一種基于事件—過程—狀態(tài)的時空數(shù)據(jù)模型應(yīng)用研究

鄒文娟 ，李景文，王芳

(1.桂林理工大學(xué)測繪地理信息學(xué)院，廣西桂林 541004;2.廣西空間信息與測繪重點實驗室，廣西桂林 541004)

1 引言

歷史地理空間數(shù)據(jù)與現(xiàn)實世界的其他數(shù)據(jù)一樣，會隨著時間的變化而具有不同的變化過程和狀態(tài)。傳統(tǒng)GIS只是描述了對象的一個“快照”，它反映事物在某一時刻的狀態(tài)，并沒有真正實現(xiàn)信息的空間、時間和屬性這三個要素的整合。而時態(tài)GIS通過在系統(tǒng)中增加對時間維的表達、分析能力，具有歷史分析與趨勢分析的功能［1］。時態(tài)GIS的核心是時空數(shù)據(jù)庫，建立時空數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)是時空數(shù)據(jù)模型，目前，無論是以事件為核心，還是基于狀態(tài)的時空數(shù)據(jù)模型，都沒有完全解決時空數(shù)據(jù)模型的三個關(guān)鍵技術(shù)問題:數(shù)據(jù)的冗余、更新，時空一體化，時空分析［2］。本文從時空語義表達的要求出發(fā)，通過分析事件、過程、狀態(tài)三者間相互關(guān)系，同時在分析歷史空間數(shù)據(jù)的時空特性的基礎(chǔ)上建立了基于事件—過程—狀態(tài)的時空數(shù)據(jù)模型。該模型為歷史信息的有機集成、共享管理以及決策分析提供了有效的時空數(shù)據(jù)組織方法與管理模式。

2 事件—過程—狀態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系分析2.1 相關(guān)定義

(1)事件

事件是空間對象在時間維上從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的質(zhì)變過程，每個事件代表一個狀態(tài)變化，事件在時間維上的順序表達了空間對象變化的時空過程。事件序列可表達為［3］:

式(1)中，EID表示事件Event(i)的標識號;ESTi表示事件的發(fā)生時刻;EETi表示事件的結(jié)束時刻;EAi表示事件的類型如屬性事件、空間事件等;EOi表示對事件其他方面的說明。以歷史政區(qū)變革為例，這一事件可分為歷史政區(qū)拆置，歷史政區(qū)合并以及歷史政區(qū)繼承等。

(2)過程

過程是基于分類或抽象所得到的邏輯上相連的事件序列。過程實質(zhì)上是時間軸上相鄰兩個狀態(tài)間的空間對象細化而成的多個具有特殊意義的操作，這些操作導(dǎo)致對象狀態(tài)從量的變化到質(zhì)的變化。過程序列可表達為［4］:

式(2)中，PID表示過程 Process(j)的標識號;{O1，O2，．．．，Om}表示過程變化前的空間對象實體集合;{O1，O2，．．．，On}表示過程變化后的空間對象實體集合;S表示過程的變化類型算子。實體本身的歷史變化，如政區(qū)變革、自然環(huán)境的變化、人口與民族的發(fā)展與沿革、經(jīng)濟文化的發(fā)展、城鎮(zhèn)變遷與規(guī)劃等皆為相關(guān)實體演變發(fā)展的時空過程。

(3)狀態(tài)

狀態(tài)是在一定的時間下地理實體客觀存在的形式，表達了對象相對恒定的過程。空間對象的存在是指在其生命周期內(nèi)從出生時態(tài)到死亡時態(tài)之間相對穩(wěn)定的一個過程。實體的狀態(tài)變化可用基態(tài)修正模型來表示，該模型將地理實體的最新狀態(tài)作為基態(tài)，每個歷史狀態(tài)都是相對于現(xiàn)在狀態(tài)的差值［5］。

圖1 基態(tài)修正模型的兩種方式(曹志月，2002)

式(1)將每個歷史時刻的實體狀態(tài)都直接與基態(tài)進行差運算，并記錄這些差值。式(2)將歷史上每一時刻的狀態(tài)與其前一狀態(tài)進行比較，記錄各個時刻間的狀態(tài)差值。

2.2 事件—過程—狀態(tài)之間相互關(guān)系

狀態(tài)是對事物某一時刻的描述，事件是事物狀態(tài)發(fā)生變化的原因。事件與事物狀態(tài)的關(guān)系可由式(3)來表達，在式(3)中，Si是事物的初始狀態(tài)，由于事件E的發(fā)生，引起事物內(nèi)部發(fā)生變化，使其由其初始狀態(tài)Si改變到新的狀態(tài)Si+1。

當(dāng)一個事件開始時，一個過程隨即啟動，經(jīng)過若干對象參與若干過程變化后，達到質(zhì)變，這個事件便結(jié)束，事件和過程的主體都是空間對象。每一個事件可以看作由若干過程的序列組成［4］:

因此可以得出結(jié)論，地理現(xiàn)象的演化過程在現(xiàn)實中表現(xiàn)為事件—過程—狀態(tài)的因果關(guān)系，事件、過程和狀態(tài)之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 事件、過程和狀態(tài)之間的相互關(guān)系

3 基于事件—過程—狀態(tài)的時空數(shù)據(jù)模型設(shè)計

3.1 歷史信息變化的時空特性分析

通過對歷史事件變革的分析，我們發(fā)現(xiàn)每一個事件都有一定的規(guī)律性:一個新的事物狀態(tài)(子狀態(tài))的產(chǎn)生，總是伴隨著一個舊的事物狀態(tài)(父狀態(tài))的消亡，即父子狀態(tài)關(guān)系具有空間上的相交性和時間上的相接性。那么歷史事件上的每個點都可以看作是在一個有效時間段(產(chǎn)生時間—結(jié)束時間)的空間存在，它具有唯一性。利用這種唯一性，我們便可以很方便的建立同一時間段類，不同空間實體間的屬性關(guān)聯(lián)，也可以比較父子空間狀態(tài)之間的復(fù)雜繼承關(guān)系。

以某市歷史政區(qū)變革為例，通過分析我們得出所有的狀態(tài)可以由分、合、繼承、新增等4種基本模式演變而來，如圖3所示。

圖3 歷史政區(qū)變革的基本模式

圖4包含了該市歷史政區(qū)變革的幾種典型過程變化模式［6］(分、合、繼承、新增)，T1表示歷史政區(qū)在 T1時間段政區(qū)初始狀態(tài)及其空間拓撲關(guān)系，Ti表示歷史政區(qū)在Ti時間段變化后的狀態(tài)及拓撲關(guān)系的演變結(jié)果，Ti－Ti+1表示歷史政區(qū)從Ti時間段到Ti+1時間段演變的過程;Ni表示在Ti時刻該政區(qū)的面積。

圖4 政區(qū)變革中幾種典型的空間拓撲變化模式

圖4中，從T1到T2歷史政區(qū)總體邊界沒有發(fā)生變化，但是內(nèi)部拓撲關(guān)系發(fā)生了改變，而且變化了的子拓撲可以和父拓撲通過一定的算法進行關(guān)聯(lián)。只要確定了子拓撲和父拓撲之間的不同演變模式，經(jīng)過一定的算法轉(zhuǎn)換即可很容易地在數(shù)據(jù)庫中關(guān)聯(lián)他們［7］。從圖 4 可知，N1={01+02+03+04+05+06+07+08+09}，N2={01+02+03+06+07+08+09+10}，由N1=N2即可推出:10=04+05，同理可以推出其他時間段中各個政區(qū)的拓撲關(guān)系。由于N1和N2是兩個確定的歷史政區(qū)拓撲體，內(nèi)部其他子區(qū)域在歷史政區(qū)體中的拓撲位置也是可以確定的，那么我們也就可以很方便地建立T1和T2時間中離散的行政區(qū)劃之間的聯(lián)系。

3.2 基于事件—過程—狀態(tài)的時空數(shù)據(jù)模型設(shè)計

從上文可知歷史政區(qū)變革也可以看成是幾個事件之間的狀態(tài)發(fā)生改變的過程。其事件序列如下:

這些事件表現(xiàn)在空間實體上是通過一系列的過程操作完成的，其過程序列如下:

狀態(tài)是對事物某一時刻的描述，而事物狀態(tài)發(fā)生變化是由事件差生的結(jié)果，其狀態(tài)序列如下:

從事件、過程和狀態(tài)在歷史信息中的分析應(yīng)用可知，基于事件—過程—狀態(tài)的時態(tài)模型主要包含事件類、過程類、狀態(tài)類。事件域和過程域描述時空變化的時間語義，如變化的原因、過程等;狀態(tài)域描述空間狀態(tài)語義信息，主要包含初始狀態(tài)和最終狀態(tài)。其中，E-vent Class為事件類，用于描述事件發(fā)生的時間、原因等，一個事件由若干過程組成;Process Class為過程類，描述過程類型、過程發(fā)生的前后時間等;State Class為狀態(tài)類，描述事件發(fā)生變化過程前后的狀態(tài)，比如空間信息和屬性信息等;Time Class為時間類，描述時間區(qū)間信息。

圖5 基于事件—過程—狀態(tài)的時態(tài)模型邏輯設(shè)計

4 基于事件—過程—狀態(tài)模型的時空數(shù)據(jù)組織方法

基于事件—過程—狀態(tài)模型的數(shù)據(jù)管理將空間幾何信息和屬性信息統(tǒng)一存儲到Oracle Spatial的SDO_GEOMETRY字段中。根據(jù)對象在整個變化過程中所處的狀態(tài)可以建立三個表達不同時態(tài)的數(shù)據(jù)庫:現(xiàn)狀庫、過程庫和歷史庫，如圖6所示。其中過程庫是由事件和過程共同引起的變化前后對象間的記錄數(shù)據(jù)，主要存儲對象各個變化時段的空間和屬性等數(shù)據(jù)，過程庫由過程表和事件表等表組成。在物理存儲上，主要通過建立事件表、過程表、狀態(tài)表之間的關(guān)聯(lián)以達到記錄和查詢的目的，如圖7所示。

圖6 地籍時空數(shù)據(jù)組織流程圖

圖7 基于事件—過程—狀態(tài)的時態(tài)模型物理存儲表

5 結(jié)論

本文從歷史信息在時間軸上的變化特性的角度，通過對引起事物特征變化的時變序列及深層次原因的分析，探討了基于事件—過程—狀態(tài)的時空數(shù)據(jù)模型的描述和表達方法，該模型的構(gòu)建能夠全面反映時空對象的演變過程以及這個過程中產(chǎn)生的各種因果關(guān)系;研究了基于該模型的時空數(shù)據(jù)組織方法和管理模式，該方法對歷史事件中的變更數(shù)據(jù)及時存儲，并保存引起事物狀態(tài)發(fā)生變化的系列事件和過程，不僅可以解決事件變更后的歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)勢數(shù)據(jù)的整合問題，而且能夠?qū)崿F(xiàn)基于時空變化語義的查詢和分析。

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