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地球信息科学学报 >

2017 , Vol. 19 >Issue 9: 1158 - 1163

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2017.01158

全空间信息系统理论方法

多粒度时空对象关联关系基本问题初探

  • 张政 , 1, * ,
  • 华一新 1 ,
  • 张晓楠 2 ,
  • 郭邵萌 3 ,
  • 文娜 1
展开
  • 1. 信息工程大学 地理空间信息学院,郑州 450052
  • 2. 空军航空大学 长春,130022
  • 3. 黄河水文水资源科学研究院,郑州,450004

作者简介：张 政（1990-）,男,博士生,研究方向为地理信息可视化与地理信息服务。E-mail:

收稿日期: 2017-05-12

  要求修回日期: 2017-08-11

  网络出版日期: 2017-10-09

基金资助

国家重点研发计划项目“全空间信息系统与智能设施管理”（2016YFB0502300）

国家自然科学基金项目“运动目标间语义关系的时空建模及可视化研究”（41471336）

收起

The Basic Issues of Associative Relationship of Spatial-temporal Objects of Multi-granularity

  • ZHANG Zheng , 1, * ,
  • HUA Yixin 1 ,
  • ZHANG Xiaonan 2 ,
  • GUO Shaomeng 3 ,
  • WEN Na 1
Expand
  • 1. Institute of Geographic Space Information, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China
  • 2. Air Force Aviation University, Changchun 130022, China
  • 3. Insitute of Hydrology and Water Resources of Yellow River Scientific Research, Zhengzhou 450004, China
*Corresponding author: ZHANG Zheng, E-mail:

Received date: 2017-05-12

  Request revised date: 2017-08-11

  Online published: 2017-10-09

Copyright

《地球信息科学学报》编辑部 所有
Fold

摘要

多粒度时空对象关联关系描述现实世界客观实体之间存在的各种关系及其相互影响,是对实体间关联、作用关系的表达,按照其描述主体的不同主要分为时间关联关系、空间关联关系、属性关联关系和综合关联关系。本文从全空间信息系统的背景出发,对多粒度时空对象关联关系的基本概念进行了阐述,明确了其形式化表达方式和分类。在此基础上,对关联关系的构建和管理进行阐述和分析,说明了静态构建方式和动态构建方式的适用场景。关联关系通过约束作用和行为传导机制来维持数据世界的一致性和联动,本文最后对关联关系的约束类型及其定义和关系-行为传导机制进行了简要说明。

关键词： 多粒度时空对象; 关联关系; 全空间信息系统; 关系约束; 行为传导

本文引用格式

张政 , 华一新 , 张晓楠 , 郭邵萌 , 文娜 . 多粒度时空对象关联关系基本问题初探[J]. 地球信息科学学报, 2017 , 19(9) : 1158 -1163 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2017.01158

Abstract

The associative relation of spatial-temporal objects of multi-granularity describes the relations and mutual effects among objective entities in real world. It is the expression of entity relationship and mutual effects. According to its different describing subject, the associative relation can be divided into temporal relation, spatial relation, attribute relation and comprehensive relation. This paper begins with the background of pan-spatial information system, elaborates the basic conception of the associative relation of spatial-temporal objects of multi-granularity , and defines its formalized expression and classification. We also illustrate and analyze the construction and administration of associative relation, the applicative scene of static construction method and dynamic construction method. The associative relation maintains the consistency and linkage of the digital world through constraining effects and behavior conduction. Thus, this paper gives a brief illustration of constraining types and definition of associative relation and relation-behavior conduction mechanism.

Key words： spatial-temporal objects of multi-granularity; associative relation; pan-spatial information system; relation constraints; behavior conduction

1 引言

地理信息系统以其独特的空间观点和空间思维,从空间相互关联和相互作用出发,揭示了各种事物与现象之间潜在的空间分布特征和动态变化规律[1]。传统的地理信息系统以地图为模板间接表达客观现实世界,主要描述空间特征、属性特征和时间特征[3],然而随着地理空间信息应用领域、应用模式、信息内容、分析方法、展现方式等的发展,传统的建模方式已经无法满足需求。在这样的背景下,文献[1]提出了全空间信息系统的概念,提出了构建无所不在的空间信息系统世界的构想和泛在空间（Pan Spatial）的概念。文献[2]从全空间信息系统的角度出发,提出了一种以多粒度时空对象为模型的建模方法,用于构建全空间信息系统的数据模型。基于多粒度时空对象的方式进行模型构建相比于地图模型方式而言是直接对客观现实世界进行表达,描述的内容更为全面、详细、真实。
多粒度时空对象主要从8个方面对客观现实世界的实体进行描述,如图1所示。其中,关联关系作为8个描述方向中的一个,主要描述了客观现实世界中,对象与对象之间所形成的各种关系。在传统地理信息系统中,对于关联关系的研究主要集中在空间关系[4-7],空间关系是由对象的空间形态和空间位置决定的,在全空间信息系统中,由于描述对象的角度更加全面,使得对关联关系的表达不局限于空间关系。本文以全空间信息系统为研究背景,基于多粒度时空对象,研究时空对象之间的关联关系及其构建、约束和行为传导。
Fig. 1 Eight aspects of the description of spatial-temporal objects of multi-granularity

图1 多粒度时空对象描述的8个方面

2 多粒度时空对象关联关系概述

多粒度时空对象的关联关系是维持全空间信息世界联动的纽带,通过对多粒度时空实体之间的关联关系进行全方位的描述和表达,将传统地理信息系统中的孤立对象变成相互联系的对象,从而在信息空间中构建与现实世界对应和关联的数据世界。

2.1 多粒度时空对象关联关系的基本概念

多粒度时空对象关联关系描述现实客观实体之间,由于空间位置、空间形态、属性特征等而产生的关联、约束及作用关系,通过对象之间广义关系的抽象表达,进而模拟客观现实世界的联动。多粒度时空对象关联关系以有向网络图模型的方式进行描述和表达,不仅能够描述对象间的关联关系类型,还能够描述关联关系的强度及其变化。
多粒度时空对象关联关系通过构建对象之间的联系,实现对客观实体间的联动,进而实现关系的可视化表达、逻辑查询和复杂分析。它具有以下特点：
（1）多粒度特性。多粒度时空对象的一个显著特点就是一个对象具有多个粒度,当粒度发生变化时,对象的各个方面都可能会发生变化。而作为其8个描述方向之一的关联关系也会随着粒度的变化而发生变化,例如,相切的两个球体,当粒度不断变大,球的空间形态由球体变成一个没有几何外形的点时,它们之间的空间关系可能会由相切变成相离。此外,在构建多粒度时空对象的关联关系时,既可以构建单个对象间的关联关系,也可以构建对象群体间的关联关系,还可以构建对象属性字段间的关联关系,由粗粒度到细粒度描述客观实体间的关联。
（2）动态特性。多粒度时空对象的关联关系不是静态的,而随时间、粒度、场景等发生变化,对多粒度时空对象关联关系的描述,就是对关联关系基于全生命周期的描述。
（3）方向特性。也称为非对称特性,在描述对象间的关联关系时,要明确区分关系的发出者和接收者,关系的发出者和接收者对调,相对应的关系也是不一样的。
（4）可视特性。关联关系虽然不可见,但是借助一些可视化技术和手段,可以将潜在的关联关系图形化。

2.2 多粒度时空对象关联关系的形式化表达

多粒度时空对象关联关系的形式化表达指以逻辑的方式,采用形式化语言对关联关系的组成结构、表现形式等进行描述。对于关联关系的形式化表达而言,主要是采用“对象+集合”的方式进行描述。关联关系的基本构成元素是对象和关系,因此对于多粒度时空对象关联关系的形式化表达也有2种方式,即基于对象驱动的形式化表达和基于关系驱动的形式化表达。
2.2.1 基于对象驱动的形式化表达
如图2所示,对象驱动的形式化表达的记录主体是对象本身,它不区分关联关系的类型,而是依赖于对象本身,记录该对象和与其构成关联关系的对象之间所有关系的集合。关联关系采用面向对象的方式进行表达,从而记录关系对象的全生命周期变化过程。基于对象驱动的关联关系是一个关系集合,每一个关系对象都由关联对象、属性集合和操作集合组成,即R={Obj, Attr, Opera},其中Obj为关联的对象,Attr为关系属性集合,Opera为关系操作集合。以“[]”代表集合,“{}”代表对象,对象驱动的多粒度时空对象关联关系形式化表达实例为：
对象驱动的关联关系形式化表达 = [{关联对象1,关系属性集合1,关系操作集合1},{关联对象2,关系属性集合2,关系操作集合2},……,{关联对象i,关系属性集合i,关系操作集合i},操作集合关联对象n,关系属性集合n,关系操作集合n}]
Fig. 2 Formalized expression of associative relation based on object driver

图2 基于对象驱动的关联关系形式化表达

2.2.2 基于关系驱动的形式化表达
关系驱动的形式化表达记录主体是关联关系,根据关联关系的不同,对每一个关联关系进行描述,构成描述的基本单元是关系节点和关系边,关系节点是由现实世界中的客观实体映射形成的多粒度时空对象,关系边是多粒度时空对象之间构成的关系,如图3所示。
Fig. 3 Formalized expression of associative relation based on relation driver

图3 基于关系驱动的关联关系形式化表达

关系驱动的关联关系形式化表达方式以有向图模型的方式对关系进行表达,为多粒度时空对象之间的每个关系构造一个关联关系集合Rc,该集合实际上是描述了一个图结构,图由关系节点元素和关系边元素构成,即R（i, j）=G[V(i, j), E(i, j)],其中V(i,j)是源节点和端节点集合,与基于对象驱动的形式化表达不同,基于关系驱动的形式化表达必须区分源节点和端节点,即关联关系的起始节点和接收节点,E（i, j）是关系的属性和操作集合。以“[]”代表集合,“{}”代表对象,关系驱动的多粒度时空对象关联关系形式化表达实例为：
关系驱动的关联关系形式化表达 = [关联关系1,关联关系2,……关联关系i,联关关联关系n],其中,
关联关系i =
[
{{源节点1,端节点1},{关系i属性集合1,关系i操作结合1}},
{{源节点2,端节点2},{关系i属性集合2,关系i操作结合2}},
……
{{源节点m,端节点m},{关系i属性集合m,关系i操作结合m}}
]

2.3 多粒度时空对象关联关系的分类

多粒度时空对象的关联关系按照其描述的主体不同分为时间关联关系、空间关联关系、属性关联关系和综合关联关系。
时间关联关系（Time-Relation,T-R）描述多粒度时空对象在时间维度上投影而形成的关系。时间关联关系是其余关联关系的基础,脱离了时间来描述关系是没有意义的。时间关联关系主要包括时间距离关系和时间拓扑关系。
空间关联关系（Space-Relation,S-R）指因多粒度时空对象的空间形态及其所处的空间位置而形成的关系,如传统GIS中的相邻、相离、方位、拓扑等关系,通常可以通过计算获得。它扩充了二维条件下的空间关联关系,是客观实体间空间关系的高维展现。
属性关联关系（Attribute-Relation,A-R）指多粒度时空对象及其属性特征之间的关系,如上下级关系、指挥关系、连通关系等。属性关联关系不仅会有是否关联的问题,而且会有关系强度变化的问题,传统的地理信息系统并不描述对象或对象属性特征之间的关联关系,因此无法形成对现实世界的真切表达和描述。
综合关联关系（Comprehensive-Relation,C-R）指基于多粒度时空对象时间特征、空间特征、属性特征等综合分析而得到的关联关系,如因果关系、聚类关系、共生关系等。综合关联关系与属性关联关系的区别在于属性关联关系描述的是多粒度时空对象及其属性特征之间显而易见的关系,不需要深入的分析和推理,而综合关联关系往往需要借助时空数据挖掘技术获得,它是知识的体现,需要综合多种关联关系分析得到。

3 多粒度时空对象关联关系的构建与管理

在全空间信息系统中,多粒度时空对象取代传统GIS模型模拟和表达客观现实世界中的实体,通过构建多粒度时空对象之间的关联关系,来维持该数据空间的联动。按照是否实时构建,多粒度时空对象关联关系的构建方式分为静态方式构建和动态方式构建。

3.1 关联关系静态方式构建与管理

关联关系的静态构建是采用一种指定方式对多粒度时空对象间的关系进行构建,明确指明所构建关系的对象、关系类型、关系属性集合和关系操作集合等。一旦关联关系构建,就要对其进行全生命周期的管理,在对关联关系进行管理的时候,可以采用现有的时空数据模型进行管理,如序列快照模型[8]、基态修正模型[9]、面向对象的时空数据模型[10]等。
对静态构建的多粒度时空对象管理主要基于3个操作,即创建（Create）操作、更新（Update）操作和删除（Delete）操作,如图4所示。每一次操作都要记录被操作对象、操作时间和操作内容,通过这些操作对静态构建的多粒度时空对象进行全生命周期的管理。
Fig. 4 Three operations of static constructing method of associative relation

图4 关联关系静态方式构建的3类操作

3.2 关联关系动态方式构建与管理

关联关系的动态构建采用一种动态、实时计算的方式表达对象间的关联关系,当需要构建对象间关联关系时,根据关联关系算子来对关系进行计算和表达。与静态构建方式不同,多粒度时空对象关联关系的动态构建方式不需要持久化存储构建的关联关系,也不需要对关联关系进行全生命周期的管理和维护,仅需要对关联关系算子进行维护,实时根据关系算子实时计算出对象之间的关联关系。
动态构建方式不存在关联关系的构建、更新和删除操作,仅有一个计算（Calculate）操作,关联关系算子挂接关系计算模型和规则,通过计算模型和规则的协同配合确定多粒度时空对象间的关联关系,如图5所示。
Fig. 5 The real-time computing operation for dynamic constructing method of associative relation

图5 关联关系动态方式构建的实时计算操作

3.3 两种构建方式对比分析

现实世界中客观实体之间的关系复杂多样,面向不同的关系类型采用不同的关联关系构建方式,对于相对稳定、变化频率较低的关系采用静态方式构建,构建完成后对其进行全生命周期的管理,而对于相对不太稳定、变化频率较高的关系则采用动态方式构建,不对构建结果进行存储和管理,而是维护关联关系算子,根据需求实时计算关联关系。
表1从多个方面对2种构建方式进行了对比分析。静态方式的构建工作量较大,需要对所有对象间的关联关系进行构建,并进行全生命周期的维护和管理,相对来说构建的智能化程度较低,它主要适合于属性关联关系的构建;动态方式的构建工作量主要集中在关系算子的构建,后期维护也主要是对关系算子进行维护和管理,实时计算关系,相对来说智能化程度较高,主要适合于时间关联关系、空间关联关系和综合关联关系的构建。
Tab. 1 The contrastive analysis of two construction methods for associative relation

表1 关联关系2种构建方式对比分析

构建方式 构建难易程度 智能化程度 关系维护 适用关系类型
静态方式 构建工作量较大 较低 全生命周期维护 主要是属性关联关系
动态方式 主要是关系算子构建 较高 对关系算子进行维护 空间、时间、综合关联关系

4 多粒度时空对象关联关系的约束 作用

多粒度时空对象关联关系用于描述和模拟客观现实世界中实体间的联系,通过这些联系可以使得对象之间具有一定的约束作用,即当一个对象发生变化,与其相关联的对象也会发生相应的变化。关联关系的约束维持了全空间信息世界的一致性,约束类型主要有依赖约束、属性约束和空间约束。

4.1 依赖约束

依赖约束描述的是多粒度时空对象间的依存关系,是指存在依存关系的两个或多个对象,当被依赖对象消亡时,其依赖对象也必须消亡,但依赖对象的消亡不影响被依赖对象。用“→”表示依赖,“{}”表示对象集合,给出依赖约束的明确定义如下：
定义1 依赖约束（Dependency Constrain,DC） 设集合U={obj1, obj2, …, objn},集合U中的每一 个元素均依赖于对象objparent,即obji→objparent, 且i∈[1,n],当objparent消亡,obji也消亡,但obji消亡不影响objparent。
依赖约束的一个典型实例就是数据库中表的外键约束,当一个元组被删除,与其相关的其余表中的元组也要进行级联删除。

4.2 属性约束

属性约束描述的是多粒度时空对象属性特征之间存在的约束关系,主要分为定性约束和定量约束,给出属性约束的明确定义如下：
定义2 属性约束（Attribute Constrain,AC） 设有两个对象A和B,A有属性集合Attra={a1,a2, …, an},B有属性集合Attrb={b1,b2, …, bn},若A中某一属性依赖于B中某一属性,即ai→bi,则ai=f(bi)。
其中,ai=f(bi)表明具有属性依赖的两个多粒度时空对象之间的属性特征具有一定的函数关系,该函数关系可以表示定性关系也可以表示定量关系。例如地籍管理中,不论子地块中的面积如何变化,它们的总和总是一个常量,即构成面积属性约束。

4.3 空间约束

空间约束描述的是多粒度时空对象空间特征之间存在的约束关系,即当构成空间约束关系的两个时空对象,被依赖对象的空间位置会对依赖对象产生影响和约束,给出空间约束的明确定义如下：
定义3 空间约束（Space Constrain,SC） 设有两个对象A和B,A的空间位置为（xa, ya, za）,B的空间位置为（xb, yb, zb）,若A和B具有空间约束关系,则A和B的空间位置构成函数关系,即（xa, ya, za）=f（xb, yb, zb）。
空间约束常见于构成一定组成关系的多粒度时空对象之间,例如一辆货车运送货物,在运送过程中,车辆与货物之间构成一定的空间约束关系,车辆位置改变会影响货物的位置,当货物被卸下后,车辆与货物的空间约束关系消失,车辆的位置改变将不再影响货物的位置。

5 多粒度时空对象关联关系的行为 传导

多粒度时空对象建立关联关系后,通过行为传导机制来维持世界的联动。行为能力指时空对象所具有的行为方式,指单个对象拥有的一种能作用、影响自身或者其他时空对象的能力。在全空间信息系统背景下,行为能力主要通过关联关系来传播其影响,称为多粒度时空对象关联关系的行为传导机制。
图6为多粒度时空对象行为-关系传导机制,在构建关联关系时,明确区分了关系的发出者（源）和接收者（端）,当源的行为发出后,根据构建的关联关系来判断行为的接受者,如果关联关系允许此行为的传导,行为才会被传导,端才会受到行为的影响,当然行为也可以对源的自身产生一定的影响。端受到行为影响后可能会触发其它行为,导致行为的再次传导,也可能反馈给源。
Fig. 6 The behavior conducting mechanism based on associative relation of spatial-temporal objects of multi-granularity

图6 基于多粒度时空对象关联关系的行为传导机制

6 结语

多粒度时空对象的关联关系描述了现实世界中客观实体之间不可见却真实存在的联系,全空间信息系统中通过关联关系来模拟并维持数据空间的联动。作为一个新探索的方向和尝试,本文从全空间信息系统为背景出发,对关联关系的基本理论进行了初步研究,下一步研究将强化理论并深入实践,对关联关系的建模理论、存储与管理技术、分析和可视化表达等方面开展相关研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
周成虎. 全空间信息系统展望[J].地理科学进展,2015,34(2):129-131.地理信息系统作为一门空间科学,以其独特的空间观点和空间思维,从空间相互联系和相互作用出发,揭示各种事物与现象的空间分布特征和动态变化规律。本文从地理信息系统所研究的空间对象出发,对地理信息系统发展新方向提出思考：①从地球空间拓展到宇宙空间,需要构建宇心坐标系和宇宙GIS、月球GIS等;②从室外空间延伸到室内空间,需要发展室内GIS,并拓展到水下空间和地下空间;③从宏观到微观空间,可以发展面向游戏的体育GIS、面向生命健康管理的人体GIS等;④面向大数据时代,发展大数据空间解析的理论和方法,贡献于大数据科学的发展。

DOI

[Zhou C H.Prospects on pan-spatial information system[J]. Progress in Geography, 2015,34(2):129-131. ]

[2]
华一新. 全空间信息系统的核心问题和关键技术[J].测绘科学技术学报,2016,33(4):331-335.分析了空间信息系统的研究现状和存在问题,阐明了全空间信息系统的基本概念和基本特征;提出了基于多粒度时空对象构建全空间信息系统的技术路线,明确了需要研究解决的科学问题和关键技术;提出了全空间信息系统与智能设施管理的主要研究内容,指出预期的研究效益。

DOI

[Hua Y X.The core problems and key technologies of pan-spatial information system[J]. Journal of Geomatics Science and Technology, 2016,33(4):331-335. ]

[3]
王家耀. 空间信息系统原理[M].北京:科学出版社,2001.

[Wang J Y.Principle of spatial information system[M]. Beijing: Science Press, 2001. ]

[4]
廖楚江,杜清运.GIS空间关系描述模型研究综述[J].测绘科学,2004,29(4):79-82.空间关系是GIS的重要理论问 题之一,在GIS数据建模、空间查询、空间分析、空间推理、制图综合、地图理解等过程中起着重要作用。目前国际上对空间关系的研究主要集中在空间关系的语 义问题、空间关系描述、空间关系表达、基于空间关系的查询分析等方面。而其中对空间关系的描述更是见人见智。本文主要论述了空间关系描述的研究进展和成 果。

DOI

[Liao C J, Du Q Y.An overview of GIS spatial relation description model[J]. Science of Surveying and Mapping, 2004,29(4):79-82. ]

[5]
胡圣武,王宏涛.空间关系的研究进展[J].测绘科学,2007,32(1):153-156.

[Hu S W, Wang H T.The research progress of spatial relation[J]. Science of Surveying and Mapping, 2007,32(1):153-156. ]

[6]
郭仁忠.空间分析(第二版)[M].武汉:武汉大学出版社,2003.

[Guo R Z.Spatial analysis (Second Edition)[M]. Wuhan: Wuhan University Press, 2003. ]

[7]
陈军,赵仁亮.GIS空间关系的基本问题与研究进展[J].测绘学报,1995,28(2):95-102.空间关系是ＧＩＳ的重要理论问题之一，在ＧＩＳ空间数据建模，空间查询，空间分析，空间推理，制图综合，地图理解等过程中起着重要的作用。目前国际上对空间关系的研究主要集中在空间关系的语义问题，空间关系描述空间关系表达，基于空间关系的分析等方面。

[Chen J, Zhao R L.The basic problem and research progress of GIS spatial relation[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 1995,28(2):95-102. ]

[8]
Michael F, Worboys. A Unified Model for Spatial and Temporal Information[J]. The Computer Journal of Geographical Information System, 1994,37(1):26-34.ABSTRACT Many applications of spatial information systems require not just spatial data handling but a unified approach to space and time. This paper begins by motivating this requirement with some examples, continues by identifying some of the key issues in this area and then discusses a unified generic model for information which is referenced to two spatial dimensions and two temporal dimensions (database and event times).

DOI

[9]
张丰,刘仁义,刘南.基于动态多级基态的修正模型的TGIS研究[J]. 中国图象图形学报,2004,9(11):1369-1375.针对基于基态修正模型的时态地理信息系统(TGIS)历史回顾效率低下的问题,提出了一种基于动态多级基态的修正模型(DMBSA),并结合TGIS的典型应用--土地产权产籍管理信息系统,依据地籍数据的时空内聚性及空间、属性内聚性强度,通过分析面向对象的时空数据特点,设计了DMBSA模型的时空数据库,实现了对地籍变更的历史回顾;最后对基于上述模型和方法自主开发的土地产权产籍管理信息系统ReGIS进行了介绍.应用结果表明,基于动态多级基态的修正模型(DMBSA)能低冗余、高效率地实现时空数据的存储、管理和历史回顾.

DOI

[Zhang F, Liu R Y, Liu N.A study on TGIS based on dynamic multilevel base state with amendments[J]. Journal of Image and Graphics, 2004,9(11):1369-1375. ]

[10]
曹志月,刘岳.一种面向对象的时空数据模型[J].测绘学报,2002,31(1):87-92.

[Cao Z Y, Liu Y.An object-oriented spatiotemporal data model[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2002,31(1):87-92. ]

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