基于改進的基態修正模型時空數據組織方法

楊海蘭，李景文，張利恒，鄒文娟

(1.桂林理工大學測繪地理信息學院，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)

基于改進的基態修正模型時空數據組織方法

楊海蘭1，2?，李景文1，2，張利恒1，2，鄒文娟1，2

(1.桂林理工大學測繪地理信息學院，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)

針對傳統地籍時空數據庫管理中基態距與時間相關性較弱及歷史檢索效率低的問題，本文提出了一種復合型的基態修正時空數據模型。引用動態變粒度基態距因子來優化基態距，并通過改進超圖模型空間關系理論來簡化時空對象間的空間關系，更好地實現基態的動態更新，提高歷史檢索效率。

基態修正模型；時空對象；超圖模型；事件；過程

1 引 言

時態地理信息系統(TGIS)是能夠跟蹤和分析隨時間變化的空間與非空間信息的地理信息系統，相對傳統GIS系統，TGIS在對待空間數據上效率更高，時間內聚性更強，同時還方便于歷史回溯、變化監測和預測分析。本文所探討的地籍時空數據庫系統是時態地理信息系統(TGIS)的一個典型應用。目前為止，國內外有許多學者就地籍時空數據組織方面做出了大量的研究，比如:羅年學等探討了地籍信息系統中的時間問題[1]；劉義仁等研究了時空數據模庫基態修正模型的擴展[2]；李軍等利用繼承關系表和變更信息表來記錄宗地變化[3]。以上研究都有各自的適用范圍，但是建設更加高效的、用來回答和處理與時間相關問題的地籍時空數據庫，是目前形勢所趨。本文提出一種復合型的基態修正模型，通過引入動態變粒度因子來優化基態距，同時將超圖模型空間關系理論做出改進，用以簡化時空對象間的空間關系，前者解決時空數據存儲問題，后者解決時空數據組織問題，兩者的結合將更好地實現基態的動態更新和提高歷史回溯效率。

2 傳統基態修正模型的局限性

基態修正模型首先是由Peuquek和Duan[4]提出的，是時空數據庫模型的一種，它按照事先設定的時間間隔采樣，且只存貯某個時間的數據狀態(稱基態)和相對于基態的變化量(差文件)，這個過程不僅提高了時態分辨率，同時也減少了數據冗余量，如圖1所示。

在進行時空數據庫設計時，基態修正模型能夠較好的采用關系數據庫來記錄對象變更的親緣繼承關系[5]，并且能夠通過基態和基態距的動作關系在對歷史數據進行檢索時恢復任意時刻的歷史。然而，傳統基態修正模型很難處理給定時刻的時空對象間的空間關系，同時，在將整個地理區域作為處理對象時，采用傳統基態修正模型的處理方法難度較大，而且回溯效率低。因此，如何減少數據冗余及提高時空數據歷史查詢和分析效率，已成為許多學者研究的問題所在。

圖1 基態修正模型

3 基態修正數據模型的改進

在分析原有基態修正模型的基礎上，提出了復合型基態修正模型，分別利用動態變粒度基態距因子，來優化基態距，并確定基態矩閥值；同時對超圖模型空間關系理論進行改進，簡化時空對象間的空間關系，并更好地實現了基態的動態更新。

3.1 動態變粒度基態距因子

要改進傳統基態修正模型中歷史回溯效率低下的不足，一個關鍵的問題就是確定基態矩閥值。而閥值太小與太大都不可取，要想在數據記錄過程中不產生太多冗余，且提高歷史回溯效率，則需要根據數據變化量和查詢頻率來確定基態距閥值，同時適當記錄對象在變化過程中產生的若干個基態。基于動態變粒度的時空數據存儲模型正是基于這一思想設計而來的，如圖2所示。

動態變粒度基態距因子是指距離現在時刻越遠的基態之間的基態距越大，反之越小。因此，決定基態矩閥值的關鍵因素是數據變化更新數量和離現在時刻的遠近。要實現基態的動態更新，需要考慮的是動態基態矩閥值Ki及Ki與總差文件數Q之間的相關性。

圖2 動態變粒度基態修正模型新舊基態的更新過程

在此引入等比系數a(a＜1)，有公式:K2/K1=K3/ K2=K4/K3……=a，且Q=Ki/(1-a)，總差文件數Q值已知，通過取小樣本來確定a值，由此再得出動態基態矩閥值為:K1=Q×(1-a)，K2=Q×(1-a)×a，K3=Q×(1 -a)×a×a，…，等比系數a的引入實現了基態的自動更新。圖2所示的新舊基態更新過程中，總差文件數由Q值增大到Q1，q基2時的基態變成q′基2時的基態，它們之間的文件差便是舊基態變化成新基態的過程[6]。

3.2 時空對象的空間關系處理

時空對象的空間關系主要包括:相鄰、相接、相交、包含、相離等[7]。傳統基于基態修正時空數據模型的地籍管理中，數據存儲方式得以不斷優化，而基于時空對象空間關系的數據組織方法卻一直不能同步更新。根據時空對象的變化特征:產生→存在→消亡，可以將時空對象看做是一個事件對象從一種新生狀態到死亡狀態的過程，而基態就是時空對象的變化積聚到一定量的時候所產生的新事件對象，在發生變化這一時間段所經歷的過程定義為過程對象。

(1)事件、過程和時間的關系

事件是空間對象在時間軸上從一個狀態到另一個狀態的質變過程，且在時間軸上的順序表達了時空對象變化的時空過程；過程是通過分類或者抽象所得到的，是在邏輯上相連的事件序列。事件和過程產生作用的主體都是時空對象，它們在時空對象的生命周期中相互聯系和促進，當一個事件開始發生時，一個過程也隨即啟動，當時空對象經歷了若干個變化過程之后，對象狀態達到質變，這個事件便結束，因此每一個事件都可以看作由若干過程序列組成，事件與過程之間的關系可由公式(1)和圖3來表示[8]。

Event(i)={Process(1)，Process(2)，∧，Process (j)}，i=(1，2，∧，n)(1)

圖3 事件與過程的關系示意圖

(2)基于超圖模型的改進模型

將超圖模型引入時空數據模型已不是新概念，本文針對已有超圖模型空間關系理論對時空對象做出進一步定義:Os={基態碼、ID-t、對象屬性、關系、事件、過程}。

其所包含參數描述如下:

①ID-t是對象在整個變化過程中的唯一標識號；

②對象屬性包括空間屬性、非空間屬性和時間屬性?？臻g屬性對象的關系主要包括拓撲關系、方位關系和度量關系，它與非空間屬性有著存在和描述關系；空間屬性與時間屬性之間的關系指的是實體的空間屬性隨時間的變化而變化；時間屬性本身有方向和拓撲兩種關系，非時空屬性內部之間對事件信息進行描述，非時空屬性隨著時間的變化而變化，因此，這三者之間的關系直接影響時空對象的表達；

③關系直接用來記錄時空對象的空間關系；

④事件和過程用來記錄所做的操作過程及發生的事件，通過將事件和過程結合，來表達時空數據變化前后對象之間的關系和所發生的事件關聯關系，同時反映引起對象變化的時變序列及因果關系。

經過改進的超圖模型空間關系理論不僅描述了對象變化的基本信息，并且通過記錄變化的對象、事件和過程表達了變化前后對象之間的關系和所發生的事件關聯關系，同時反映了引起對象變化的時變序列及因果關系。模型的這幾個要素既概括了地理實體的空間特性、時間特性和屬性特性，又涵蓋了地理對象的空間、時間和屬性三個基本特征。

3.3 復合型基態修正時空數據模型

復合型基態修正模型的提出，目的是對傳統基態修正模型的不足進行改進:數據的歷史檢索效率低以及與時空對象的空間關系處理不好。改進后的模型作為一種存儲方法，通過建立動態變粒度基態距因子優化基態距的方法來設計存儲模型，并采用改進后的超圖模型來實現基態的動態更新，進一步解決傳統模型中存在的數據歷史檢索效率低和基態距與時間相關性較弱等問題。經改進的基態修正時空數據模型數據結構主要包括索引、空間對象和變更處理三部分，如圖4所示。

圖4 基于改進的基態修正模型數據結構框架

4 模型的時空數據組織方法

以地籍時空數據為例，根據地籍時空數據特征與地籍信息變化過程中的時態關系建立分級索引，首先建立基態庫與差文件庫，并在此基礎上建立四種地籍信息時空數據庫:現勢庫、事件庫、過程庫和歷史庫，如圖5所示。

圖5 基于改進的基態修正模型的地籍時空數據庫邏輯結構

①現勢庫是宗地信息處理過程中，更新確認后的時空信息數據，它反映的是操作對象的現狀時態的空間位置和屬性，是數據庫的當前操作對象，現勢庫中的對象一般作為基態；

②事件庫中保存地籍變更的事件，地籍變更事件發生時，事件庫就會記錄該事件的類型以及事件標識碼，事件的狀態與變化過程相互聯系和促進；

③過程庫存放的是兩目標基態之間的變化量，即差文件數。地籍時空數據庫中只保存對象的空間位置及屬性現狀，即隨后一次更新的數據狀態；

④歷史庫是當變更宗地數據入庫時的原宗地信息，也可以說是變化前的現勢庫信息。

現勢庫、事件庫、過程庫和歷史庫都通過宗地號和變更時間相聯，歷史庫和現勢庫存儲于基態庫中，事件庫和過程庫作為數據的變化量存儲在差文件庫中?；鶓B庫與差文件庫用宗地號相連。

5 結 語

通過復合基態修正模型建立地籍時空數據庫，使系統在有效管理地籍數據變更的同時，又能更好地解決傳統地籍管理系統中的數據冗余問題，進一步實現數據更新和提高歷史回溯效率。該模型作為一種存儲方法，可以很好地提高系統的查詢效率。

[1] 羅年學，潘正風.動態地籍信息系統中時態地籍數據庫的研究[J].測繪通報，2002(2):45～47.

[2] 劉仁義，劉南，蘇國中.時空數據庫基態修正模型的擴展[J].浙江大學學報·理學版，2000，27(2).

[3] 李軍，蘇國中，倪玲.地籍時空數據模型與宗地變更[J].測繪科學，2008，33(1):221～223.

[4] PeuquetD J，Duan N.An Event-Based Spatio-Temporal Data Model(ESTDM)for Temporal Analysis of Geographical Data[J].International Journal of Geographical Information System，1995，9(1):7～24.

[5] 劉仁義，劉南.基態修正時空數據模型的擴展及在土地產權產籍系統中的實現[J].測繪學報，2001，30(2):168～172.

[6] 李勇，陳少沛，譚建軍.基于基態距優化的改進基態修正時空數據模型研究[J].測繪科學，2007，32(1):26～29.

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

[8] 鄒文娟.基于事件—過程的時空數據模型構建方法研究[D].桂林:桂林理工大學，2012.

Design of Cadastral Database of Time and Space Based on Improved Ground State Correction M odel

Yang Hailan1，2，Li Jingwen1，2，Zhang Liheng1，2，Zou Wenjuan1，2
(1.College of Geomatic Engineering and Geoinformatics，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China；2.Guangxi Key Laboratory of Spatial Information and Geomatics(Guilin University of Technology)，Guilin 541004，China)

This article in view of the problem of the weakness between distance of base state and time within traditional cadastral spatio-temporal databasemanagement and the low history retrieval efficiency，puts forward the composite ground state fixed space time datamodel.Referencing dynamic variable size ground state distance factor to optimize the distance of base state，and simplify the spatial relationship between time and space objects by improving space relation theory of hypergraph model，so it will be better to realize dynamic renewal of the ground，and improve the efficiency of searching the history.

base state with amendments；distance of base state；hypergraph model；event；process

1672-8262(2013)04-9-03

P208.2

A

2012—11—07

楊海蘭(1987—)，女，碩士研究生，主要從事GIS理論和應用方面的研究。

廣西空間信息與測繪重點實驗室主任基金項目(2012年桂科能1103108-03)；廣西自然科學基金重點項目(桂科自2011GXNSFD018003)。