu)建模板時(shí)需對組成結(jié)構(gòu)中RefType和RefObjectType的屬性進(jìn)行初始化，約束對象組成結(jié)構(gòu)中部件對象類型。

5）屬性特征（Attr）。對象模板中，Attr是模板定義的公有屬性，是對象實(shí)例化所必須包含的屬性項(xiàng)，是基于模板的實(shí)例化對象的必要屬性信息。

Attr結(jié)構(gòu)中的Type屬性描述了對象的類型，不同類型屬性的數(shù)據(jù)描述方式不同，動態(tài)屬性是具有時(shí)間標(biāo)簽的連續(xù)記錄信息，靜態(tài)屬性描述了與時(shí)間沒有關(guān)聯(lián)的信息。在對象模板中，公有屬性需初始化的內(nèi)容包括Attr中的Name、ValueType、Type和ValueRange。

2.3.2 關(guān)系模板邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

關(guān)系模板中包括關(guān)系模板標(biāo)識和關(guān)系類兩方面信息，關(guān)系模板標(biāo)識負(fù)責(zé)識別和管理關(guān)系模板，關(guān)系類是模板中設(shè)計(jì)的對象關(guān)系模型。

1）模板標(biāo)識，包括模板編碼（TemplateID）、模板名稱（Name）和繼承模板路徑（referencePath）。

2）關(guān)系類（ObjectRelationClass），包括類名稱（Name）、關(guān)系類型（Type）、類編碼（ID）、關(guān)系數(shù)據(jù)存儲類型（RelationType），其中RelationDataType表示該關(guān)系類實(shí)例化的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，構(gòu)建關(guān)系的對象類約束目錄（Category）。ObjectRelationClass通過節(jié)點(diǎn)參數(shù)（NodeParameters）、邊參數(shù)（EdgeParameters）和環(huán)參數(shù)（RingParameters）進(jìn)行定義。

2.4 模板生成工具的設(shè)計(jì)

模板生成工具實(shí)現(xiàn)了對象模板的可視化創(chuàng)建和特征內(nèi)容編輯，以及對象之間關(guān)系交互式的構(gòu)建和對象模板文件的導(dǎo)出導(dǎo)入；同時(shí)提供了模板文件在SQLite數(shù)據(jù)庫中的存儲方法，便于對象模板文件的存儲、管理和重用。模板生成工具實(shí)現(xiàn)了對象模板的生成和存儲。

圖2 對象模板生成工具模型類圖

圖2為對象模板生成工具的模型類圖，模板的創(chuàng)建過程統(tǒng)一在TemplateEditFrame中進(jìn)行管理，模板可視化創(chuàng)建在GraphFrame中進(jìn)行，ObjectClassFactory中包含了模板創(chuàng)建所需的基本結(jié)構(gòu)，AbstratEdge中描述了模板間的關(guān)系，Storage負(fù)責(zé)存儲管理創(chuàng)建后的模板。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)空間實(shí)體對象的生成步驟和創(chuàng)建的模板生成工具，將1∶500比例尺下的鄭州市地鐵OSM數(shù)據(jù)、鄭州市地鐵CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為城市地鐵空間實(shí)體對象，展示矢量地圖數(shù)據(jù)自動化生成空間實(shí)體對象的轉(zhuǎn)換過程。數(shù)據(jù)源基本信息如表1所示，生成的空間實(shí)體對象類型如表2所示。地鐵1號線站點(diǎn)轉(zhuǎn)換后的空間實(shí)體對象數(shù)據(jù)如圖3所示，轉(zhuǎn)換后的空間實(shí)體對象通過多粒度時(shí)空獨(dú)享建模工具進(jìn)行顯示，結(jié)果如圖4所示。

表2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果描述

圖3 地鐵1號線地鐵站空間實(shí)體對象

圖4 地鐵實(shí)體對象數(shù)據(jù)可視化

4 結(jié) 語

在綜合現(xiàn)有空間實(shí)體定義的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于模板實(shí)現(xiàn)空間實(shí)體數(shù)據(jù)自定義的數(shù)據(jù)構(gòu)建機(jī)制，詳細(xì)設(shè)計(jì)了基于模板的空間實(shí)體數(shù)據(jù)組織方法，以及模板的概念模型和邏輯模型，并創(chuàng)建了模板生成工具?；趯ο竽０鍖?shí)現(xiàn)了鄭州市OSM數(shù)據(jù)和地鐵站CAD數(shù)據(jù)的融合和信息重構(gòu)，并通過空間實(shí)體對象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果和可視化效果驗(yàn)證了本文方法的可行性和科學(xué)性。