基于自定義模板的空間實體對象轉換方法研究

田志剛，張彥麗，趙韶沖

（1.黃河水文勘察測繪局，河南 鄭州 450045；2.黃委水文局，河南 鄭州 450004；3.菏澤黃河河務局，山東菏澤 274000）

存在于自然世界地理實體中，與空間位置或特征相關聯，在空間中不可再分的最小單元稱為空間實體[1]。吳信才[2]認為對象數據結構是由對象的一組數據和表達它行為的一組操作共同組成，數據和行為是統一體。李景文[3]等提出了基于對象的時空數據模型，對空間對象的幾何信息、屬性信息、時間信息進行封裝。姜曉軼[4]設計了GOO-STDM空間數據模型，運用面向對象的方法將地學對象封裝為空間、專題、時間的整體。面向實體的空間數據模型以現實世界中的實體為基本表達對象，葉亞琴[5]等提出的實體數據模型將地理實體模型表示為要素，由幾何實體和屬性組成；劉南[6]等提出了面向實體的分布式結構數據對象集合，將現實世界抽象為空間參考系模型、地理幾何對象模型、空間數據庫模型和元數據庫模型，提供實體模型的海量數據支持。

綜合上述實體對象的數據描述內容，本文將空間實體對象定義為由時空參照、空間信息、屬性特征、關系、組成5個特征構成的數據結構，其中組成描述的是對象的組成部件或部分，是對象之間的相對包含關系。

1 模板定義

地理實體以某種或多種屬性特征為劃分標準，同類地理實體具有相同的地理屬性特征[7]。空間實體對象模型對地理實體的認知過程是相同的，形成對象的關鍵是抽象，面向對象方法具有很強的抽象表達能力，可將對象抽象為對象類，實現抽象的數據類型，并允許用戶自定義[8]。空間實體對象抽象得到空間實體對象模板，將其作為對象的原型以確定對象數據的描述，且用戶可自定義數據結構，通過實例化對象模板實現空間實體對象建模。

由于模板處理機制的靈活性和易擴展性，已逐漸成為空間數據轉換、傳輸和組織研究的熱點。現階段數據模板的類型主要分為數據匹配模板、數據轉換模板、數據解析模板和數據組織模板4種。數據匹配模板的應用內容主要是數據內容匹配，以影像數據結構為模板與被匹配源進行配準[9-11]，以連續的場結構為模板進行地形匹配[12]，以及在矢量地圖數據中通過模板進行要素匹配[13]；數據轉換模板提供了數據轉換標準和目標數據組織結構[14]；數據解析模板是數據內容的描述文件和數據的語義解釋方法；數據組織模板是通過模板將不同的數據組件組成完整的數據內容，在三維復雜實體建模中通過模板將簡單對象構建為復雜對象。對象模板綜合了數據轉換模板和數據組織模板的特點。

根據上述對象模板的理論內容和技術，本文提出的空間實體對象模板定義為：對象模板的基本思想是從一組相似的事物中抽象出一種框架模式，任何一個類似的事物都可作為以模板為超類的派生實例。空間實體對象模板是實體數據組織的抽象模板，將具體應用中實體數據的內容和組織方式定義為模板樣式，使對象數據能進行規范化組織。

2 對象模板的數據結構設計

2.1 對象模板分類

空間實體對象信息包括對象自身特征信息和對象間關系信息兩部分，相應地可將對象模板分為對象原型模板和關系模板。

1）對象原型模板包括對象的時空參照、空間信息、組成和屬性信息。對象原型模板的結構和形式化表達可描述為：

對象原型模板=

{

時空參照: {時間參照，空間參照};

空間信息:

{

幾何1= {空間標識，尺度，數據類型，數據存儲結構，空間參照};

…

幾何n= {空間標識，尺度，數據類型，數據存儲結構，空間參照};

}

組成:

{

組成1={對象類型，對象地址，空間參照};

…

組成n={對象類型，對象地址，空間參照};

}

屬性特征:

{

屬性1={名稱，屬性類型，屬性值類型，初始值，取值范圍，獲取方式};

…

屬性n={名稱，屬性類型，屬性值類型，初始值，取值范圍，獲取方式};

}

}

2）關系模板負責描述空間實體對象的關系信息，包括對象關系類（關系模型）和關系存儲結構。關系模板的形式化表達可描述為:

關系模板=

｛

關系類:

{

關系類1={關系類型，關系標識，參數定義，對象類約束};

關系存儲結構={存儲結構類型，關系節點，關系邊};

}

…

關系類:

｛

關系類n={關系類型，關系標識，參數定義，對象類約束};

關系存儲結構={存儲結構類型，關系節點，關系邊};

｝

｝

對象原型模板和關系模板相對獨立地描述了某類空間實體對象和對象間關系的數據組織結構，關系模板需依賴于對象進行實例化。

2.2 對象模板概念設計

在概念層次上的實體被看作是由時空參照、空間信息、組成、屬性信息和關系5個特征組成。對象模板是某類空間實體完整特征抽象的集合。根據對象分類原則，空間實體集中可抽象出多個空間實體類，而應用目的決定了對象模板的數據描述框架，因此一種類型的實體可包含多個對象模板，對象模板的概念模型設計如圖1所示。

圖1 對象模板概念設計

2.3 對象模板邏輯結構設計

空間實體對象模板包括對象原型模板和關系模板。

2.3.1 對象原型模板邏輯結構設計

對象原型模板包括時空參照、空間位置、空間形態、組成結構、屬性特征5個特征。在邏輯結構設計時，需要包括對象模板標識數據，通過該標識管理和識別對象模板類型。

1）模板標識（ObjectTemplate），描述模板編碼和模板中所描述的對象類別，同時在該處添加繼承的上層模板路徑。空間實體對象模板標識信息包括模板編碼（TemplateID）、模板所描述對象類名稱（Name）、對象類型（Type）、繼承模板路徑（referencePath），其中Type存儲了模板所描述的對象類的分類編碼。

2）時空參照（STRID），包括時間參照類型（TRID）和空間參照類型（SRID），在模板結構中需選擇時間和空間參照類型。

3）空間信息（Spatials）描述中單個空間描述是基于對象空間尺度進行劃分的，一個空間描述中數據存儲內容可包括一種矢量數據。本文模板中Spatials邏輯結構設計只針對對象二維矢量形態。

Spatials中，對象包含多個形態的“Spatial”，其數據結構包括尺度（Scale）、空間描述名稱（Name）和時間（Time），Time描述了對象空間信息的時態記錄特點。Part表示空間的組成部分，包含組成部分的名稱、形態類型（本文矢量形態統一為Vector2D）。對象模板構建時，需對Name和Scale屬性進行初始化，限定基于該對象模板建模的對象空間形態支持的空間尺度。

4）組成。對象模板中組成連接部件對象與組合對象，Parts結構描述了對象組成數據的標識。Parts結構中，Name表示對象組成部分的名稱，ID表示組成結構編碼，在對象組成結構信息初始化時動態分配，RefType表示組成結構的類型，RefObjectID表示該組成部分所引用的對象編碼，RefObjectType表示組成部分的對象類型。構建模板時需對組成結構中RefType和RefObjectType的屬性進行初始化，約束對象組成結構中部件對象類型。

5）屬性特征（Attr）。對象模板中，Attr是模板定義的公有屬性，是對象實例化所必須包含的屬性項，是基于模板的實例化對象的必要屬性信息。

Attr結構中的Type屬性描述了對象的類型，不同類型屬性的數據描述方式不同，動態屬性是具有時間標簽的連續記錄信息，靜態屬性描述了與時間沒有關聯的信息。在對象模板中，公有屬性需初始化的內容包括Attr中的Name、ValueType、Type和ValueRange。

2.3.2 關系模板邏輯結構設計

關系模板中包括關系模板標識和關系類兩方面信息，關系模板標識負責識別和管理關系模板，關系類是模板中設計的對象關系模型。

1）模板標識，包括模板編碼（TemplateID）、模板名稱（Name）和繼承模板路徑（referencePath）。

2）關系類（ObjectRelationClass），包括類名稱（Name）、關系類型（Type）、類編碼（ID）、關系數據存儲類型（RelationType），其中RelationDataType表示該關系類實例化的數據存儲結構，構建關系的對象類約束目錄（Category）。ObjectRelationClass通過節點參數（NodeParameters）、邊參數（EdgeParameters）和環參數（RingParameters）進行定義。

2.4 模板生成工具的設計

模板生成工具實現了對象模板的可視化創建和特征內容編輯，以及對象之間關系交互式的構建和對象模板文件的導出導入；同時提供了模板文件在SQLite數據庫中的存儲方法，便于對象模板文件的存儲、管理和重用。模板生成工具實現了對象模板的生成和存儲。

圖2 對象模板生成工具模型類圖

圖2為對象模板生成工具的模型類圖，模板的創建過程統一在TemplateEditFrame中進行管理，模板可視化創建在GraphFrame中進行，ObjectClassFactory中包含了模板創建所需的基本結構，AbstratEdge中描述了模板間的關系，Storage負責存儲管理創建后的模板。

3 實驗驗證

根據空間實體對象的生成步驟和創建的模板生成工具，將1∶500比例尺下的鄭州市地鐵OSM數據、鄭州市地鐵CAD數據轉換為城市地鐵空間實體對象，展示矢量地圖數據自動化生成空間實體對象的轉換過程。數據源基本信息如表1所示，生成的空間實體對象類型如表2所示。地鐵1號線站點轉換后的空間實體對象數據如圖3所示，轉換后的空間實體對象通過多粒度時空獨享建模工具進行顯示，結果如圖4所示。

表2 數據轉換結果描述

圖3 地鐵1號線地鐵站空間實體對象

圖4 地鐵實體對象數據可視化

4 結 語

在綜合現有空間實體定義的基礎上，本文提出了一種基于模板實現空間實體數據自定義的數據構建機制，詳細設計了基于模板的空間實體數據組織方法，以及模板的概念模型和邏輯模型，并創建了模板生成工具。基于對象模板實現了鄭州市OSM數據和地鐵站CAD數據的融合和信息重構，并通過空間實體對象數據轉換結果和可視化效果驗證了本文方法的可行性和科學性。