基于改進(jìn)的基態(tài)修正模型時(shí)空數(shù)據(jù)組織方法

楊海蘭，李景文，張利恒，鄒文娟

(1.桂林理工大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，廣西桂林 541004； 2.廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004)

基于改進(jìn)的基態(tài)修正模型時(shí)空數(shù)據(jù)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(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，廣西桂林 541004； 2.廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004)

針對(duì)傳統(tǒng)地籍時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)管理中基態(tài)距與時(shí)間相關(guān)性較弱及歷史檢索效率低的問(wèn)題，本文提出了一種復(fù)合型的基態(tài)修正時(shí)空數(shù)據(jù)模型。引用動(dòng)態(tài)變粒度基態(tài)距因子來(lái)優(yōu)化基態(tài)距，并通過(guò)改進(jìn)超圖模型空間關(guān)系理論來(lái)簡(jiǎn)化時(shí)空對(duì)象間的空間關(guān)系，更好地實(shí)現(xiàn)基態(tài)的動(dòng)態(tài)更新，提高歷史檢索效率。

基態(tài)修正模型；時(shí)空對(duì)象；超圖模型；事件；過(guò)程

1 引 言

時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)(TGIS)是能夠跟蹤和分析隨時(shí)間變化的空間與非空間信息的地理信息系統(tǒng)，相對(duì)傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)，TGIS在對(duì)待空間數(shù)據(jù)上效率更高，時(shí)間內(nèi)聚性更強(qiáng)，同時(shí)還方便于歷史回溯、變化監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)分析。本文所探討的地籍時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)(TGIS)的一個(gè)典型應(yīng)用。目前為止，國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者就地籍時(shí)空數(shù)據(jù)組織方面做出了大量的研究，比如:羅年學(xué)等探討了地籍信息系統(tǒng)中的時(shí)間問(wèn)題[1]；劉義仁等研究了時(shí)空數(shù)據(jù)模庫(kù)基態(tài)修正模型的擴(kuò)展[2]；李軍等利用繼承關(guān)系表和變更信息表來(lái)記錄宗地變化[3]。以上研究都有各自的適用范圍，但是建設(shè)更加高效的、用來(lái)回答和處理與時(shí)間相關(guān)問(wèn)題的地籍時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，是目前形勢(shì)所趨。本文提出一種復(fù)合型的基態(tài)修正模型，通過(guò)引入動(dòng)態(tài)變粒度因子來(lái)優(yōu)化基態(tài)距，同時(shí)將超圖模型空間關(guān)系理論做出改進(jìn)，用以簡(jiǎn)化時(shí)空對(duì)象間的空間關(guān)系，前者解決時(shí)空數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問(wèn)題，后者解決時(shí)空數(shù)據(jù)組織問(wèn)題，兩者的結(jié)合將更好地實(shí)現(xiàn)基態(tài)的動(dòng)態(tài)更新和提高歷史回溯效率。

2 傳統(tǒng)基態(tài)修正模型的局限性

基態(tài)修正模型首先是由Peuquek和Duan[4]提出的，是時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)模型的一種，它按照事先設(shè)定的時(shí)間間隔采樣，且只存貯某個(gè)時(shí)間的數(shù)據(jù)狀態(tài)(稱基態(tài))和相對(duì)于基態(tài)的變化量(差文件)，這個(gè)過(guò)程不僅提高了時(shí)態(tài)分辨率，同時(shí)也減少了數(shù)據(jù)冗余量，如圖1所示。

在進(jìn)行時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)，基態(tài)修正模型能夠較好的采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)記錄對(duì)象變更的親緣繼承關(guān)系[5]，并且能夠通過(guò)基態(tài)和基態(tài)距的動(dòng)作關(guān)系在對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索時(shí)恢復(fù)任意時(shí)刻的歷史。然而，傳統(tǒng)基態(tài)修正模型很難處理給定時(shí)刻的時(shí)空對(duì)象間的空間關(guān)系，同時(shí)，在將整個(gè)地理區(qū)域作為處理對(duì)象時(shí)，采用傳統(tǒng)基態(tài)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(shù)據(jù)冗余及提高時(shí)空數(shù)據(jù)歷史查詢和分析效率，已成為許多學(xué)者研究的問(wèn)題所在。

圖1 基態(tài)修正模型

3 基態(tài)修正數(shù)據(jù)模型的改進(jìn)

在分析原有基態(tài)修正模型的基礎(chǔ)上，提出了復(fù)合型基態(tài)修正模型，分別利用動(dòng)態(tài)變粒度基態(tài)距因子，來(lái)優(yōu)化基態(tài)距，并確定基態(tài)矩閥值；同時(shí)對(duì)超圖模型空間關(guān)系理論進(jìn)行改進(jìn)，簡(jiǎn)化時(shí)空對(duì)象間的空間關(guān)系，并更好地實(shí)現(xiàn)了基態(tài)的動(dòng)態(tài)更新。

3.1 動(dòng)態(tài)變粒度基態(tài)距因子

要改進(jìn)傳統(tǒng)基態(tài)修正模型中歷史回溯效率低下的不足，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題就是確定基態(tài)矩閥值。而閥值太小與太大都不可取，要想在數(shù)據(jù)記錄過(guò)程中不產(chǎn)生太多冗余，且提高歷史回溯效率，則需要根據(jù)數(shù)據(jù)變化量和查詢頻率來(lái)確定基態(tài)距閥值，同時(shí)適當(dāng)記錄對(duì)象在變化過(guò)程中產(chǎn)生的若干個(gè)基態(tài)。基于動(dòng)態(tài)變粒度的時(shí)空數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型正是基于這一思想設(shè)計(jì)而來(lái)的，如圖2所示。

動(dòng)態(tài)變粒度基態(tài)距因子是指距離現(xiàn)在時(shí)刻越遠(yuǎn)的基態(tài)之間的基態(tài)距越大，反之越小。因此，決定基態(tài)矩閥值的關(guān)鍵因素是數(shù)據(jù)變化更新數(shù)量和離現(xiàn)在時(shí)刻的遠(yuǎn)近。要實(shí)現(xiàn)基態(tài)的動(dòng)態(tài)更新，需要考慮的是動(dòng)態(tài)基態(tài)矩閥值Ki及Ki與總差文件數(shù)Q之間的相關(guān)性。

圖2 動(dòng)態(tài)變粒度基態(tài)修正模型新舊基態(tài)的更新過(guò)程

在此引入等比系數(shù)a(a＜1)，有公式:K2/K1=K3/ K2=K4/K3……=a，且Q=Ki/(1-a)，總差文件數(shù)Q值已知，通過(guò)取小樣本來(lái)確定a值，由此再得出動(dòng)態(tài)基態(tài)矩閥值為:K1=Q×(1-a)，K2=Q×(1-a)×a，K3=Q×(1 -a)×a×a，…，等比系數(shù)a的引入實(shí)現(xiàn)了基態(tài)的自動(dòng)更新。圖2所示的新舊基態(tài)更新過(guò)程中，總差文件數(shù)由Q值增大到Q1，q基2時(shí)的基態(tài)變成q′基2時(shí)的基態(tài)，它們之間的文件差便是舊基態(tài)變化成新基態(tài)的過(guò)程[6]。

3.2 時(shí)空對(duì)象的空間關(guān)系處理

時(shí)空對(duì)象的空間關(guān)系主要包括:相鄰、相接、相交、包含、相離等[7]。傳統(tǒng)基于基態(tài)修正時(shí)空數(shù)據(jù)模型的地籍管理中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式得以不斷優(yōu)化，而基于時(shí)空對(duì)象空間關(guān)系的數(shù)據(jù)組織方法卻一直不能同步更新。根據(jù)時(shí)空對(duì)象的變化特征:產(chǎn)生→存在→消亡，可以將時(shí)空對(duì)象看做是一個(gè)事件對(duì)象從一種新生狀態(tài)到死亡狀態(tài)的過(guò)程，而基態(tài)就是時(shí)空對(duì)象的變化積聚到一定量的時(shí)候所產(chǎn)生的新事件對(duì)象，在發(fā)生變化這一時(shí)間段所經(jīng)歷的過(guò)程定義為過(guò)程對(duì)象。

(1)事件、過(guò)程和時(shí)間的關(guān)系

事件是空間對(duì)象在時(shí)間軸上從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的質(zhì)變過(guò)程，且在時(shí)間軸上的順序表達(dá)了時(shí)空對(duì)象變化的時(shí)空過(guò)程；過(guò)程是通過(guò)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(guò)程產(chǎn)生作用的主體都是時(shí)空對(duì)象，它們?cè)跁r(shí)空對(duì)象的生命周期中相互聯(lián)系和促進(jìn)，當(dāng)一個(gè)事件開始發(fā)生時(shí)，一個(gè)過(guò)程也隨即啟動(dòng)，當(dāng)時(shí)空對(duì)象經(jīng)歷了若干個(gè)變化過(guò)程之后，對(duì)象狀態(tài)達(dá)到質(zhì)變，這個(gè)事件便結(jié)束，因此每一個(gè)事件都可以看作由若干過(guò)程序列組成，事件與過(guò)程之間的關(guān)系可由公式(1)和圖3來(lái)表示[8]。

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

圖3 事件與過(guò)程的關(guān)系示意圖

(2)基于超圖模型的改進(jìn)模型

將超圖模型引入時(shí)空數(shù)據(jù)模型已不是新概念，本文針對(duì)已有超圖模型空間關(guān)系理論對(duì)時(shí)空對(duì)象做出進(jìn)一步定義:Os={基態(tài)碼、ID-t、對(duì)象屬性、關(guān)系、事件、過(guò)程}。

其所包含參數(shù)描述如下:

①ID-t是對(duì)象在整個(gè)變化過(guò)程中的唯一標(biāo)識(shí)號(hào)；

②對(duì)象屬性包括空間屬性、非空間屬性和時(shí)間屬性。空間屬性對(duì)象的關(guān)系主要包括拓?fù)潢P(guān)系、方位關(guān)系和度量關(guān)系，它與非空間屬性有著存在和描述關(guān)系；空間屬性與時(shí)間屬性之間的關(guān)系指的是實(shí)體的空間屬性隨時(shí)間的變化而變化；時(shí)間屬性本身有方向和拓?fù)鋬煞N關(guān)系，非時(shí)空屬性內(nèi)部之間對(duì)事件信息進(jìn)行描述，非時(shí)空屬性隨著時(shí)間的變化而變化，因此，這三者之間的關(guān)系直接影響時(shí)空對(duì)象的表達(dá)；

③關(guān)系直接用來(lái)記錄時(shí)空對(duì)象的空間關(guān)系；

④事件和過(guò)程用來(lái)記錄所做的操作過(guò)程及發(fā)生的事件，通過(guò)將事件和過(guò)程結(jié)合，來(lái)表達(dá)時(shí)空數(shù)據(jù)變化前后對(duì)象之間的關(guān)系和所發(fā)生的事件關(guān)聯(lián)關(guān)系，同時(shí)反映引起對(duì)象變化的時(shí)變序列及因果關(guān)系。

經(jīng)過(guò)改進(jìn)的超圖模型空間關(guān)系理論不僅描述了對(duì)象變化的基本信息，并且通過(guò)記錄變化的對(duì)象、事件和過(guò)程表達(dá)了變化前后對(duì)象之間的關(guān)系和所發(fā)生的事件關(guān)聯(lián)關(guān)系，同時(shí)反映了引起對(duì)象變化的時(shí)變序列及因果關(guān)系。模型的這幾個(gè)要素既概括了地理實(shí)體的空間特性、時(shí)間特性和屬性特性，又涵蓋了地理對(duì)象的空間、時(shí)間和屬性三個(gè)基本特征。

3.3 復(fù)合型基態(tài)修正時(shí)空數(shù)據(jù)模型

復(fù)合型基態(tài)修正模型的提出，目的是對(duì)傳統(tǒng)基態(tài)修正模型的不足進(jìn)行改進(jìn):數(shù)據(jù)的歷史檢索效率低以及與時(shí)空對(duì)象的空間關(guān)系處理不好。改進(jìn)后的模型作為一種存儲(chǔ)方法，通過(guò)建立動(dòng)態(tài)變粒度基態(tài)距因子優(yōu)化基態(tài)距的方法來(lái)設(shè)計(jì)存儲(chǔ)模型，并采用改進(jìn)后的超圖模型來(lái)實(shí)現(xiàn)基態(tài)的動(dòng)態(tài)更新，進(jìn)一步解決傳統(tǒng)模型中存在的數(shù)據(jù)歷史檢索效率低和基態(tài)距與時(shí)間相關(guān)性較弱等問(wèn)題。經(jīng)改進(jìn)的基態(tài)修正時(shí)空數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包括索引、空間對(duì)象和變更處理三部分，如圖4所示。

圖4 基于改進(jìn)的基態(tài)修正模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)框架

4 模型的時(shí)空數(shù)據(jù)組織方法

以地籍時(shí)空數(shù)據(jù)為例，根據(jù)地籍時(shí)空數(shù)據(jù)特征與地籍信息變化過(guò)程中的時(shí)態(tài)關(guān)系建立分級(jí)索引，首先建立基態(tài)庫(kù)與差文件庫(kù)，并在此基礎(chǔ)上建立四種地籍信息時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù):現(xiàn)勢(shì)庫(kù)、事件庫(kù)、過(guò)程庫(kù)和歷史庫(kù)，如圖5所示。

圖5 基于改進(jìn)的基態(tài)修正模型的地籍時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)

①現(xiàn)勢(shì)庫(kù)是宗地信息處理過(guò)程中，更新確認(rèn)后的時(shí)空信息數(shù)據(jù)，它反映的是操作對(duì)象的現(xiàn)狀時(shí)態(tài)的空間位置和屬性，是數(shù)據(jù)庫(kù)的當(dāng)前操作對(duì)象，現(xiàn)勢(shì)庫(kù)中的對(duì)象一般作為基態(tài)；

②事件庫(kù)中保存地籍變更的事件，地籍變更事件發(fā)生時(shí)，事件庫(kù)就會(huì)記錄該事件的類型以及事件標(biāo)識(shí)碼，事件的狀態(tài)與變化過(guò)程相互聯(lián)系和促進(jìn)；

③過(guò)程庫(kù)存放的是兩目標(biāo)基態(tài)之間的變化量，即差文件數(shù)。地籍時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)中只保存對(duì)象的空間位置及屬性現(xiàn)狀，即隨后一次更新的數(shù)據(jù)狀態(tài)；

④歷史庫(kù)是當(dāng)變更宗地?cái)?shù)據(jù)入庫(kù)時(shí)的原宗地信息，也可以說(shuō)是變化前的現(xiàn)勢(shì)庫(kù)信息。

現(xiàn)勢(shì)庫(kù)、事件庫(kù)、過(guò)程庫(kù)和歷史庫(kù)都通過(guò)宗地號(hào)和變更時(shí)間相聯(lián)，歷史庫(kù)和現(xiàn)勢(shì)庫(kù)存儲(chǔ)于基態(tài)庫(kù)中，事件庫(kù)和過(guò)程庫(kù)作為數(shù)據(jù)的變化量存儲(chǔ)在差文件庫(kù)中。基態(tài)庫(kù)與差文件庫(kù)用宗地號(hào)相連。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)復(fù)合基態(tài)修正模型建立地籍時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，使系統(tǒng)在有效管理地籍?dāng)?shù)據(jù)變更的同時(shí)，又能更好地解決傳統(tǒng)地籍管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新和提高歷史回溯效率。該模型作為一種存儲(chǔ)方法，可以很好地提高系統(tǒng)的查詢效率。

[1] 羅年學(xué)，潘正風(fēng).動(dòng)態(tài)地籍信息系統(tǒng)中時(shí)態(tài)地籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)的研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2002(2):45～47.

[2] 劉仁義，劉南，蘇國(guó)中.時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)基態(tài)修正模型的擴(kuò)展[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)·理學(xué)版，2000，27(2).

[3] 李軍，蘇國(guó)中，倪玲.地籍時(shí)空數(shù)據(jù)模型與宗地變更[J].測(cè)繪科學(xué)，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(tài)修正時(shí)空數(shù)據(jù)模型的擴(kuò)展及在土地產(chǎn)權(quán)產(chǎn)籍系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2001，30(2):168～172.

[6] 李勇，陳少沛，譚建軍.基于基態(tài)距優(yōu)化的改進(jìn)基態(tài)修正時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2007，32(1):26～29.

[7] 舒紅，陳軍，杜道生等.面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型[J].武漢測(cè)繪大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，22(3):229～233.

[8] 鄒文娟.基于事件—過(guò)程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型構(gòu)建方法研究[D].桂林:桂林理工大學(xué)，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(yīng)用方面的研究。

廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任基金項(xiàng)目(2012年桂科能1103108-03)；廣西自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(桂科自2011GXNSFD018003)。