時(shí)態(tài)GIS的面向過程語義與HAS表達(dá)框架

謝 炯,薛存金,張 豐

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100101;2.中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心,中國科學(xué)院數(shù)字地球科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100191;3.浙江大學(xué)地理信息科學(xué)研究所,浙江杭州 310027）

時(shí)態(tài)GIS的面向過程語義與HAS表達(dá)框架

謝 炯1,薛存金2,張 豐3

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100101;2.中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心,中國科學(xué)院數(shù)字地球科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100191;3.浙江大學(xué)地理信息科學(xué)研究所,浙江杭州 310027）

分析認(rèn)為時(shí)空過程語義兼具連續(xù)體和偶發(fā)體的雙重特性,是對現(xiàn)實(shí)世界地理過程的簡化與抽象表達(dá)。針對對象建模視圖和基于事件模型不足以描述過程語義的缺陷,提出了一種顯式建模地理過程的 HAS表達(dá)框架,將過程視圖剖分為發(fā)生(Happenings）、動(dòng)作(Actions）與狀態(tài)(States）三域,分別描述時(shí)空過程的起因、行為過程和結(jié)果狀態(tài)。在土地利用管理系統(tǒng)中的應(yīng)用表明,其能較好地對土地利用變遷過程進(jìn)行表達(dá),能夠通過時(shí)空查詢實(shí)現(xiàn)對土地利用變遷過程的整體復(fù)原。

TGIS;時(shí)空過程;事件;因果關(guān)系;土地利用

物理世界的一切均是過程(Process）,如地理動(dòng)力原因產(chǎn)生的海洋蝸旋自然過程、人類活動(dòng)導(dǎo)致的土地利用變遷過程等[1]。建模地理過程是分析時(shí)空現(xiàn)象、提取時(shí)空高層知識(shí)的重要基礎(chǔ)[2,3]。縱觀時(shí)態(tài)GIS(TGIS）語義建模研究進(jìn)展,從靜態(tài)對象到快照序列,再到對象的變化序列和事件的發(fā)生序列,均在不同層次體現(xiàn)著過程化表達(dá)思想[2]。面向過程語義不僅要回答地理事物和現(xiàn)象在哪里、在何時(shí)發(fā)生了什么變化(W here,W hen,W hat）,還渴望回答變化為什么會(huì)發(fā)生(Why）、變化如何發(fā)生(How）等深層次時(shí)空語義問題[2-5]。由于過程語義的復(fù)雜性以及領(lǐng)域多樣性,GIS應(yīng)如何處理各種類型的地理過程來確保這些過程的顯著特性和行為得到表達(dá),仍未得以解決[6]。

本文首先從本體層次討論了過程語義及其建模方法,并基于此給出了一種對地理過程進(jìn)行顯式建模的HAS表達(dá)框架,并從語義與邏輯表達(dá)、數(shù)據(jù)組織與查詢、應(yīng)用實(shí)例等不同層次進(jìn)行了分析。

1 過程語義及其建模方法

1.1 過程語義的本體雙重特性

對象建模與事件/過程建模的本質(zhì)內(nèi)容是眾所周知的連續(xù)體(continuants）和偶發(fā)體 (occurrents）之間的區(qū)別[7,8],但同屬于偶發(fā)體的事件與過程概念的區(qū)分,目前尚無明確統(tǒng)一的界定。Galton認(rèn)為事件是固定的歷史事項(xiàng),不能被描述為經(jīng)歷變化,然而過程更像是能夠直接在某一時(shí)間呈現(xiàn),并隨時(shí)間延續(xù)而經(jīng)歷變化的普通對象[9]。Reitsma認(rèn)為過程是邏輯上相連的事件序列,并認(rèn)為過程能夠以與對象同樣的方式定義變化,即變化是過程在一個(gè)時(shí)刻和另一時(shí)刻之間的區(qū)別[10]。Dias等進(jìn)一步泛化了過程的表達(dá)內(nèi)容,認(rèn)為過程是一個(gè)考慮變化各個(gè)方面的更為寬泛的概念,包括描述引起對象演變的約束、條件和操作的細(xì)節(jié)[11]。

筆者分析認(rèn)為,過程兼具偶發(fā)體和連續(xù)體的雙重特性。這是因?yàn)?從產(chǎn)生機(jī)制角度,過程與事件類似,歸屬于偶發(fā)體,因?yàn)閮烧卟o絕對的界限,它們是在不同時(shí)空尺度上對事物發(fā)生現(xiàn)象的一種抽象,如更大尺度上可以看做是一個(gè)事件,在細(xì)粒度上蘊(yùn)含著一組過程;反之,一個(gè)更為宏觀的過程內(nèi)部包含諸多事件的發(fā)生,如過程的開始和結(jié)束本身就可以構(gòu)成事件。其次,過程又與對象類似,具有經(jīng)歷變化的可能性,而事件則更多作為一個(gè)固定的歷史情節(jié),一旦記錄就不再改變[9,10],因此,過程需要表達(dá)其變化與狀態(tài),具有連續(xù)體特性,如土地利用變遷是一個(gè)過程,它會(huì)呈現(xiàn)出變化的快慢和變遷的不同內(nèi)容。

1.2 已有建模方法與本文思路

由于TGIS從“靜態(tài)”描述對象的狀態(tài)發(fā)展而來,故長期以來,人們的注意力多集中于從對象建模視圖出發(fā),通過建模對象/場的狀態(tài)變化,反映局部動(dòng)態(tài)過程[3]。而事件與對象/場模型的結(jié)合,進(jìn)一步從事物發(fā)生角度豐富了過程語義。文獻(xiàn)[12]主要以轉(zhuǎn)變實(shí)體的一組過程來建模事件,其過程語義是對事件發(fā)生現(xiàn)象的描述。文獻(xiàn)[13]主要對網(wǎng)絡(luò)事件及其與對象狀態(tài)間的因果聯(lián)系進(jìn)行分類描述,雖提及過程概念,但未涉及過程語義的具體界定。文獻(xiàn)[7]提出了地理時(shí)空現(xiàn)象的面向事件表達(dá)方法,并建立了一套基于事件描述過程的形式化方法。國內(nèi)學(xué)者也基于事件模型給出了過程化表達(dá)方法[5,14,15]。

筆者分析認(rèn)為,過程存在的本體雙重特性決定了以對象為基礎(chǔ)的連續(xù)體建模框架,或以事件為核心的偶發(fā)體建模框架,均無法有效地表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界的地理過程。前者由于模型框架以對象為核心,故缺乏對事物發(fā)生機(jī)制及現(xiàn)象整體的描述能力,而基于事件模型雖能夠描述事物發(fā)生機(jī)制,但“事件為序”的事件鏈表達(dá)模式仍過于粗放[3,5,16,17]。一方面,地理時(shí)空現(xiàn)象的存在本身是一種地理過程而非簡單的事件組合;另一方面,事件作為固定歷史事項(xiàng)的“快照”,難以反映其背后發(fā)生的變化過程,如人們獲知某一事件,但對于事物經(jīng)過可能仍一無所知。

因此,對地理過程的表達(dá)需首先跳出靜態(tài) GIS的以“對象”為中心的建模視圖,將過程(或稱為時(shí)空過程）作為一個(gè)獨(dú)立的語義視圖進(jìn)行建模,使地理時(shí)空現(xiàn)象描述為內(nèi)含變化的一組過程,而不是經(jīng)歷變化的一組對象。其次,有必要對基于事件模型進(jìn)行擴(kuò)展,一方面將事件和過程作為多尺度建模事物發(fā)生現(xiàn)象的兩種不同抽象,另一方面,需進(jìn)一步對事件/過程的動(dòng)態(tài)關(guān)系進(jìn)行描述,通過關(guān)系語義回答事件/過程為何發(fā)生問題。最后,由于過程本體的雙重特性,對過程語義的表達(dá)需涵蓋事物的發(fā)生、變化與結(jié)果(狀態(tài)）3個(gè)基本層面,使之形成時(shí)空因果綜合體。

2 過程視圖的時(shí)空三域剖分

本文界定時(shí)空過程是對現(xiàn)實(shí)世界地理過程進(jìn)行簡化、抽象的結(jié)果,用于表達(dá)計(jì)算機(jī)世界中的地理過程。圖1為過程視圖(Process View）的 HAS表達(dá)框架,并以對象/場視圖作類比,假設(shè)建模現(xiàn)實(shí)世界某地理過程為時(shí)空過程P,則P可表示為以下時(shí)空三元組:

其中:H(Happenings）為發(fā)生域,建模過程的偶發(fā)體特性;A(Actions）為動(dòng)作域,建模過程作為連續(xù)體的變化特性;S(States）為狀態(tài)域,建模過程作為連續(xù)體所具有的狀態(tài)特性。

2.1 發(fā)生域

發(fā)生域描述過程如何發(fā)生,表達(dá)驅(qū)動(dòng)過程演變發(fā)展的動(dòng)因,其包含地理過程和事件兩類發(fā)生實(shí)體及兩者間存在的各類發(fā)生關(guān)系,BNF范式如下:

圖1 過程視圖的時(shí)空三域(HAS）剖分Fig.1 Spatio-temporal 3-domain division(HAS）of process view

其中:＜Geo Processes＞描述時(shí)空過程所對應(yīng)現(xiàn)實(shí)世界地理過程的發(fā)生屬性,可包括地理過程的名稱、類型及宏觀屬性等,如建模某管線鋪設(shè)工程,則本子域可記錄該工程項(xiàng)目的名稱、施工范圍和施工周期等信息。＜Events＞描述時(shí)空過程中所發(fā)生的系列事件信息,可包括事件的名稱、類型及各類屬性。事件在HAS框架中被定義為已發(fā)生的歷史事項(xiàng),是發(fā)生現(xiàn)象的一種快照式表達(dá),它和過程雖同屬于對發(fā)生現(xiàn)象的抽象,但由于純偶發(fā)體特性,故不具有變化和狀態(tài)。將發(fā)生現(xiàn)象建模為過程或事件與所需表達(dá)的時(shí)空尺度相關(guān),如管線鋪設(shè)過程可包含工程啟動(dòng)、竣工、驗(yàn)收等系列事件,但工程啟動(dòng)事件背后實(shí)際又經(jīng)歷了工程啟動(dòng)過程。＜Occurrent-relations＞描述以上發(fā)生實(shí)體之間存在的約束、因果、聚合等時(shí)空動(dòng)態(tài)關(guān)系。其中發(fā)生約束關(guān)系用于建模發(fā)生實(shí)體之間所含的制約或依賴關(guān)系,包括:1）時(shí)態(tài)拓?fù)浼s束,如灌注樁施工在地基開挖之后發(fā)生;2）空間拓?fù)浼s束,如管線接頭和管線具有空間連接關(guān)系,則當(dāng)管線接頭發(fā)生位移事件,將自動(dòng)觸發(fā)管線的位移事件;3）參照約束,如B以某種方式引用了A,當(dāng)A消亡,則B也消亡;4）條件約束,如只有當(dāng)風(fēng)力達(dá)到3級(jí)才能觸發(fā)某污染物的擴(kuò)散過程。發(fā)生因果關(guān)系用于建模發(fā)生實(shí)體間的時(shí)空因果關(guān)聯(lián),如水合物積聚過程引發(fā)燃油爆管事件是一種“過程→事件”的因果關(guān)聯(lián),而燃油爆管事件導(dǎo)致燃油的泄漏過程則是一種“事件→過程”的因果關(guān)聯(lián)。發(fā)生聚合關(guān)系則用于建模發(fā)生實(shí)體間所存在的整體與部分之間的關(guān)系,如原子過程聚合為復(fù)合過程,將過程在時(shí)間上的聚合看作一個(gè)事件等。

2.2 動(dòng)作域

HAS框架將已知的對象/場變化行為定義為動(dòng)作,通過動(dòng)作描述對象/場的變化邏輯,如管線對接動(dòng)作封裝了管線相互銜接并自動(dòng)加入閥門的變化邏輯。動(dòng)作域描述了過程中所參與對象/場的各類動(dòng)態(tài)行為,表達(dá)過程作為連續(xù)體所具備的變化特性,包含3類表達(dá)要素:動(dòng)作約束、動(dòng)作行為和最終形成的演變關(guān)系,其BNF范式為:

其中:＜Action-constraints＞描述對象/場實(shí)施變化過程中存在的限制或約束條件。例如,交通管理應(yīng)用中交通燈間隔控制的動(dòng)作約束、土地變更應(yīng)用中不能將道路拓寬到河流的動(dòng)作約束等。動(dòng)作約束更多反映實(shí)體自身變化特性,且此類約束按照文獻(xiàn)[12]的提法,屬于時(shí)間處于第二位的約束關(guān)系。＜Action-behaviors＞為動(dòng)作行為,描述對象/場變化過程中采用的模型或操作。例如,某渦旋對象在t1到t2時(shí)段內(nèi)的擴(kuò)張行為可采用動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行模擬;地塊間的合并動(dòng)作可采用基于某種規(guī)則的屬性合并操作等。＜Evolution-relations＞為演變關(guān)系,描述對象/場變化前后存在的各種質(zhì)或量的關(guān)系,如A變化為B和C的實(shí)體變化關(guān)系以及位置移動(dòng)了多少的空間變化關(guān)系等。

2.3 狀態(tài)域

狀態(tài)域描述過程各個(gè)階段所參與對象/場的屬、時(shí)、空狀態(tài)值,表達(dá)過程作為連續(xù)體所具有的狀態(tài)特性,反映過程不同變化階段的結(jié)果。狀態(tài)值雖然可取過程變化中的任何切片,但從時(shí)態(tài)語義上可區(qū)分為開始、中間和結(jié)束狀態(tài)(也可包含未來狀態(tài)）,BNF范式為:

式中:3項(xiàng)子域分別描述時(shí)空過程中特定動(dòng)作行為發(fā)生前、發(fā)生過程中及發(fā)生后所涉及的對象/場及其屬、時(shí)、空狀態(tài)值。

HAS框架的發(fā)生、動(dòng)作和狀態(tài)三域分別描述了過程的起因、行為過程和結(jié)果狀態(tài),涵蓋了事物的發(fā)生、變化與結(jié)果3個(gè)基本層面,且三域之間存在著緊密關(guān)聯(lián),即從三域之間的關(guān)系角度:發(fā)生是動(dòng)作的開始,也是導(dǎo)致動(dòng)作產(chǎn)生的原因,而動(dòng)作決定狀態(tài),最終導(dǎo)致狀態(tài)的改變,發(fā)生、動(dòng)作、狀態(tài)三域因果關(guān)聯(lián),使地理過程的表達(dá)形成一個(gè)時(shí)空因果綜合體。

3 過程視圖的邏輯表達(dá)框架

在三域語義剖分的基礎(chǔ)上,對地理過程的表達(dá)是一個(gè)從“現(xiàn)象整體→局部過程→原子變化”的遞推分解過程(圖2）。視圖的橫向上,通過對現(xiàn)象整體的逐級(jí)遞推分解,形成系列事件/過程的相互接續(xù)和更替過程;在視圖的縱向上,以“發(fā)生→動(dòng)作→狀態(tài)”的縱向因果鏈為序,表達(dá)了分解后的特定事件/過程所引發(fā)的動(dòng)態(tài)演變。

圖2 過程視圖的邏輯表達(dá)框架Fig.2 Logical representation framework of process view

3.1 復(fù)合事件/過程的遞推分解

假設(shè)以P代表復(fù)合過程,E代表復(fù)合事件,X代表復(fù)合分解后的過程或事件,以下給出基于發(fā)生約束關(guān)系的事件/過程分解表達(dá)式。

(1）基于時(shí)態(tài)拓?fù)浼s束的事件/過程分解表達(dá)式。采用 TDC(Temporal DeCompose）分解算子表示,參考EPL語言[18],劃分為以下類型:1）TDC(P/ E,continuity）=(X1,X2,…,Xn）;其中,continuity指接續(xù)發(fā)生,(X1,X2,…,Xn）為接續(xù)表達(dá)符,表示X1發(fā)生后緊接著X2發(fā)生、然后緊接著X3發(fā)生,…,依次類推。2）TDC(P/E,sim u ltaneity）=(X1&X2&…&Xn）;其中,sim ultaneity指同時(shí)發(fā)生,(X1&X2&…&Xn）為同時(shí)表達(dá)符,表示不同X在同一時(shí)刻或時(shí)段同時(shí)發(fā)生。3）TDC(P/E,disjunction）={X1,X2,X3,…,Xn};其中,disjunction指非同時(shí)發(fā)生,{X1,X2,X3,…,Xn}為相異表達(dá)符,表示非同時(shí)發(fā)生,但X1,X2,X3,…,Xn中至少一個(gè)發(fā)生。4）TDC(P/E,precedence）=[X1,X2, X3,…,Xn];其中,precedence指優(yōu)先發(fā)生,[X1, X2,X3,…,Xn]是次序表達(dá)符,表示一個(gè)松散的序列,X1發(fā)生后,X2發(fā)生,…,Xn發(fā)生。

(2）基于空間拓?fù)浼s束的事件/過程分解表達(dá)式。采用SDC(Spatial DeCompose）分解算子表示,統(tǒng)一表達(dá)式為:

其中:spatial_topo_rule為空間拓?fù)浼s束規(guī)則,“A spatial_topo_rule B”代表實(shí)體間需滿足的空間拓?fù)潢P(guān)系。例如,當(dāng)管線接頭發(fā)生移動(dòng)過程X1時(shí),由于空間連接拓?fù)浼s束規(guī)則而導(dǎo)致與之相連的管線對象發(fā)生移動(dòng)過程X2,且X1和X2構(gòu)成復(fù)合過程P。

(3）基于參照約束規(guī)則的事件/過程分解表達(dá)式:

式中:RDC(Referencial DeCompose）為基于參照約束規(guī)則的分解算子;“A ref B”代表實(shí)體A引用實(shí)體B;“A.attr ref B.attr”代表實(shí)體A的某一屬性引用實(shí)體B的某一屬性。

(4）基于條件約束規(guī)則的事件/過程分解表達(dá)式:

式中:CDC(Conditional DeCompose）為基于條件約束(一般采用布爾表達(dá)式）規(guī)則的分解算子。表達(dá)式含義為,對發(fā)生實(shí)體P/E實(shí)行基于條件約束規(guī)則的分解,其源發(fā)生實(shí)體為X1,當(dāng)條件boolean expresstoin成立,則進(jìn)一步導(dǎo)致X2的發(fā)生,否則導(dǎo)致X3發(fā)生。

3.2 動(dòng)作與狀態(tài)的邏輯表達(dá)

通過復(fù)合事件/過程的遞推分解最終獲得原子事件/過程,并由原子事件/過程驅(qū)動(dòng)原子動(dòng)作的執(zhí)行。其中,動(dòng)作的起因是特定類型的事件或過程,其執(zhí)行主體是對象/場,描述的是其時(shí)空變化的過程規(guī)約,采用的是事物行為而非結(jié)構(gòu)建模方法。其中,動(dòng)作約束的邏輯表達(dá)包含3個(gè)方面:

其中:＜Pre-conditions＞和＜Pst-conditions＞分別說明動(dòng)作執(zhí)行前后需要滿足的條件約束;而＜Constraint-rules＞用于定義動(dòng)作執(zhí)行過程中所需滿足的條件約束;＜Action-constraints＞可借助對象約束語言O(shè)CL進(jìn)行定義,通過程序邏輯進(jìn)行控制。

動(dòng)作行為的邏輯表達(dá)包含以下4個(gè)方面:

其中:＜Action-type＞描述動(dòng)作類型;＜Input-interface＞和＜Output-interface＞分別定義動(dòng)作執(zhí)行的輸入和輸出接口;＜Behavior-algorithm＞為行為算法,表示執(zhí)行時(shí)空變化的邏輯,表達(dá)的是時(shí)空變化的機(jī)制,如漸變的數(shù)理模型或突變的變更模型等;＜Action-behaviors＞一般在應(yīng)用建模時(shí)以活動(dòng)圖、流程圖等行為建模方法進(jìn)行定義,同樣需借助程序邏輯進(jìn)行控制。

通過動(dòng)作行為的輸出可以獲得變化前后對象/場的狀態(tài)信息(記錄于狀態(tài)域）與所需描述的演變關(guān)系。以下假設(shè)狀態(tài)域只關(guān)注變化前后的對象/場狀態(tài),則演變關(guān)系包含以下4個(gè)方面:

其中:＜Pre FIDs＞和＜PstFIDs＞為變化前后對象/場的唯一標(biāo)識(shí)集合;＜Relation-types＞表示所關(guān)注的演變關(guān)系類型,如體積增量、實(shí)體關(guān)系等;＜Relation-values＞表示演變關(guān)系的值,如體積增大 2倍,A對象變化為B和C對象等。

最后,狀態(tài)域中狀態(tài)值的邏輯表達(dá)可沿用傳統(tǒng)對象/場時(shí)空擴(kuò)展方法,如以＜Begin-states＞為例:

其中:＜FID＞為對象/場的唯一標(biāo)識(shí);＜Them aticdom ain＞和＜Spatia l-dom ain＞分別記錄對象/場的專題屬性和空間屬性;＜V I＞和＜D I＞為對象/場的有效時(shí)間和事務(wù)時(shí)間。

4 模型在土地利用管理中的應(yīng)用探討

4.1 土地利用變遷過程表達(dá)實(shí)例

假設(shè)建模“a開發(fā)區(qū)建設(shè)工程”復(fù)合過程(記Padev）可分解為道路拓寬(記Proad）、征地造機(jī)場(記Pair）和核心區(qū)建設(shè)(記Pcore）3個(gè)子過程所構(gòu)成的松散型序列:TDC(Pa-dev,precedence）=[Proad, Pair,Pcore]。以Proad為例,進(jìn)一步按條件約束進(jìn)行分解:CDC(Proad,w iden_w id th＞100 m）=[E] road_adm in(w iden_w id th＞100 m）?Proad_com p_change:Proad_attr_change,即Proad首先由道路拓寬行政事件[E]road_adm in所引發(fā)([]代表原子性）,且當(dāng)拓寬大于100 m時(shí),由該條件約束可知將引發(fā)道路復(fù)雜變更過程Proad_com p_change(道路由線變更為面,并更新相關(guān)屬性）。Proad_com p_change最后分解為接續(xù)發(fā)生的4個(gè)事件,即地塊分割、土地利用屬性變更、地塊合并及原線狀道路刪除,其分解表達(dá)式為:TDC(Proad_com p_change, continuity）=([E]parcel_sp lit,[E]land_use_change,[E]parcel_union,[E]road_delete）。

在發(fā)生域分解的基礎(chǔ)上,對以上分解獲得的原子事件/過程自動(dòng)觸發(fā)相應(yīng)的動(dòng)作。以[E]parcel_sp lit為例,其地塊分割動(dòng)作[A]parcel_sp lit如圖3所示。其中,＜Input-interface＞中Parcel Class為地塊對象的集合類,標(biāo)識(shí)動(dòng)作的執(zhí)行主體;Road Buffer為道路拓寬后的覆蓋區(qū)域,標(biāo)識(shí)分割對象;而該原子動(dòng)作行為算法的定制由動(dòng)作約束控制,即常規(guī)的地塊分割動(dòng)作包含3個(gè)步驟,即搜索分割線相交的所有地塊(Cross Parcel Search）、對相交地塊的分割(Parcel Divide）以及分割后新地塊的重新編碼(Parcel Recode）,但在道路拓寬過程中,該動(dòng)作附加了兩個(gè)動(dòng)作約束,其一為W iden-Constraint,語義上即道路拓寬不能拓寬到水系,實(shí)際限制了分割目標(biāo)對象的土地利用類型;其二是A rea-Constraint,即分割后地塊的面積不能小于系統(tǒng)閾值,以排除精度誤差。

圖3 道路拓寬過程中的地塊分割動(dòng)作Fig.3 Activity diagram of parcel division action in road-widen process

最后,動(dòng)作行為的輸出結(jié)果包含分割前后的地塊對象值及其映射關(guān)系。假設(shè)實(shí)體變化關(guān)系是所關(guān)心的演變關(guān)系類型,且分割前包含地塊Ⅰ和地塊Ⅱ,則演變關(guān)系即為:Ⅰ→Ⅰa和Ⅰb、Ⅱ→Ⅱa和Ⅱb,而地塊對象Ⅰ和Ⅱ的屬性值記錄為＜Begin-states＞,而Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb的屬性值則記錄為復(fù)合過程中的＜M id d le-states＞。

4.2 數(shù)據(jù)庫建模與系統(tǒng)實(shí)例

以上對土地利用變遷過程的表達(dá)是建立新型土地利用管理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)。筆者研制了LandEx土地利用現(xiàn)狀管理信息系統(tǒng),對以上模型進(jìn)行了實(shí)現(xiàn),圖4為數(shù)據(jù)庫模式框架,其通過擴(kuò)展 A rcGIS Geodatabase模型實(shí)現(xiàn)。其中Occurrients表和Occurrients-relation表分別記錄發(fā)生實(shí)體信息及其發(fā)生約束關(guān)系,其中O ID唯一標(biāo)識(shí)每一發(fā)生實(shí)體。Action-definition表和 Evolution-relation表分別預(yù)定義系統(tǒng)的每一個(gè)原子動(dòng)作和記錄動(dòng)作執(zhí)行后形成的對象變化關(guān)系,其中A ID為動(dòng)作唯一標(biāo)識(shí),Act_type為動(dòng)作類型,Constraints記錄動(dòng)作約束,Interface記錄動(dòng)作組件的接口,Com ponent記錄動(dòng)作組件名稱。Parcel-hist/-p roc/-curr表則分別記錄歷史/過程/現(xiàn)時(shí)地塊對象的狀態(tài)。此外,可通過在發(fā)生表中添加Occu_type與動(dòng)作定義表中的Act_type建立“發(fā)生-動(dòng)作類型映射表”,控制當(dāng)特定類型事件/過程發(fā)生時(shí),觸發(fā)相應(yīng)類型的動(dòng)作,以實(shí)現(xiàn)兩域間的聯(lián)動(dòng)。

傳統(tǒng)變更模型由于變更的焦點(diǎn)置于對象,記錄的是對象狀態(tài)的變化,因此能夠?qū)ο蟮臍v史狀態(tài)進(jìn)行回放,但無法對土地利用變遷過程進(jìn)行復(fù)原。基于HAS框架可實(shí)現(xiàn)對“a開發(fā)區(qū)建設(shè)工程”中土地利用變遷的整體過程進(jìn)行復(fù)原,即首先通過查詢Occurrients表獲得每一主過程(如Pa-dev）的宏觀發(fā)生信息;然后借助該表中的SubO ID字段,可遞歸分解出各個(gè)層次的子事件和子過程,并通過聯(lián)合Occurrients-relation表獲知這些發(fā)生實(shí)體間的發(fā)生約束關(guān)系;進(jìn)一步通過查詢Action_defination表和Evolution-relation表,可獲知每一原子事件/過程引發(fā)了怎樣的時(shí)空變化,形成了怎樣的演變關(guān)系;最后聯(lián)合不同時(shí)相的對象狀態(tài)表,可獲知過程變化中所參與對象的狀態(tài)屬性。如圖5為環(huán)北開發(fā)區(qū)建設(shè)主過程所對應(yīng)的項(xiàng)目宏觀信息以及分解為系列變更子過程的查詢界面,且每一子過程記錄了對象的狀態(tài)變化。以上變遷行為過程的記錄一方面使用戶能夠從過程、事件、對象等不同視圖查詢和分析時(shí)空現(xiàn)象,另一方面,使歸屬于同一變遷過程的系列變更操作實(shí)現(xiàn)整體歷史回退成為可能,如圖6為某村劃歸主過程進(jìn)行整體歷史回退操作的界面。

5 結(jié)語

本文針對對象建模視圖和基于事件模型不足以描述過程語義,提出了一種顯式建模地理過程的HAS表達(dá)框架,其改進(jìn)之處主要包括3方面:1）對過程與事件概念進(jìn)行了區(qū)分,將過程作為一個(gè)獨(dú)立的語義視圖加以描述;2）以過程兼具連續(xù)體和偶發(fā)體的雙重本體特性為依據(jù),探討了從過程的發(fā)生、動(dòng)作與狀態(tài)三域建立地理過程表達(dá)框架的思路;3）從語義層次討論了事件/過程之間存在時(shí)空動(dòng)態(tài)關(guān)系,并嘗試將行為建模融入時(shí)空表達(dá)框架,以更好地回答如何變化(How）問題。HAS框架在土地利用管理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用表明其可行性與應(yīng)用價(jià)值。

由于過程建模的復(fù)雜性,本研究仍具有局限性,時(shí)空動(dòng)態(tài)關(guān)系表達(dá)等內(nèi)容還待深入,框架整體還需借助數(shù)學(xué)模型做更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男问交枋?且考慮到過程的領(lǐng)域多樣性,有待在其他地學(xué)應(yīng)用中得到驗(yàn)證和完善。

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Process-Oriented TGISSeman ticsand HAS Representation Framework

XIE Jiong1,XUE Cun-jin2,ZHANG Feng3
(1.State Key Lab of Resource and Environment Information System,Institute of Geographical Science and N atural Resources,CAS,Beijing 100101;2.Laboratory of Digital Earth Science,Center for Earth Observation and Digital Earth, CAS,Beijing 100191;3.Institute of Geographic Inform ation Science,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China）

Modeling geographic p rocess is the key foundation fo r analyzing geographic spatio-temporal phenomenon and abstracting spatio-tempo ral high-level know ledge.Semantics of spatio-tempo ral p rocess are analyzed,w hich are simplified and abstract rep resentation of realwo rld geographic p rocessand have both characteristicsof continuantsand occurrents.To solve deficiencies of p rocess semantics rep resentation based on objectmodeling view and eventmodel,an exp licit rep resentation framework of geographic p rocess named HAS is p roposed in this paper,w hich divides p rocess view into 3-domainsof Happenings-Actions-States to describe causes,behavioral p rocesses and result states of p rocess respectively.The concept of p rocess and 3-domains definition of p rocess are discussed,and the decomposition exp ressionsof p rocess/event based on temporal topology constraint,spatial topology constraint,referencial constraint and conditional constraint are p roposed.Besides,the modeling case,database schema and system imp lementation of land use change p rocess are p resented,w hich show that HAS is good fo r rep resentation of land use change p rocesses,and the land usemanagement system based on HAS can recover w hole land use change p rocess by spatiotempo ral queries.

TGIS;spatio-temporal p rocess;event;causal relation;land use

P208

A

1672-0504(2011）04-0001-07

2011-03-08;

2011-04-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40801162、40676096、41001227）;浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(Y5090130）

謝炯(1977-）,男,博士,主要從事時(shí)空數(shù)據(jù)建模與空間數(shù)據(jù)管理技術(shù)研究。E-mail:xie_jiong@163.com