ＧＩＳ－Ｔ中基于動態分段技術的面向對象時空數據模型研究

黃少鑾　熊盛武

摘 要：交通網絡的表達在GIS-T中處于非常重要的地位，不僅交通設施管理、道路交通信息管理需要良好的數據結構，而且在交通運輸規劃、路網規劃等方面還需要拓展傳統GIS的數據結構。數據是GIS系統的基礎，數據模型則用來表達數據之間的聯系與邏輯組織形式。由于交通信息種類繁多，具有自身的特點，需要合理的形式進行組織，因此研究GIS-T數據模型具有重要的意義。以動態分段技術為基礎，提出面向對象的時空數據模型。

關鍵詞：GIS-T;動態分段;面向對象;數據模型

中圖分類號：TN95文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2009)03-183-03

Object-oriented Spatio-temporal Data Model Based on Dynamic Segmentation in GIS-T

HUANG Shaoluan,XIONG Shengwu

(Department of Computer Science and Technology,Wuhan University of Technology,Wuhan,430070,China)

Abstract：The expression of transport network is very important in GIS-T.Not only the traffic facilities management and road traffic information management need a good data structure,moreover developing traditional GIS data construction is needed in transport planning and network planning.Data is a base of GIS,and data model is used to express the relation between the data and the forms of logic organizations.Because of a great variety of transportation information of their own characteristics,the data need to be organized by a logical form.It has a great significance of studying the data model of GIS-T.This article discusses a object-oriented spatio-temporal data model based on dynamic segmentation.

Keywords：GIS-T;dynamic segmentation;object-oriented;data model

動態分段技術只是從數據存儲的方面解決時空數據的問題，但是對時空數據的時空關系沒有解決。面向對象技術的發展以及在GIS領域的應用，為人們提供了一種更為科學的數據組織方式。面向對象的數據模型更符合客觀世界的本質特征，在GIS-T的數據模型研究中，面向對象技術的應用可以很好地解決時空數據的空間關系問題。

1 動態分段技術

動態分段是在傳統GIS數據模型的基礎上利用線性參照系統和相應算法［1］，在需要分析、顯示、查詢及輸出時，在不改變要素位置(坐標)的前提下，建立線性要素上任意路段與多重屬性信息之間關聯的技術。動態分段實質上是建立在弧段-節點數據結構上的一種抽象方法，通過一定映射關系，將動態段對應回原有的GIS數據庫中的一種技術［2］。動態分段大大提高了GIS對線性數據的處理能力，解決了傳統GIS中只能處理一個固定屬性數據集的問題。

1.1 動態分段的優勢

(1) 任何一個要素的變化不會影響其他要素;

(2) 容易添加和刪除要素;

(3) 應用時只需處理具有特殊意義的要素，減少處理和存儲的數據量;

(4) 一些實體可以被表述成結點和弧段。

1.2 動態分段技術的線性參照系

與傳統的平面坐標系統相比較,在GIS-T的應用中,線性參照系具有以下優點:

采用線性參照系使得GIS-T能夠采用一個統一界面融合各類不同的交通信息數據,簡化系統的查詢方式［3］。目前一般認為線性參考系統是交通信息系統中最合適的位置參考系統。

線性地物的各個分段是由動態分段方法實時計算得到的，用戶只需要維護屬性事件表中的度量值,如道路的起點樁號、終點樁號,而不需要在矢量化時進行手工打斷，大大減少了地圖數字化的工作量。線性參考系統相對獨立地管理圖形數據和屬性數據，一個線性空間地物可以對應多重屬性，線性地物不同類型的屬性以及空間分布特征可以獨立地維護而不會相互影響［4］。

1.3 動態分段技術的算法實現

為了說明問題，以一實例來闡述動態分段技術的算法。

問題：從標識點B至C的路面寬度為30 m，B與C的里程值為MPB，MPC。

求解：(XB,YB)，(XC,YC)。

條件：已知控制點A的坐標和里程分別為(XA,YA)，MPA，控制點D的坐標和里程分別為(XD,YD)，MPD，公路上的幾何特征點(曲線主點)坐標,如圖1所示。

實現過程：

第一步，查詢路面寬度為30 m、由鏈組成的公路路段及里程，包括滿足條件的路程的起始里程、鏈標識、終點里程等。

第二步，按里程計算起始點至終點的偏移值，對于圖1，即AB/AD，AC/AD。

第三步，根據公路的幾何圖形和幾何特征點的坐標，沿包含起始點和終點的鏈段累計計算里程，并將計算的里程與鏈路里程比較，直到計算的比例偏移值大于第二步計算的比例偏移值。或者為提高內插精度，采用距待求點最近的兩特征點的坐標內插出該點的坐標值，即根據公路的幾何圖形和特征點的坐標，沿包含起始點和終點的鏈段累計計算里程，并將計算里程和鏈路里程比較，直到計算的里程的偏移值大于第二步中的偏移值，記錄該點的坐標。

第四步，確定比例偏移值小于第二步計算的比例偏移值且查詢點最近的公路幾何特征點的里程，或確定比例偏移值小于第二步計算的比例偏移值且查詢點最近的公路幾何特征點并刻錄該點的坐標。

第五步，按線性內插方法計算B，C兩點的坐標。

動態分段是一種新的線性特征的動態分析、顯示和繪圖技術，極大地提高了GIS-T中線性要素的處理能力，然而，傳統動態分段技術在處理具有時態性線性數據時卻存在明顯的不足。為了體現數據的時空屬性，在動態分段的基礎上，我們采用面向對象的方式來建立時空數據模型。

2 面向對象的時空數據模型

2.1 面向對象的優越性

隨著面向對象技術的出現，面向對象的數據模型以豐富的語義、描述復雜對象的功能和數據抽象技術等優點受到專家的關注。國內外的眾多專家學者如WorBoys［5］、龔健雅等都曾經或者正利用面向對象的思想進行時空數據模型的研究。面向對象的時空數據模型的優越性主要體現在以下幾個方面：

(1) 以面向對象分析方法和程序設計方法為基礎的面向對象的模型方法，提供了豐富的數據建模機制對象(封裝、對象標識)、類型與類、概括(繼承)、多態、聚集、傳播等，能夠很好地模擬和描述地理空間中復雜的時空對象。面向對象數據模型它在復雜結構數據建模、數據和操作重利用方面具有比關系、擴展關系、層次數據和網狀模型更大的優點，而時空數據的最大特點莫過于大數據量和復雜的結構。空間數據和無限變化的歷史累積數據屬海量數據，且空間數據的明顯層次結構、有序、不定長、復雜關系、時態數據的時間序列等特點要求數據庫系統提供復雜結構或語義建模機制。

(2) 面向對象的時空數據模型可以建立自然的、充分表示現實世界地理空間的概念模型。通過多種語義抽象機制，可以采用與人們在科學認識模型中一致的方式表示地理空間，并以此來建立地理空間的數據模型。這種數據模型即可以表達人們對地理現象和地理性質認識的概念體系，按照人們自然思維方式中的分解和抽象機制來表示地理空間的結構和相應的各種復雜對象，又可以支持較完備的空間關系集的表示。

(3) 面向對象數據模型提供了概念模型到邏輯數據模型以至物理數據模型一致的表示方法，模型抽象的各個階段可以自然過渡，不需要人為地模型轉換，特別是概念模型和邏輯數據模型之間的界限變得模糊起來。也就是說人們在設計和使用地理信息系統時直接使用提供的數據定義語言。

由于面向對象時空數據模型具有以上的許多優越性，因此使用而向對象技術進行時空數據建模，發展時空對象數據模型將是時空數據建模的重要手段［7］。

2.2 面向對象的時空數據模型的概念模型

GIS-T數據中的時空信息可以用描述事件的五元組＜對象、時間、空間、事件、屬性>來描述時空模型，該概念模型中信息聯系如圖2所示。

模型各元組關系描述如圖3所示。

這種五元組的描述方式，顯式地描述了變化的五個方面，即變化主體、變化時間、變化地點、變化因由和變化的結果(量變)，同時也隱含地表達了地理信息的變化狀態質變的情況下，通過記錄變化的對象間接記錄狀態量變的情況，通過記錄屬性(專題)信息的變化間接記錄狀態。

該模型中時間從概念上可分為時間點(基于點的時間)和時間段(一個時間間隔)。當描述固定時間發生的事件時，時間是一個固定點的值，所描述的事件是一個時間點的事件。當記錄事件的發生、發展、消亡的過程時，采用的是記錄離散的時間點、地點、人物及重要的事件，從而達到記錄事件發生、發展、消亡過程的目的。據波粒二象性理論，在宏觀世界，時間是連續的，在微觀世界，時間也是由時間粒子組成，也就是說連續的時間是由時間點組成的。相應地，對于地理實體可以用對象標識、時間點、空間定位、對象屬性、事件及其關系進行描述，而且整個描述可由對象標識進行關聯，這樣在量變時，可通過記錄一個對象在某時刻發生的事件、空間位置及屬性信息變化進行記錄，質變時則可以通過對象的改變和導致對象

改變的事件來記錄。

3 結 語

時空數據建模是研究領域的一個重要方向［8］。近年來，對時空數據的查詢統計、歷史分析、歷史再現、動態分析及趨勢預測等方面提出了更為迫切的要求，本文以動態分段技術為基礎，提出面向對象的時空數據模型［9］。動態分段是一種新的線性特征的動態分析、顯示和繪圖技術，極大地提高了GIS-T中線性要素的處理能力，然而，傳統動態分段技術在處理具有時態性線性數據時卻存在明顯的不足。為了體現數據的時空屬性，在動態分段的基礎上，采用面向對象的方式來建立時空數據模型。

參考文獻

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［11］Miller H J,Shaw S L.Geographic Information Systems for Transportation:Principles and Applications ［M］.Oxford:Oxford University Press,2001.

作者簡介黃少鑾 女，1983年出生，廣東汕頭人，碩士研究生。主要研究方向為軟件工程、信息系統。

熊盛武 男,1967年出生，湖北咸寧人，教授，博導。主要研究方向為數據挖掘與知識發現，智能計算，機器學習與模式識別，GIS，復雜系統建模理論與方法。