基于時空本體的智慧城市交通信息關聯一體化管理

徐躍躍 ，李景文，胡泊，陸妍玲

(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(桂林理工大學)，廣西桂林 541004)

1 引 言

時空數據模型作為時態地理空間數據特征的抽象，是人們認識和表達現實世界地理現象的方法和手段，是GIS 空間數據組織和數據處理算法設計的基礎［1～2］。隨著智慧城市建設和城市信息化的快速發展，時空數據模型對地理實體的描述和地理信息的邏輯表達提出了更高的要求。近年來，眾多學者從GIS 語義數據模型、面向實體時空數據模型、面向對象的時空數據模型等方面進行了深入的研究，在一定程度上解決了數據的組織、存儲及共享問題［3～6］。這些模型主要從數據及語義模型的存在問題出發，重點突出數據的組織存儲研究，但缺乏對地理實體的語義及邏輯結構的表達，不同系統間易造成語義理解誤差甚至錯誤，不能很好滿足各行各業對地理信息共建共享的需求。基于此，本文以本體為主線，構建了基于本體的時空數據模型，并對智慧城市交通數據的組織管理模式進行了研究，為智慧城市建設、城市空間信息的管理、交換和共享機制建設提供了借鑒。

2 時空本體模型構建

基于本體的時空數據模型把地理現實抽象成地理實體及實體間的邏輯關系，其邏輯模型的構建主要包括實體的組織表達及本體的建立兩個方面。

2.1 地理實體的表達

地理實體的構成具有多樣性，利用面向對象的基本表達地理實體的特征，既可以反映其獨有的時間信息、空間信息、屬性信息和操作方法，也可以表達地理實體之間的時空語義關系。因此，地理實體對象可用以下四元組來表達［7］:

O={ID，A，R，M}

其中，ID 是地理實體對象的唯一標識碼;A 表示對象的屬性，A={TA，SA，TA}，TA 是時間屬性，SA 是空間屬性，TA 是專題屬性;R 表示對象的關系，R ={TR，SPR，SIR}，TR 是時間關系，SPR 是空間關系，SIR是語義關系;M 是對象所具有的操作和方法。

2.2 時空本體的建立

時空本體是描述時空對象的概念以及概念間關系的一種形式化規范體系，是實現時空信息共享與重用的一種標準性工具，它可以對時空對象進行特征分類［8］。時空本體由時空對象(objects)、鄰居(neighbors)、有限的狀態(stats)以及時空過程(process)所構成，并且能夠被形式化地表示為四元組的結構:

TSO=(Od，N，S，P)

公式中，TSO 是時空本體的簡寫;d 表示時空對象具有的維度，取值為正整數;O 表示時空對象所處的地理空間;N 表示時空對象的鄰居;S 表示時空對象具有的狀態組成的集合;P 表示一種過程變化的規則。

時空本體模型如圖1所示。

時空本體模型把地理現實抽象為地理實體，根據地理實體的概念以及概念間的邏輯關系構建地理時空本體，時空地理本體模型的核心是由時態、空間、屬性三個方面的特征構成的地理要素。時態特征的描述采用的是時間點、時間段或者二者相結合的方式，用圖1中時態模型來表示;空間特征包括實體所處的地理空間位置及其幾何形狀，如圖1中空間關系模型和幾何模型所示;屬性特征則是地理實體的其他非時空特征，在該模型中用元數據進行描述，如圖1中要素模型所示。

圖1 時空本體模型

在時空本體模型中，要素模型主要由要素、空間對象、位置描述以及元數據幾類組成。其中要素類是模型的核心，反映地理要素的概念以及位置和形狀方面的特征。要素的“形狀”反應了對象的空間特征，通過bounded By 屬性與幾何形狀的類(Geometry)關聯;要素的“位置”描述對象的地理坐標，與描述空間位置的類之間的關聯通過location 屬性實現。要素類是由其父類空間對象類(Spatial Thing)產生的，空間對象類主要對空間對象的屬性特征進行了描述，屬性特征與元數據類的關聯通過metadata 屬性實現。

時空本體模型中的幾何模型主要由位置坐標、基元圖形中的點、線、面、環等圖形及它們形成的聚合圖形。幾何模型中的基礎類是幾何坐標類，點圖形的表達可以采用三種地理位置坐標中的任一種。

時空本體模型中的空間關系模型的主要作用是為了表達拓撲關系、方位關系和距離關系三種空間關系，它的實現需要借助于OWL 本體描述語言里面的對象屬性。

時態模型是為了方便對地理空間信息的時間屬性進行組織表達，時間段和時間點都是構成時間本體的基元。對時間信息的描述有基于ISO 8601 標準的、GPS 時間、UNIX 時間、描述順序參考系統中某個時代參考的URI 值等等。時間段在時間上的位置表示用開始和結束的時間點來描述，它是表達時間范圍的一維幾何基元并采用OWL 語言進行描述;對地理實體的具體數據采用對象封裝的表達方式分層組織，本體和實體數據最終統一存放在Oracle Spatial 對象——關系數據庫中。

3 城市交通數據組織管理

在智慧城市交通系統建設中，交通數據是基礎，面對海量、時變、多源、異構的交通數據，如何對其進行綜合管理，并從中抽取相關的數據，進而形成所需信息以提供特定的應用需求，成為充分發揮交通數據資源應有作用的關鍵環節，因此迫切需要建立合理的數據模型和有效、統一的管理系統［9］。

3.1 城市交通本體構建

(1)城市交通實體的抽象

依據基于本體的時空數據模型建模方法，本文通過對城市道路交通實體進行概念化和抽象分層，如表1所示。

表1 城市道路實體的抽象

本文將城市交通本體的構建分為三個方面:城市交通實體類本體;城市交通時空語義關系類本體;城市交通邏輯關系類本體。

(2)城市交通實體類本體構建

根據本文提出的城市道路交通實體分類方法，城市道路的分類可用OWL 描述為圖2所示，其他類的描述方法類同。

圖2 城市道路交通實體類本體的OWL 描述

(3)城市交通時空語義關系類本體構建

時空語義關系本體用來描述道路實體間復雜的時空語義關系，例如道路實體間的方位關系可以描述為:

(4)城市交通邏輯關系類本體構建

邏輯關系是指城市道路實體之間的相互關系和城市道路各實體內部要素的關系，分為kind －of 和part －of 兩類。kind－of 類用于表示道路和路段、道路交叉口的關系，在OWL 中采用subClassOf 來描述;part －of 類主要描述路段和車行道、人行道、盲道、隧道、橋梁、道路附屬設施之間的關系，在OWL 中采用union－of 來描述。

道路與路段、道路交叉口的關系可以表示為:

路段與車行道、人行道、橋梁的關系可以表示為:

3.2 城市交通本體信息的管理

基于本體的時空數據模型將城市道路本體按照模型的要求存儲在Oracle Spatial 對象——關系數據庫中，每個道路實體占用一條記錄，圖形信息存放在SDO_GEOMETRY 字段中，數據庫表之間通過對象標識建立聯系［10］。

數據庫表主要包括道路表、路段表、道路交叉口表、道路附屬設施表以及道路實體關系表，其中，道路交叉口表和道路部件表存儲簡單對象信息;道路表和路段表不存儲對象的位置信息，只存儲組合對象信息和簡單對象的地址信息;道路實體關系表存儲實體間的邏輯關系，各表之間的關系如圖3所示。

圖3 城市道路信息的組織與管理

4 智慧城市交通信息關聯一體化管理

4.1 與基礎數據間的關聯

與基礎數據進行關聯以后的城市道路數據庫管理系統具有統一管理多種數據結構的特征，能夠綜合利用多種數據處理方法來滿足數據存儲管理、分析評價、查詢檢索、輸出表達等方面的要求。專題數據與基礎數據間的關聯分為物理關聯和邏輯關聯兩類。

(1)物理關聯

交通數據與基礎數據間的物理關聯即是采用統一的參考平面坐標系統，在基礎數據中準確地將交通數據的位置信息標識出來，實現基礎數據與交通數據在物理上的集成。通過物理關聯，交通部門的管理人員就可以檢索和定位所需路段的位置情況，如圖4所示。

圖4 交通數據間的物理關聯

從對象的橫向組織上來看，由于各種類型對象的數據在入庫以前都經過幾何配準，這就保證了它們的地理坐標和投影系統在空間位置上的匹配性，使所有空間對象都可以準確地集成在一起;從對象的縱向組織上來看，由于每個圖層中的空間對象都是以統一的參考平面坐標系統作為基準，確定并記錄了其坐標值，保證了不同圖層中空間對象相對位置的客觀性、現實性與一致性，有效地實現交通數據與基礎數據在物理上的集成。

(2)邏輯關聯

交通數據與基礎數據間的邏輯關聯是指通過關聯屬性這個橋梁來連接交通數據子庫和基礎信息數據庫中的數據信息，以實現雙方的信息交流和傳遞。通過關聯，能方便地將交通數據與基礎數據進行疊加分析，交通部門的管理人員可以查詢和分析所關心路段的交通信息和周圍的環境。

例如，交通部門對某路段進行項目改造時，需要了解該路段的路面結構、車道屬性和附屬設施建設情況等內容，可以通過該路段對象的唯一ID(212005001)調閱路段的基礎數據。當改造項目設計完成后，經辦人將該項目的項目編號(XT0772)與項目一起提交到交通數據庫和基礎數據庫中，在上級領導審批時，可以根據項目編號直接定位到該路段上，或根據該路段的屬性信息查詢其項目編號。

4.2 與其他專題數據間的關聯

在一種類型專題數據的管理和應用過程中，很多情況下需要用到或參考其他類型的專題數據，若參考與關聯的數據不符合應用標準，則需要修改或更新應用數據，專題數據之間的關聯只涉及邏輯關聯。

以交通類信息中的路段為例，當交通管理部門對一個路段的信息進行存儲時會給它分配一個關聯編號，如301103150，并將其與其他信息一起存入數據庫相應的表中，當規劃部門對此路段進行規劃時需要相應的路段類型、所屬位置、綠化帶范圍、附屬設施建設等信息作為該路段擴建、改建或拆除等規劃的參考，這時，規劃管理信息系統就需要取出該關聯編號301103150，并與規劃的其他信息一起存入數據庫表中。

5 結 論

隨著信息化進程的加快，海量異構數據不斷積累，不同領域由于觀察背景和視角不同，在空間數據的處理中，對同一地理實體往往采用不同的命名方法，缺乏統一的語義描述，使得信息的交流與共享產生了障礙，在浪費國家資源的同時也給智慧城市的建設帶來了很大的困難。基于此，本文采用基于本體的時空數據模型，對城市交通數據進行有效的組織，通過建立物理上和邏輯上的兩種關聯關系來實現城市交通信息關聯一體化的管理。同時也為解決不同領域間信息共享問題提供了新思路。

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