動態多基態變粒度時空修正模型在礦區地質環境中的應用

馬 龍，盧才武，顧清華

(西安建筑科技大學管理學院，陜西 西安 710055)

動態多基態變粒度時空修正模型在礦區地質環境中的應用

馬 龍，盧才武，顧清華

(西安建筑科技大學管理學院，陜西 西安 710055)

針對礦區地質環境污染面積動態變遷和實時監測問題，首先根據TGIS中的時間屬性表達特性，分別將時間粒度表達和變粒度時空存儲因子設計與現有的動態多級基態修正模型進行綜合集成表示，提出了一種動態多基態變粒度的修正模型，實現了時間粒度動態變化過程中多基態自動確立問題；其次結合某礦區地質環境面積變遷的時空數據特征，分別設計了時空數據庫的五庫結構和數據庫組織結構，實現了礦區地質環境面積變遷時空數據庫的邏輯和物理結構設計；然后通過結合TGIS和視頻播放器原理，實現了礦區地質環境面積變化場景的回放，并采用空間數據庫查詢語句實現了地質環境面積變化的超前預演；最后以某礦區地質環境數據為例，實踐表明：動態多基態變粒度的修正模型可實時監測礦區地質環境類型面積的變遷過程，增加了復墾區域的面積，實現了礦區地質環境面積變遷數據的存儲、再現和未來變遷的預演。

動態多基態；變粒度；修正模型；TGIS

Abstract： To solve the problem of dynamic changing and real-time monitoring of mining geological environment area,the dynamic multilevel base state and various granularities with amendments is proposed through time granularities and variable granularities storage factors are wholly integrated depending to the expression of time attribute in TGIS,so as to realize base state and history base state are quickly created in time granularities dynamic process.The five database structure and organization of spatiotemporal database are designed by combined with spatiotemporal data of a mining areas geological environment area,Then playback and advanced preview of area change scene are realized respectively by combing TGIS with video player and SQL.Finally spatiotemporal data of a mine geological environment type as example,the successful application states that the model can be real-timely monitored change of the geological environment areas,be improved the reclamation areas,and be realized the storage,reproduction and forecast of the mining geological environment area data.

Keywords： dynamic multilevel base state; various granularities; amendments model; TGIS

隨著GIS在地質環境領域應用需求的不斷增加，TGIS受到業界內的普遍關注[1]。目前在6類時空數據模型[2]中，多基態修正時空數據模型不能存儲所有微變狀態信息，具有存儲的冗余數據少，歷史點數據再現快速等特點，成為廣泛研究和應用的焦點[3-4]。

針對多基態修正時空數據模型的問題，不同學者從不同角度進行了研究。如劉仁義等針對用戶對特定時期的時態數據庫頻繁訪問，提出了多基態修正模型，應用區段和變粒度索引方法來提高時態查詢效率[5]；劉睿等引入動態基態數據存儲區的概念，提出了動態基態的時空數據基態修正方法[6]；張保鋼等針對歷史基態數據占用存儲空間大的問題，提出多基態多級差的時空數據基態修正改進方法[7]；王履華等采用雙向遞歸算法，提出了一種改進基態修正時空數據模型的表達方式[8]；霍亮等采用增量信息記錄方式，提出了基于基態修正模型的矢量數據增量更新機制，解決了矢量數據庫的數據更新和更新后歷史數據維護的問題[9]。

上述所解決的是對歷史數據的檢索和回朔效率問題。而變粒度時空對象的歷史基態距動態設立與再現要比等基態距數據檢索更有價值。因此，提出了一種動態多基態變粒度時空修正模型(dynamic multilevel base state and various granularities with amendments,DMBSVGA)，以TGIS在礦區地質環境變化中的應用為核心，實現多級變粒度歷史數據再現、預演以及動態過程展現。

1 TGIS時空數據模型

1.1 時間粒度的表達

TGIS中的時間要素是地理信息的本質屬性之一，它的描述對象是時空實體對象，其時空特性具有連續性。關于時間的認識觀點主要有兩類[10-11]。為便于表述研究的問題，對一些基本時間要素定義如下：

定義2：時態粒度：即時間的分辨率，記為rt。當t1-t2≤rt，即t1、t2均在rt內，則認為t1=t2；當t1-t2>rt，則認為t1≠t2。時間分辨率是事件記錄的最小單位，小于最小單位的時間即被記錄為時刻。

定義3：時刻gi:存在一個時間ti，當滿足條件U(ti)≤rt，則ti為時刻；當U(ti)>rt，則ti為時區。

定義4：時間區間tp：存在兩個時刻ti、tj滿足U(ti)≤rt，U(tj)≤rt，ti≠tj,則時間區間為tpti,tj。

1.1.5 排除標準 ①重復發表和未報道上述結局指標的研究；②綜述、信件、動物實驗、個案報道等非臨床研究；③未獲得文獻全文的相關研究。

1.2 變粒度時空數據存儲因子

在設計礦山地質環境監測的時空數據模型時，為提高時態數據的存儲和檢索性能，將地理事件的時間粒度細分到秒級，本文遵循學者唐常杰的三史制思想[12]，將三史制擴展為多史制，根據礦區地質環境面積時態元素變遷頻度，構建對應的變粒度索引因子K0，變粒度時間因子如圖1所示。

圖1 變粒度時間因子示意圖

1.3 動態多基態變粒度修正模型

多基態修正模型會隨著時間長短的不同，使基態距的數量和歷史數據再現的時間增加，因此基態距閾值的確定需要綜合權衡存儲空間和檢索時間的開銷。假設要再現到圖2中歷史時刻T0的狀態，如果在T2時刻事件變化量較少且檢索頻度較小，則在其T2設立基態距，形成T1至T2的一個級差文件，由此T2時刻的歷史狀態只需根據級差文件獲得。基于上述思想，DMBSVGA模型如圖2所示，通過事件變化，形成一個變化的差文件，兩個差文件的數量構成基態距，最佳的基態距位置是由事件變化數量和檢索頻率分布位置決定。因此，對基態距影響因子分析后，將變化系數a(a≠1)引入該模型，判斷變粒度基態距閾值F的表達式如下

F=a×Δti

(1)

(2)

式中，X表示基態距；Δti表示ti時刻距離現在時刻的時間差；qi表示Δti時間內的差文件數；F表示基態距閾值；1表示設立基態距；0表示不設立基態距。

圖2 動態多基態變粒度修正模型

2 DMBSVGA時空數據庫設計

2.1 礦區地質環境時空數據特征

在露天礦采掘活動過程中，礦山地質環境類型的面積變遷具有時空動態變化特征，面積的變更主要是由污染區域向治理區域的轉移過程，具體存在以下6種變更情況：①復墾區C和廢棄基坑F地質環境面積不變，開采基坑A和排土場B面積減少，工業區D、積水區E面積增加；②廢棄基坑F面積不變，排土場B和復墾區C面積減少，開采基坑A、工業區D、積水區E面積增加；③廢棄基坑F面積不變，工業區D和復墾區C面積減少，開采基坑A、排土場B、積水區E面積增加；④復墾區C和廢棄基坑F面積不變,工業區D和積水區E面積減少，開采基坑A和排土場B面積增加；⑤復墾區C和工業區D面積不變，積水區E和基坑F面積減少，開采基坑面積A和排土場面積B增加。礦區地質環境面積在T0～T5時間內的變化情況如圖3所示。圖中的陰影面積的變化表示礦區地質環境的變化幅度，不同的圖案表示不同的礦區地質環境面積的變更情況。

圖3 礦區地質環境面積變遷示意圖

2.2 時空數據庫設計

如果將地質環境面積作為事件的對象，將一次面積變化描述為一次事件，礦山地質環境面積變化則是記載面積在某個時刻發生的動作、空間位置與屬性信息變化的事件[13]。

在關系結構中，屬性域用于描述礦區地質環境區域對象的屬性信息；時空域用于描述對象的時空拓撲關系與空間屬性等；動作域用來描述事件發生的時間及動作。這三域之間的空間關聯關系可通過某個關鍵碼來標識并產生相互的影響。時空數據庫模型的信息關系表達結構如圖4所示。

在充分考慮礦區地質環境數據的特點及面積時空變化過程基礎上，本文所設計的時空數據庫包括過程庫、現時庫、歷史庫、檔案庫和基態庫，如圖5所示。其詳細描述如下：隨著開采過程的推進，礦區地質環境面積變化資料在受理過程中，時空數據信息暫時存儲在過程庫中，等待新增的地質環境面積變化確認后再存入現時庫，并對發生變化的基態時刻入庫到基態庫；將原始地質環境面積數據轉入歷史庫；在對礦區地質環境采取治理措施后，刪除現時庫中的面積變更資料，并歸檔到檔案庫中。

圖4 時空信息關系表達結構

圖5 時空數據庫結構

2.3 時空數據庫組織結構設計

以圖2所示的礦區地質環境面積變化過程為例說明基于DMBSVGA模型的時空數據組織結構與管理機制。如在T0時刻，礦區地質環境類型的區域面積發生了4個增長變化，并存儲在現時數據庫和相應的屬性表中，見表1，礦區地質環境類型面積的圖形信息存儲在空間域中，在空間域中，見表2，記錄了某礦4個區域面積的空間信息。

表1 礦區地質環境類型屬性表

注：面積編號是唯一標識碼，創建時間和結束時間構成了一個對象的生命周期。

表2 礦區地質環境類型區域面積變化表

注：表中Exmin、Eymin、Exmax、Eymax表示地質環境類型面積的空間坐標范圍，通過文獻[14]中公式計算。

礦區地質環境類型面積從T0～T1時刻，排土場區域面積增加，其區域面積變化的變粒度基態距記錄在歷史庫的類型區域修正表中，見表3。對于地質環境類型區域面積變化事件還需記錄事件變化的因果關系，并記錄在動作域表中，見表4。

表3 類型區域修正表

表4 動作域表

從T1時刻變化到T2時刻，動作域表保存在歷史數據庫中，T2時刻之后的修正量和動作域分別重新存儲在多基態表和動作域表中。

2.4 歷史數據再現與未來數據預演

2.4.1 歷史再現

歷史數據再現是對礦山地質環境面積變化的根源進行追蹤，將TGIS與視頻播放原理相結合，設計TGIS播放器，以動態演示的方式表達礦山地質環境區域面積變化的全生命周期過程。在播放過程中按變更時間進行排序，逐個顯示礦區地質空間環境面積變化的圖形信息，如圖6展示了T4(2011)廢棄基坑面積和T5(2012)積水區面積的歷史再現變化過程。TGIS播放器以變粒度和多個變長基態距為基礎，在不同的時間段內的粒度變化表示礦區地質環境面積的一次變更，對應播放器中一幀的變化場景。

2.4.2 未來預演

礦區地質環境類型面積變化的預演是對未來面積變化情形的超前可視化；如圖3中t2為一個歷史時刻，其變粒度基態距為K2，要想預測t3時刻后的未來狀態可用如下方法：如果當前狀態t3為該歷史時刻t2所屬的基態，首先需要根據基值t3和變粒度索引因子K3確定多基態修正區段，然后檢索t1～t2時刻面積變遷修正量，即可得到t3時刻的預測狀態。實際應用中，采用Oracle spatial數據庫語言實現，其中查詢條件設置為創建時間大于t2且消亡時間小于t3。

圖6 T4至T5時刻播放狀態

3 應用實例

3.1 研究區域概況與數據來源

某礦區位于內蒙古鄂爾多斯高原東部，晉陜蒙交匯地帶，地勢西高東低，屬于半沙漠的高原大陸性氣候區，面積約為220 km2。區域內正在開采的煤礦有20個，以露天開采為主，與礦業活動有關的生態破壞現象以草場退化和耕地占用為主，其次為水土流失和土地沙漠化[15]。以2007年5月QuickBird遙感影像與2012年7月WorldView2影像為數據源，基于ENVI和ERDAS等平臺，通過圖像處理，獲得3R2G1B正射影像，空間參考系設置為高斯-克里格投影、1980年西安坐標，糾正精度為0.5個像元內[16]。礦區地質環境類型主要由開采基坑、排土場、復墾區、工業區、積水區和廢棄基坑6類組成。某西部礦區地質環境現狀分布，如圖7所示。

圖7 西部礦區地質環境現狀分布圖

3.2 應用分析

以某礦區內20個露天礦為例，將遙感影像與采礦權矢量數據做融合分析[15]，提取出礦區地質環境類型專題信息，結合外場采集的數據，對判斷有誤的類型面積進行重新歸類；見表5，分別構造2007和2012年某礦區地質環境時空數據庫，繪制現狀分布圖，如圖8所示為20個露天礦礦區地質環境類型面積的變化和綜合變化動態度，特別是圖中圈定的礦區地質環境類型面積變化和動態度，可發現復墾區和工業區面積明顯增加。

表5 2007—2012年西部礦區地質環境類型面積變化

圖8 2007—2012年西部礦區地質環境類型面積示意圖

4 結 語

(1) 針對礦區地質環境污染面積動態變遷和實時監測問題，基于TGIS中的時間屬性特征和基態修正模型，提出了一種動態多基態變粒度時空修正模型，該模型能夠動態確定礦區地質環境面積變遷事件的基態距和歷史基態距，實現了礦區面積變遷事件過程的動態記錄。

(2) 針對礦區地質環境面積變遷的時空數據特征，設計了相應的時空數據庫結構，并結合TGIS和視頻播放原理，實現了礦區地質面積變遷場景回放和預演的可視化，提高了礦區地質環境面積的實時在線監測效率。

(3) 動態多基態變粒度時空修正模型的應用中需要綜合考慮TGIS、時空數據庫和可視化系統的兼容特性和監測數據的索引效率，如何將該模型與變粒度索引方法有效結合將是本文下一步繼續研究的方向。

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ApplicationofDynamicMultilevelBaseStateandVariousGranularitieswithSpatiotemporalAmendmentsinMiningAreaGeologicalEnvironment

MA Long，LU Caiwu，GU Qinghua

(School of Management,Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055,China)

P208

A

0494-0911(2017)09-0104-06

馬龍，盧才武，顧清華.動態多基態變粒度時空修正模型在礦區地質環境中的應用[J].測繪通報，2017(9)：104-109.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0298.

2017-01-23;

2017-06-29

國家自然科學基金(51404182)；陜西省重點學科建設專項資金(E08001)

馬 龍(1982—)，男，博士生，講師，主要從事時空數據庫、數字化礦山應用技術、TGIS等方面的研究。E-mail:malong1982@126.com

顧清華。E-mail:qinghuagu@126.com