地理信息的超圖時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘探究

賈佳

（河南測繪職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州450000）

由于地理數(shù)據(jù)需要從多個(gè)維度進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與處理，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，邏輯關(guān)系難以明晰，因此在時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘時(shí)較為困難。超圖模型在數(shù)據(jù)挖掘中主要用于進(jìn)行高維數(shù)據(jù)聚類問題的解決，其理論較為嚴(yán)謹(jǐn)，且具有靈活的結(jié)構(gòu)體系，因此，基于超圖模型而總結(jié)出超圖時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘法并將之應(yīng)用于地理信息的數(shù)據(jù)挖掘可使地理數(shù)據(jù)信息分析與處理更加高效與精準(zhǔn)。

1 超圖模型及其結(jié)構(gòu)分析

1.1 超圖模型

以超圖結(jié)構(gòu)為根本而建立起來的模型就是超圖模型。其以圖論為基礎(chǔ)，將集合論融入其中共同組成了超圖理論。其是將屬性特征一致的對象歸納為一個(gè)集合，在集合當(dāng)中再將具有更高層次共性的集合再次歸類，進(jìn)而使集合中呈現(xiàn)出層次化的結(jié)構(gòu)。這些集合之間會(huì)形成二元關(guān)系，一個(gè)集合可與其他集合進(jìn)行映射，同時(shí)也被其他集合映射，這種多對多的映射方式就是集合之間關(guān)系的重要體現(xiàn)。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

類與對象是超圖模型的基本構(gòu)成元素，類與對象各自的屬性也是其重要的結(jié)構(gòu)之一，同時(shí)不同類的鏈接以及不同對象的鏈接也是重要的結(jié)構(gòu)組成內(nèi)容。超圖模型有多種結(jié)構(gòu)屬性：可以是單一數(shù)值也可以是多維數(shù)值，某個(gè)特定程序或法則也是其屬性之一，此時(shí)主要是對某個(gè)對象或類所進(jìn)行的合法操作進(jìn)行準(zhǔn)確描述，這與對某個(gè)對象進(jìn)行的描述具有一致性。同時(shí)可以運(yùn)用超圖進(jìn)行描述的某個(gè)結(jié)構(gòu)也是其結(jié)構(gòu)屬性之一，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)對較為復(fù)雜的對象進(jìn)行描述。基于此，如果所要研究的是較為復(fù)雜的對象，那么就可運(yùn)用結(jié)構(gòu)與其子結(jié)構(gòu)共同進(jìn)行對象組成的描述，也可對不同對象之間的關(guān)系進(jìn)行分析。在鏈接以及超鏈接模式下，超圖模型可以對不同的類或不同的對象之間的層次關(guān)系進(jìn)行表達(dá)，也可描述其非層次的關(guān)系，具有一定的靈活性。具體可描述的內(nèi)容有分類、概括，也可對聚合以及多層次聯(lián)系進(jìn)行闡述，此外，還可描述復(fù)合類以及分割等關(guān)系。

2 超圖數(shù)據(jù)模型在地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用分析

地理現(xiàn)象可由時(shí)間特征、屬性特征和空間特征共同表現(xiàn)。二十世紀(jì)七十年代，外國專首次提出超圖數(shù)據(jù)模型，利用該結(jié)構(gòu)模型可以對現(xiàn)實(shí)中的實(shí)體物質(zhì)進(jìn)行描述，在地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域當(dāng)中應(yīng)用超圖數(shù)據(jù)模型尚屬首次。地理時(shí)空數(shù)據(jù)之間的關(guān)系有多種表現(xiàn)方式，既有空間、時(shí)態(tài)以及時(shí)空等單一的關(guān)系，也可將這些單一的關(guān)系進(jìn)行組成而形成屬性或時(shí)間屬性關(guān)系，此外還有空間時(shí)間以及空間屬性關(guān)系。時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘正是以這些不同種類的關(guān)系為基礎(chǔ)而進(jìn)行的。在時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘時(shí)要對這些關(guān)系進(jìn)行分析與考量，否則其與得出的規(guī)則分析可能不準(zhǔn)確或得到不正確的知識(shí)內(nèi)容，得到的知識(shí)內(nèi)容也可能不具有實(shí)用性。在地理信息系統(tǒng)當(dāng)中，地理、經(jīng)濟(jì)乃至人文等多個(gè)不同的地理要素在空間分布方面都各不相同，時(shí)間過程也存在較大差異，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)世界層次等級(jí)的描述，也可對不同物質(zhì)之間的關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)的體現(xiàn)，并反映出其具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征。由簡至繁、從無到有、自低向高是世界變化的規(guī)律，地理信息關(guān)體也具有層次化的特點(diǎn)，同時(shí)也具有非層次化的特征。正是由于地理信息關(guān)系的復(fù)雜性，將超圖模型應(yīng)用于地理信息數(shù)據(jù)的挖掘可以展現(xiàn)出良好的數(shù)據(jù)挖掘效果。

3 關(guān)系- 對象型的地理數(shù)據(jù)庫分析

關(guān)系- 對象型的地理數(shù)據(jù)庫（Geodatabase）屬于新型的空間數(shù)據(jù)模型，其是在面向?qū)ο蠹夹g(shù)的基礎(chǔ)上而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)空間世界的抽象化，將之組成數(shù)據(jù)模型，該模型是多個(gè)不同對象類的集合，同時(shí)，可在此數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行面向?qū)ο蟮目臻g實(shí)體的有效存儲(chǔ)，這些對象類都具有各自的屬性，同時(shí)行為清晰，規(guī)則明確，并且不同對象類之間還會(huì)相互關(guān)聯(lián)與影響。該數(shù)據(jù)庫在對空間對象的坐標(biāo)進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)，是以長二進(jìn)制型數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)的，且保存于某一字段當(dāng)中，隨后又將該字段的屬性存儲(chǔ)其中，實(shí)現(xiàn)了空間與屬性兩種不同數(shù)據(jù)的組成，使二者共存于一個(gè)數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，此種存儲(chǔ)方式較為簡便，極大的降低了空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的復(fù)雜程度，進(jìn)而使空間數(shù)據(jù)的查詢粒度得以進(jìn)一步明確，可以更好的進(jìn)行空間對象所具備的時(shí)空數(shù)據(jù)的有效表達(dá)，也使其組織形式更加清晰。

4 面向?qū)傩詺w納的地理信息超圖時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘

關(guān)系數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)了多種方法，如概念泛化，此外還有歸納學(xué)習(xí)法，這些方法可發(fā)現(xiàn)于時(shí)間知識(shí)拓展過程中。關(guān)系型時(shí)空數(shù)據(jù)庫由兩個(gè)部分組成，一是空間部分，其屬于二維空間，屬于空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組成部分之一。二是非空間部分，其數(shù)據(jù)屬性為時(shí)間，其主要存儲(chǔ)于關(guān)系數(shù)據(jù)庫當(dāng)中?？臻g與非空間數(shù)據(jù)庫采用ID 鏈接而建立關(guān)聯(lián)。采用概念泛化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對空間及非空間數(shù)據(jù)的有效泛化，在對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行泛化時(shí)，非空間數(shù)據(jù)也需一同進(jìn)行泛化，無法單獨(dú)對其中之一進(jìn)行泛化。

關(guān)系- 對象型地理信息數(shù)據(jù)庫中所存儲(chǔ)的空間與屬性數(shù)據(jù)都位于關(guān)系數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，且存儲(chǔ)位置相同，進(jìn)而形成了地理空間數(shù)據(jù)庫。在時(shí)間知識(shí)提取過程中，可采用概念泛化方法實(shí)現(xiàn)空間與非空間數(shù)據(jù)的有效融合，使之形成整體，進(jìn)而作為時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘?qū)崿F(xiàn)的根本。時(shí)空數(shù)據(jù)泛化開始前，首先要將關(guān)系-對象型數(shù)據(jù)庫中所存儲(chǔ)的相應(yīng)要素反映到超圖之上，要求被反映的必須為帶權(quán)的超圖，同時(shí)也要將各要素之間的關(guān)系在超圖上體現(xiàn)出來。在超圖當(dāng)中，某一要素或某一對象可以點(diǎn)的形式體現(xiàn)出來，其與超圖模型的對象屬性一一對應(yīng)。同時(shí)要素及對象類也可以類的形式體現(xiàn)于超圖模型之上，并且其與超圖模型中所存儲(chǔ)的類的屬性相對應(yīng)。此外，要素?cái)?shù)據(jù)的集合也可以超類的形式映射于超圖模型之上。關(guān)系類以及規(guī)則既可以類的形式映射于超圖模型，也可映射為不同對象間具有賦值的鏈接，還可以映射為具有一定限制或操作要求的鏈接。在關(guān)系- 對象型數(shù)據(jù)庫中可以實(shí)現(xiàn)對時(shí)間或空間等單一屬性的泛化，也可對專題之中的任一屬性進(jìn)行泛化。這種單一的屬性可以是超圖中某一對象的特征，也可以其為依據(jù)進(jìn)行對象類別的劃分，進(jìn)而運(yùn)用鏈接進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的有效分離與提取。鏈接的類型可以替代要素或要素類所組成的鏈接，同時(shí)要素層次結(jié)構(gòu)可對其進(jìn)行替代并實(shí)現(xiàn)有效處理。也就是說，在超圖鏈接的作用下可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間及空間等各個(gè)要素、屬性以及各個(gè)要素類的有效傳遞。在此之中，如果所傳遞的類或?qū)ο笫且跃哂匈x值的弧的形式存在，也可將賦值向端點(diǎn)進(jìn)行傳送，進(jìn)而使弧段的賦值轉(zhuǎn)化為所傳遞端點(diǎn)的值，進(jìn)而構(gòu)建出含有類的結(jié)構(gòu)。關(guān)系類或規(guī)則可以類或?qū)ο蟮男问接成涑蔀槌瑘D模型中具有賦值的鏈接，有時(shí)所映射的鏈接具有一定的限制條件，因此，以超圖模型為基礎(chǔ)進(jìn)行時(shí)空泛化時(shí)要受到一定條件的限制。然而首次進(jìn)行某一特定屬性的泛化時(shí)，未必可以一次就實(shí)現(xiàn)預(yù)期的概念泛化，也有可能出現(xiàn)泛化值的數(shù)量比預(yù)設(shè)的泛化數(shù)值更多的情況。因此，有時(shí)需要將這一泛化結(jié)果映射到超圖模型當(dāng)中，進(jìn)而通過再次泛化而使之與預(yù)期的概念層次相一致。有時(shí)甚至需要進(jìn)行多次有條件的泛化，才可以將之轉(zhuǎn)化為預(yù)期的泛化關(guān)系，進(jìn)而使之形成邏輯公式。

結(jié)束語

在國際領(lǐng)域當(dāng)中時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)得到了高度重視，然而由于其研究并不深入，與當(dāng)下社會(huì)的應(yīng)用需求還有一定差距。在時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘研究當(dāng)中，時(shí)空信息及數(shù)據(jù)模型是其研究的核心內(nèi)容，然而在地理學(xué)領(lǐng)域已掌握了一定規(guī)模的地理信息數(shù)據(jù)，因此以此為依據(jù)建立地理信息數(shù)據(jù)模型，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘的進(jìn)一步研究與驗(yàn)證。在空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)當(dāng)中超圖模型具有一定的作用，同時(shí)也可應(yīng)用于地理信息系統(tǒng)當(dāng)中，其必然也會(huì)在時(shí)間數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域發(fā)揮出極為重要的功能價(jià)值。