基于時空數據模型的歷史地圖集編制研究

張偉,梁寒冬,劉彬

(寧波市測繪設計研究院,浙江寧波 315042)

基于時空數據模型的歷史地圖集編制研究

張偉?,梁寒冬,劉彬

(寧波市測繪設計研究院,浙江寧波 315042)

針對歷史地圖集中編制對象的時空變化，探討了時空數據模型的構成要素，建立基于時間、位置和對象的歷史地圖集的時空數據模型，并從時間關系、空間關系、對象關系三方面對歷史地圖集的編制進行設計，促成了圖集編制工作的科學、合理、高效。以寧波歷史地圖集編制為例，通過地圖表達制圖區域的編制對象信息，又反映歷史時空變化信息，展現了寧波區域歷史上各朝代的疆域范圍及社會發展狀態。

時空數據模型；歷史地圖集；時空對象

1 引 言

寧波歷史悠久,是具有7 000多年文明史的“河姆渡文化”發源地。寧波文人薈萃,涌現了四明學派、陽明學派、浙東學派等文化名流。寧波的藏書文化深厚,天一閣是國內現存最古老的藏書樓,已有400多年的歷史,是亞洲現有最古老的圖書館和世界最早的三大家族圖書館之一。寧波以港興市,歷來是中外聞名的港埠。唐時已是與日本、朝鮮及東南亞國家通商的主要港口。但寧波卻沒有一部權威地圖集對這些內容進行全面反映。經寧波市政府批準立項,在“十一五”期間編制的《寧波市地圖集》,是第一部全面反映寧波市情的圖集。《寧波市地圖集》共分上中下三冊,其中中冊部分為歷史地圖集(以下簡稱圖集),是以地圖為載體,全面闡述了寧波歷史沿革、港口變遷、重大歷史事件、古跡遺珍、古蘊沿襲和名人等,上起先秦,末至今日,以地圖形式再現了寧波城市的歷史變遷。

目前各省市編制的歷史地圖集主要側重于從計算機制作的技術路線及對圖集中圖幅等屬性進行設計編制,并沒有將圖集作為一個時空系統進行研究,弱化圖集的時空特點,導致圖集資料整理與編制的工作效率低,數據管理水平低,重用性和移植性低。而歷史圖集的內容不僅和空間位置有關,還和時間有關,其編制對象會隨著時間的變化而變化。而時空數據模型是一種有效組織和管理時態數據、空間、專題、時間語義完整的數據模型,它不僅強調研究對象的空間和專題特征,而且強調這些特征隨時間的變化,既時態特征。為此,本文研究建立歷史地圖集編制的時空數據模型。

2 圖集的模型設計

2.1 時空數據模型

時空數據模型通常由數據結構、數據操作和完整性約束三部分組成[張祖勛等,1996]。傳統的時空數據模型強調對象的靜態描述,通常采用矢量或柵格的方式來描述空間數據。這種機制限制了如位移、變遷等動態信息的表達,不便于管理和表達圖集的歷史變化數據。所以,建立合理、完善、高效的時空數據模型是實現科學、合理編制歷史地圖集的關鍵。

時空數據建模的發展和計算機科學領域時態數據建模的發展是并行的,從時態成分和關系模型的結合,發展到和面向對象數據模型的結合。在這個發展過程中,國內外學者針對不同問題提出了很多時空數據模型。目前,典型的模型有時空立方體模型(Space-time Cube Mode1)、序列快照模型(Sequential Snapshots Mode1)、基態修正模型(Base State with Amendment Mode1)[3]、時空復合體模型(Space-time Composite Mode1)[3]、基于事件的時空數據模型(Event-Based STDM)、基于圖論的時空數據模型(Graph-based STDM)[6]、面向對象的時空數據模型(0bject-oriented STDM)[7]、多版本時空對象進化數據模型[4]、基于Petri Net的時空數據模型[5]、圖譜數據模型、基于特征的時空數據模型等。上述提出的各種時空數據模型在建模需求方面既各有優勢,又存在不足,學術上暫時沒有一個成熟的通用模型。這就需要我們根據現實世界中的時空對象具有其自身的特點以及時空變化具有其內在的因果聯系,選擇符合本圖集中時空對象變化的模型。

2.2 時空對象表達

本圖集是以時間為線索,以朝代為章節,各個專題為分節,詳細敘述了寧波本區域內自河姆渡以來的變化,重點表達了寧波歷史沿革變化(概況),港口變遷,歷史事件發生,古跡遺珍與古蘊沿襲的由來以及名人描述等,圖集結構如表1所示。

圖集結構 表1

從表1可以看出,本文要設計編制的歷史地圖集具有以下特點:①現實世界是連續性,編制的表達是離散的。文中是以朝代為章,事物的連續性以朝代為斷點；②一個編制對象存在前后因果關系,跨越幾個朝代甚至更多。如保國寺至漢以來,一直經過變化,保存至今；③無論朝代還是內容里的編制對象,都會以地圖為載體,以一個時間點表達出來。

因此,圖集中時空對象連續動作建模、多時間表達和復雜時空行為查詢都是時空數據建模時需要重點研究的問題。時空數據模型的設計不僅需要考慮模型的表達,還需要考慮時態數據的統一性等方面。盡管時空數據模型研究已取得了長足的進展,但在模型對象的表達、數據的統一性及模型的移植性等方面仍存在問題。本文設計編制的歷史地圖集時間跨度大,空間位置也在不斷變化,涵蓋的內容豐富多樣,可見單獨采用上述哪種時空模型進行圖集設計是不太確切,不完全的,因此,本文在面向對象的基礎上結合圖集的特點建立一種基于位置、對象和時間的時空數據模型。

圖集中各個章節的編制對象成為時空數據模型中的基本時空對象,根據時空對象的特點,每一個編制對象同樣具有時間屬性,空間屬性,相互關系以及非時空屬性等四要素,如圖1所示。

圖1 時空對象的變化過程

時空對象在歷史時間的逐步演變過程中,其所包含的要素信息也會呈現時空特點,為構造時空一體化數據模型,進而有效地組織和管理圖集中的編制對象,引入一個表達式,確切地對歷史圖集所含描述時空對象的屬性,空間和時間的語義等進行更完整的信息數據表達。因此,我們認為時空對象都是由空間(Space)、時間(Time)、屬性(Attribution)和關聯關系(Relation)四個基本要素構成的,可以用下面的式子進行表達:

其中E代表時空對象；S代表時空對象的空間體系,由空間尺度,空間坐標(X,Y,Z)和空間關系構成；T是時間體系,由時空對象的時間尺度,時間坐標和空間目標隨時間發展的關系構成；A為時空對象的屬性體系,由時空對象在給定空間范圍和時間下的數量、大小和質量等描述構成；R為時空對象之間的關聯性,指空間體系、時間體系、屬性體系之間的密切聯系。從而,本文認為應從時間,空間和對象三方面考慮,建立基于時間、位置和對象的歷史地圖集的概念數據模型。

2.3 圖集模型建立

上述表達式形象地反映了圖集中編制對象的時空特點,所謂圖集中的編制對象是指如圖集中港口、古跡遺珍、古蘊沿襲、人物等在歷史時空中真實存在的物體。建立的基于位置、對象和時間的時空數據模型記錄這些對象隨著時間變化的不同的狀態,把每一個編制對象理解為一時空對象,隨著時間的變化不斷改變該對象空間結構的狀態通過地圖表達出來；此外,時空對象的空間結構和屬性都隨之變化,并自上而下地傳遞著相應的空間結構和信息。因此,本文建立基于位置、對象和時間的歷史地圖集的時空數據模型,如圖2所示。

圖2 基于時間、位置和對象的歷史地圖集的時空數據模型

模型中假定時空對象在Ti時刻和Ti+1時刻均存在且發生了變化,所對應的狀態在相應的地圖中表達出來。在該模型中一個時空對象從出現到消亡只用一個對象進行描述,并不需要每次變化都用一個新的對象,這樣大大減少了編制該對象時所要花費的時間。同時,對象的描述以時間軸為中心,對象的空間結構的變化記錄在時間軸的某一個點上,從該點開始到下一個空間變化點為止的時間段內,該空間結構被認為是該對象的有效空間結構,屬性改變的描述同樣發生在某個時間點上。

3 圖集編制

依據本文建立的基于位置、對象和時間的歷史地圖集的時空模型,結合圖集所要編制的圖集結構和圖集內容,將分別從時間關系、位置關系、對象關系三方面對圖集進行編制。

3.1 基于時間編制

本文編制的歷史地圖集上下跨度七千多年,上自河姆渡時期,下至新中國成立后。時間上既有連續的時間變化,也有斷代的時間間隔。根據寧波地方志記錄的信息,再結合編制圖集的需要,從時間上共設置11章,并用時間事件TimeEvent(TimeID、TimeRange、ChaoDaiShiQi)來控制圖集編制中時空對象在時間上變化的表達,如表2所示。

時間關系約束 表2

3.2 基于空間編制

圖集編制中,對于編制對象的空間變化,主要體現在地圖上時空對象的位置標注,通過空間事件SpaceEvent(EID,MapID,X,Y,Z)來控制圖集編制中時空對象在空間變化上的表達,其中Map ID由時間TimeID和圖集中ChaoDaiShiQi的地圖類別LbMap ID組成,如表3所示。

地圖類別對照 表3

因而時空對象在空間上的約束表達如表4所示。

空間關系約束 表4

在圖集編制時,時空對象必須相應地歸為對應的ChaoDaiShiQi和LbMap,所以在實際編制過程中,要割斷事物的連續性,選取時空對象起源時或發展最高時,進行離散性表達,以保國寺為例,保國寺起源于東漢。EID為46,是第46個時空象；Map ID為34(TimeID為3,LbMap為4),意為在秦漢時期時的古跡遺珍示意圖上表達,其寧波本地空間坐標為X46,Y46,Z46。

3.3 基于對象編制

圖集中對象的表達,除了上述中EID標記外,還有其屬性信息、圖片等多媒體信息,通過對象事件EntityEvent(EID,AttributeID,PictureID)控制時空對象的表達,如表5所示。

對象關系約束 表5

綜上所述,圖集中編制對象作為模型中的時空對象通過基于時間關系,空間關系,對象關系三個方面的約束表達(如圖3所示),由整體到局部都規范了圖集的編制過程。因而在圖集編制的實例過程中,在本文建立的時空數據模型上將圖集所需要編制的對象,作為一個實體的時空對象,沿著時間這條主線變化,建立圖集編制時態示意圖(如圖4所示),完成圖集所有章節的編制工作。在此指導下圖集的編制工作大大縮短了編制時間,達到了預期目的,同時,驗證了本文建立模型的可行性。

圖3 編制對象的表達

圖4 圖集編制時態示意圖

4 結 論

歷史地圖集的編制是一項繁雜、浩大的工作,如何使圖集的編制工作科學、高效、合理一直是地圖編制工作者們的探討和研究的重點課題。本文通過描述圖集對象的時空狀態的變化,建立了基于時間、位置和對象的時空數據概念模型,并在模型的框架下,將圖集的編制工作分別從時間關系、空間關系、對象關系三方面進行編制控制,從而將時空對象及其附屬信息準確地在相應的示意地圖上表達出來,節省了圖集的編制時間,達到了預期的效果,也為后期圖集的電子信息化提供了必要的模型支持。但是,本文中歷史地圖集通過時空模型來表達只是針對寧波區域的研究,要建立通用模型還有很多的因素要考慮。

[1] 劉志強，孫雁，朱寒.城市歷史地圖集的編制設計研究——以《沈陽地圖薈萃》圖集為例[J].城市勘測，2011 (8)：114～115.

[2] 王丹，趙麗榮，張東升.歷史地圖編輯設計探討[J].測繪與空間地理信息，2009(12)：206～211.

[3] 姜曉軼，周云軒.從空間到時間——時空數據模型研究[J].吉林大學學報·地球科學版，2006，36(3)：480～485.

[4] 余江峰，馮學智，林廣發，等.多尺度時空數據的集成與對象進化模型[J].測繪學報，2005，34(1)：71～77.

[5] 黃照強，馮學智.時空數據表達研究[J].計算機應用研究，2005(9)：l9～24.

[6] D JWilcox，M CHarwell，R JOrth，eta1.Modeling dynamic polygon 6bjects in space and time：A new graph-based technique[J].Cartography and GIS，2000，27(2)：153～164.

[7] 舒紅，陳軍，杜道生等.面向對象的時空數據模型[J].武漢測繪科技大學學報，1997，22(3)：229～233.

Research on Compile Historical Atlas of Spatio-temporal Data M odel

Zhang Wei,Liang Handong,Liu Bin
(Ningbo Institute of Surveying＆Mapping,Ningbo 315042,China)

In this paper,the temporal and spatial variation of the concentration of objects for historical atlas to explore the elements of the temporal datamodel,and establish spatio-temporal datamodel based on time,location and objects.Then from time,spatial relationships,object-relational to design historical atlas,contributed to atlas for the preparation of scientific,rational and efficient.As compiling ningbo historical atlas,both the objectof representing the drawing area,and the changes in historical time and space,to show the territory of the dynasties in the history of the ningbo area range and social development of the state by the expression of themap.

spatio-temporal datamodel；historical atlas；spatio-temporal object

1672-8262(2013)06-122-04

P285.2+1

A

2013—05—08

張偉(1986—),男,助理工程師,主要從事于地圖學與地理信息系統的研究與開發。