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地球信息科学学报 >

2017 , Vol. 19 >Issue 11: 1415 - 1421

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2017.01415

地球信息科学理论与方法

一种面向时空对象及其关联关系动态变化表达的概念数据模型

  • 成波 , 1 ,
  • 关雪峰 , 1, 2, * ,
  • 向隆刚 1, 2 ,
  • 高萌 1 ,
  • 吴华意 1, 2
展开
  • 1. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,武汉 430079
  • 2. 武汉大学地球空间信息技术协同创新中心,武汉 430079
*通讯作者：关雪峰（1980-）,男,博士,副教授,主要从事高性能地理计算、分布式时空过程模拟。E-mail:

作者简介：成 波（1989-）,男,博士生,主要从事时空过程模型与模拟方面研究。E-mail:

收稿日期: 2017-05-12

  要求修回日期: 2017-09-14

  网络出版日期: 2017-11-10

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）

收起

A Conceptual Data Model for Dynamic Changes Expression of Spatio-temporal Object and Its Association

  • CHENG Bo , 1 ,
  • GUAN Xuefeng , 1, 2, * ,
  • XIANG Longgang 1, 2 ,
  • GAO Meng 1 ,
  • WU Huayi 1, 2
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China
  • 2. Collaborative Innovation Center for Geospatial Technology, Wuhan University, Wuhan 430079, China
*Corresponding author: GUAN Xuefeng, E-mail:

Received date: 2017-05-12

  Request revised date: 2017-09-14

  Online published: 2017-11-10

Copyright

《地球信息科学学报》编辑部 所有
Fold

摘要

根据全空间信息系统中地理实体基本特征以及存储管理的需求,本文提出了一种面向地理实体及其关联关系动态变化表达的时空数据模型。① 在地理实体方面,将其抽象为由有序、无缝对象片段组成的时空对象,并建立了对象片段表达的三元组模型,即空间位置、几何形态和属性特征;② 在关联关系方面,采用基于RDF模型来对空间关系和属性关系进行形式化描述;③ 在动态变化方面,将地理实体的变化分为空间位置的变化、几何形态的变化和属性特征的变化,关联关系的变化分为空间关系和属性关系的变化,并分别采用快照/增量、方程/模型2种方式来统一表达它们的离散和连续变化。该模型可显式地描述动态的时空对象及其关联关系在时空过程中的变化,有助于探讨和挖掘地理现象的基本变化规律和内在关联性。

关键词： 全空间信息系统; 动态变化; 关联关系; 时空数据模型

本文引用格式

成波 , 关雪峰 , 向隆刚 , 高萌 , 吴华意 . 一种面向时空对象及其关联关系动态变化表达的概念数据模型[J]. 地球信息科学学报, 2017 , 19(11) : 1415 -1421 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2017.01415

Abstract

According to the characteristics of geographic entities and the requirements of storage management in pan-spatial information system, a spatio-temporal data model has been proposed to efficiently express the dynamic changes of geographical entities and their associations. Firstly, geographical entities are abstracted into spatio-temporal objects consisting of ordered and seamless object segments series. On that basis, a three-tuple model, which includes spatial location, geometry morphology and attribute feature, is designed to represent object segment. Secondly, in the aspect of association of entities like spatial relationship and attribute relationship, an extended RDF(Resource Description Framework) model is adopted to support the formalized description. Finally, as mentioned before, the dynamic changes contain the changes of geographical entities and the change of the entities’ associations. On one hand, the change of geographical entities is considered to fall into one of three types: change of spatial location movement, change of geometry morphology transformation and change of attribute feature. On the other hand, the changes of entity association includes spatial relationship and attribute relationship changes. According to the snapshot/increment and equation/model, the methods introduced could represent the discrete and continuous changes of the geographical entities and the associations. The proposed spatio-temporal model data model can not only precisely express the dynamic changes of spatial characteristics and attribute characteristics of geographic entities, but also explicitly represent the various associations of geographic entities over space and attribute. Furthermore, with the model, the exploration and mining over the change regularities and inner relevance of geographic phenomenon is expected to have a better behavior in some way, which is significant for the prediction, decision and planning in our lives.

Key words： pan-spatial information system; dynamic changes; entity association; spatio-temporal data model

1 引言

近年来,多类型、多角度、多时相的传感器构建了空天地一体化协同的对地观测网络[1],获取了丰富的地球表层信息,为GIS分析和应用奠定了坚实的基础。随着GIS的应用领域从地球延伸到宇宙、从室外延伸到室内、从宏观延伸到微观,周成虎[2]提出了一种全新的全空间信息系统,扩展了地理信息系统的内涵和外延。全空间信息系统所构建和描述的数据世界是动态的,即每一个地理实体的位置、形态、属性、行为以及实体之间的相互关系随时间变化而不断发生改变,需要建立一个合适的时空数据模型对其进行描述和表达[3]。然而,已有的时空数据模型在地理实体的动态变化及其关联关系的表达方面存在不足,难以满足以上需求。
因此,本文针对地理实体及其相互关系建模的不足,提出了一种面向时空对象及其关联关系动态变化表达的概念数据模型,不仅能表达时空对象和它们之间的关联关系,也能显式地描述时空对象的空间位置、几何形态和属性特征变化,以及关联关系的动态变化,很容易分析出地理实体和现象的变化规律和内在关联性,辅助人们去探索、挖掘、预测和决策。

2 时空数据模型

从20世纪60年代开始,国内外学者对时空数据模型展开了深入的研究和实践,并由此产生了大量的时空数据模型。1992年,Langran在《地理信息系统中的时间》著作中[4],详细地阐述了序列快照（Sequent Snapshots）、基态修正（Base State with Amendments）、时空立方体（Space-time Cube）和时空复合（Space-time Composite）等4种时空数据 模型,标志着GIS时空数据建模的正式开始。 Worboys[5]在1994年提出面向对象的时空数据模型,将地理实体抽象为对象,封装实体的属性特征和行为操作,并在对象中引入时间维信息,来对现实世界里的地理实体进行建模和表达。随后,Peuquet和Duan[6]提出基于事件的时空数据模型（Event-based Spatio-temporal Data Model, ESTDM）,该模型认为事件是时空对象发生变化的原因,因此在记录时空对象的初始状态基础上,侧重于记录各时刻发生的事件序列,同时记录每个事件对时空对象所产生的变化。不同于以往的数据模型,Yuan[7]将时间单独列出来,提出空间域、时间域和语义域的概念,从而建立了三域模型。该模型不仅能描述时空对象的属性特征随时间的变化,还能对时空对象的空间特征随时间的变化进行建模,实现地理实体的动态表达。与此同时,国内学者也陆续提出了侧重点不同的时空数据模型。尹章才等[8]提出基于图论的时空数据模型,将空间信息的位置状态和变迁记录在图的节点和弧段中,并显式地表达时空对象之间的拓扑关系,提供了丰富的语义信息。2010年,薛存金等[9]提出面向过程的时空数据模型,以过程对象为核心,分别记录对象在产生、扩展、稳定、消弱和消亡等一系列阶段中不同的演化机制,从而实现地理实体连续渐变的表达。随后,龚健雅等[10]提出一种支持动态地理对象表达和时空过程模拟的实时GIS时空数据模型,以时空过程、地理实体和事件为核心,并结合传感观测、模拟状态等要素,来满足实时GIS的需求。
Tab. 1 Comparative analysis of spatio-temporal data models

表1 时空数据模型对比分析

时空数据模型 动态变化表达 关联关系建模
基于矢量和栅格的时空数据模型的扩展 [4, 11] 快照的方式来支持离散变化的表达 隐式
面向对象的时空数据模型的扩展[5, 12-13] 利用面向对象的思想,将时态信息作为对象的一个属性,来支持离散变化的表达 隐式
基于事件的时空数据模型的扩展[6, 10, 14] 在事件中记录每个时空对象的变化 隐式
基于图论的时空数据模型的扩展[8, 15] 图的顶点表示时空对象,图的边来关联时空对象之间的变化 显式
面向过程的时空数据模型的扩展[9, 16] 过程内部的关联关系与事件隐式地记录实体或现象的连续渐变表达 隐式
在现实世界中,地理实体及其相互关系不断发生动态的变化,因此建立的时空数据模型需要完整地描述实体及其关联关系的动态变化。本文从动态变化表达和关联关系建模2个方面,对已有的主流时空数据模型进行比较分析（表1）,通过对模型对比可以看出：
（1）模型所支持的动态变化表达方面,基于矢量和栅格的时空数据模型的扩展（包括快照模型、基态修正模型、时空复合模型等）[4,11]、面向对象的时空数据模型的扩展[5,12-13]、基于事件的时空数据模型的扩展[6,10,14]、基于图论的时空数据模型的扩展[8,15]都是针对地理实体的离散变化,无法有效表达空间特征和属性特征连续变化的地理实体;只有面向过程的时空数据模型的扩展[9,16]能较好地表达连续渐变的地理实体,但它不能对离散变化现象进行有效地描述。此外,除了基于事件的时空数据模型的扩展可以显式地表达地理实体的变化规律外,其他数据模型都是隐式地记录实体的动态变化机制。
（2）除了基于图论的时空数据模型[8,15]外,其他模型对地理实体关联关系的描述都是隐式的,需要经过进一步的推理和计算。在关联关系的完整性表达方面,这些时空数据模型能够描述在空间和时间上的关联关系,但缺乏地理实体在属性语义上的相关性的表达。
总体来说,现有的时空数据模型对离散变化的表达方面支持较好,在连续变化方面存在不理想的情况,不能同时支持对地理现象的离散和连续变化的描述;此外,现有模型难以完整表达地理实体在空间、时间和属性语义上的相关性,因而不能很好地为后续的时空分析与应用服务。

3 面向地理实体及其关联关系动态 变化表达的时空数据模型

在已有的时空数据模型基础上,针对地理实体及其关联关系隐式描述、离散变化及连续变化表达的问题,本文提出一种面向地理实体及其关联关系动态变化表达的时空数据模型,其概念设计如图1所示。该模型对时空对象及其关联关系进行建模和表达,同时将动态变化抽象化,显式地表达地理实体及其相互关系发生的离散和连续变化。
Fig. 1 Thespatio-temporal data model for dynamic expression of geographical entity and its association

图1 面向地理实体及其关联关系动态变化的时空数据模型

3.1 时空对象及对象片段

如图2所示,时空对象是由n个对象片段组成,尽管这些对象片段的时间跨度并非一定均匀,但是每个对象片段内具有一致的变化模式,它们在时间轴上无缝、有序排列,能够表达时空对象的整个变化过程。
STObject = { ObjectSegmen t 1 , ObjectSegmen t 2 , ⋯ , ObjectSegmen t n } （1）
如何划分对象片段,需要了解时空对象整个的变化规律,使得在[ti-1, ti]区间内,时空对象具有相同的变化模式。当时空对象在[ti-1, ti]区间内不具有明显地变化规律时,可以尽可能地将ti-1逼近ti,直至ti-1与ti相等,对象片段就变成了离散的时刻。
如图3所示,每一个对象片段包括随时间变化的空间位置、几何形态和属性特征。
ObjectSegmen t i = { Location t , Geometry t , Attribute t } , t ∈ [ t i - 1 , t i ] （2）
空间位置表达用于描述时空对象发生移动的过程。空间位置函数Location（t）刻画了时空对象的运动轨迹,可以使用绝对坐标或者相对距离随时间变化的方程,能计算出[ti-1, ti]内任意时刻时空对象的空间位置情况。
Fig. 2 The composition of spatio-temporal object

图2 时空对象的组成示意图

几何形态描述了时空对象的形状变化过程。时空对象的几何形状是由点、线、面等基本图形组成的复杂图形。点状对象不存在几何形态的变化,线状对象可以延长或者缩短,而面状对象则是收缩或者扩张。根据几何形态函数Geometry（t）,可以获取时空对象的几何形态随时间变化的情况。
属性特征描述的是时空对象的性质和特征。根据度量属性特征的不同方式,可以分为定名类型、序列类型、间隔类型和比率类型[17]。定名、序列类型可以定性地表达属性特征在等级和层次上的不同变化,如今天的温度比昨天的温度低;而间隔、比率类型不仅可以描述属性特征的大小、强弱和级别差异,还能进一步地量化差距多少以及相差的倍数,如今天的温度比昨天的温度低10 ℃。时空对象某一时刻的属性值可以通过属性特征函数Attribute（t）计算出来。
Fig. 3 The structure of spatio-temporal object and object segment

图3 时空对象及对象片段的结构图

3.2 关联关系

在现实世界中,地理实体不是孤立存在的,它们之间有着各种各样的关联,并且这种关联关系会随时间而变化。在关联关系分类的基础上,通过采用知识图谱的资源描述框架（Resource Description Framework, RDF）模型,来对地理实体之间的关联关系进行建模和表达。
3.2.1 关联关系的分类
时间语义常常蕴含在空间语义和属性语义之中,即时态语义是隐含在空间上和属性上的关系。空间关系是描述地理实体在一段时间内的空间相关性,而属性关系是地理实体间一段时间内属性语义上的联系。因此,本文在关系片段基础上,考虑地理实体间的空间关系和属性关系,如图4所示。
Fig. 4 The structure of entity association

图4 关联关系的结构图

（1）空间关系
空间关系描述了时空对象之间在关系片段内的空间关系情况,包括拓扑关系、度量关系及顺序关系。
空间拓扑关系是最基本、最重要的关系,它描述的是拓扑变换下的保持不变的关系[18-19]。目前Egenhofer等[20]基于点集拓扑理论建立的九元组描述框架已被广泛采用,如表2所示,典型的拓扑关系有相离、相邻、相交、相等、包含、位于内部、重叠和被重叠等。
Tab. 2 Topological relationships between spatio-temporal objects

表2 时空对象间的拓扑关系

拓扑关系 谓词 矩阵表示
相离 Disjoint ∅∅¬∅∅∅¬∅¬∅¬∅¬∅
相邻 Meet ∅∅¬∅∅¬∅¬∅¬∅¬∅¬∅
相交 Overlap ¬∅¬∅¬∅¬∅¬∅¬∅¬∅¬∅¬∅
相等 Equal ¬∅∅∅∅¬∅∅∅∅¬∅
包含 Contain ¬∅¬∅¬∅∅∅¬∅∅∅¬∅
位于内部 Inside ¬∅∅∅¬∅∅∅¬∅¬∅¬∅
覆盖 Cover ¬∅¬∅¬∅∅¬∅¬∅∅∅¬∅
被覆盖 Cover-by ¬∅∅∅¬∅¬∅∅¬∅¬∅¬∅
空间度量关系用于度量时空对象之间的距离程度,它既可以采用定量的表达方式,如常用的欧氏距离;也可以采用定性的描述方式,如距离分级的方法[21]。设时空对象O1和O2,P1和P2是对象O1和O2内的任意一点,计算它们之间的最小距离,如式（3）所示：
Dis O 1 , O 2 = min Dis O 1 , O 2 = min Dis P 1 , P 2 , P 1 ∈ O 1 , P 2 ∈ O 2 （3）
空间顺序关系描述的是时空对象之间的方向关系。可以采用方位来描述方向关系,如东、西、南、北等,也可以计算时空对象之间的方位角进行定量描述。Goyal[22]提出方向关系矩阵模型,设时空对象O1和O2,将空间划分为对象O1的东（E）、西（W）、南（S）、北（N）、东北（NE）、东南（SE）、西北（NW）、西南（SW）以及中心（M）区域,计算它们之间的方向关系,如式（4）所示：
D ir O 1 , O 2 = O 1 NW ∩ O 2 O 1 N ∩ O 2 O 1 NE ∩ O 2 O 1 W ∩ O 2 O 1 M ∩ O 2 O 1 E ∩ O 2 O 1 ( SW ) ∩ O 2 O 1 ( S ) ∩ O 2 O 1 ( SE ) ∩ O 2 （4）
（2）属性关系
时属域上的属性关系描述了时空对象之间在关系片段内的属性关系情况。借鉴面向对象的思想[23],本文考虑对象之间存在一定的关联、依赖、分解和组合关系：① 关联是指对象之间的相关关系,如老师和学生之间的指导关系;② 依赖描述的是一个对象的变更会影响另一个对象的变化,例如一辆汽车跟随另外一辆汽车,后面汽车的运动模式会依赖于前面的汽车;③ 分解描述的是整体拆分为各个组成部分的关系,例如大的地块分解为若干个小的地块;④ 组合描述的是各个组成部分组装为整体的关系,例如若干条道路组合成某个城市的道路网络。
3.2.2 基于RDF模型的关联关系建模
RDF模型是知识图谱中一种常见的数据模型,由主体、谓词和客体组成的三元组,主体和客体表示所要描述的对象,谓词表示了主体和客体之间的关系[24-25]。RDF模型可以对现实世界的事物及其相互关系进行形式化地描述。
如式（5）所示,在RDF模型的基础上,采用四元组对时空对象之间动态的关联关系进行建模。
Relationshi p k = { { STObjec t i } , { STObjec t j } , RelationType , T } , i ≠ j （5）
其中Relationshipk可以是一个时空对象与一个时空对象之间的关系,也可以是多个时空对象与多个时空对象之间的关系;RelationType是关联关系的类型,如空间上的拓扑关系、方向关系和距离关系,属性上的关联、依赖、分解和组合关系;T是关联关系的生命周期。
Fig. 5 Process of land change

图5 土地变迁的过程

如图5所示,土地随时间的变迁过程。在T1时刻,地块3分割为地块4和地块5;在T2时刻,地块2和地块4合并为地块6,用改进的RDF模型显式地表达它们之间的属性关系：
{STObject3, {STObject4, STObject5}, Decomposition, {T1, T2}}, {{STObject2, STObject4,}, STObject6, Composition, {T2, ∞}}

3.3 动态变化表达

动态变化是时空对象及其关联关系随时间推移所发生的变化,如图6所示,动态变化既有时空对象的空间位置、几何形态和属性特征变化,也有时空对象之间的关联关系变化。通过采用快照与增量、函数与方程的方法,来对离散变化和连续变化进行表达。
Fig.6 The structure of dynamic changes

图6 动态变化的结构图

3.3.1 时空对象的变化
时空对象的变化是指在2个对象片段之间,时空对象的空间位置、几何形态或者属性特征发生的变化：
（1）空间位置变化是时空对象的位置发生移动,如汽车在公路上行驶,渐行渐远;
（2）几何形态变化是时空对象的形状产生收缩或者扩张,如土地的扩张,湖泊的形成和消亡;
（3）属性特征变化是某一属性的数值随时间的变化,例如,某段时间内,城市的温度持续升高。
如式（6）所示,通过一个三元组来定义一个时空对象变化的组成。
ObjectChang e k = { ObjectSegmen t i , ChangeType , ObjectSegmen t j } （6）
式中：ObjectSegmenti和ObjectSegmentj是时空对象变化前后关联的2个对象片段;ChangeType是2个对象片段所发生变化的类型,可以是空间位置变化、几何形态变化和属性特征变化。
3.3.2 关联关系的变化
关联关系变化是指时空对象之间的关联关系发生变化,通常是由时空对象的变化所引起的,这些变化包括空间关系变化和属性关系变化。如式（7）所示,用一个三元组表示前后关联关系的变化：
RelationChang e k = { Relatio n i , ChangeType , Relatio n j } （7）
式中：Relationi和Relationj是变化前后2个关联关系;ChangeType是关联关系所发生的变化类型,可以是空间上的拓扑关系、距离关系和方位关系变化,也可以是属性关系变化。
3.3.3 离散变化和连续变化的表达
尽管动态变化可以是离散或者连续的变化,但从计算机表达的角度分析,对离散变化的描述更为简单和方便,而对连续变化存在不理想的情况。本文为了支持动态变化的完整性表达,应采用2种不同的方式即同时支持离散和连续变化的描述。
针对离散的变化,采用快照和增量的方式记录地理实体发生的变化。当时空对象发生离散变化时,记录发生变化的类型（如空间特征变化或属性特征变化）、前后2个时刻时空对象的增量值以及当前的时刻值;同时,以快照的方式记录当前时刻时空对象的所有特征值,并对时空对象进行相应地更新,通过这些方式,来显式地表达时空对象发生的离散变化。
与离散变化不同的是,由于计算机技术的限制,连续变化是通过采集大量离散时刻点的时空对象的状态值,来对它的变化模式进行分析。因此,针对连续变化的表达,一方面通过预先提供方程库,来设定时空对象的变化趋势;另一方面,提供学习模型库,在已采集的离散时刻值的基础上,来近似逼近时空对象连续变化的趋势,计算或模拟出其变化的模式。一些通用的连续变化方程如下：
（1）空间位置的连续变化,如直线轨道方程、弧形轨道方程以及曲线的轨道方程;
（2）几何形态的连续变化,在原来形状方程的基础上,考虑几何形状扩张或者收缩速度变化的方程;
（3）属性值域的连续变化,涉及变化率的不同,如线性方程和非线性方程。
当地理实体的连续变化发生时,记录时空对象变化的类型、预先设定或计算求解的变化方程,同时记录发生连续变化的时间段;有些情况下,连续变化是由不同分段的变化方程来组成,需要切分成若干个时间段,而在每个时间段内其变化模式是相同的。
通过采用离散和连续相结合的方式,来显式地表达地理实体的空间特征、时间特征及其关联关系的动态变化,辅助人们理解和挖掘地理实体和现象的基本变化规律。

4 结论与展望

本文在动态变化表达和关联关系建模的基础上,提出了一种新的时空数据模型。该模型不仅能够表达地理实体的空间位置、几何形态和属性特征随时间推移发生的离散和连续变化,同时也显示地描述了地理实体之间的空间关系和属性关系的动态变化,提供了丰富的语义信息,有助于理解和挖掘地理现象的基本变化规律。
目前,本文提出的时空数据模型是在概念和逻辑层次上的实现,需要进一步构建出物理层次的模型,并用于实际的案例中,使之能够直接描述现实世界中动态的地理现象,以揭示其变化的规律性和关联性。

The authors have declared that no competing interests exist.

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苏奋振,周成虎.过程地理信息系统框架基础与原型构建[J].地理研究,2006,25(3):477-484.GIS的发展正在从基于空间状态的“静态”基础走向基于时空过程的“动态”基础.作者提出了过程地理信息系统（PGIS）的概念及其理论框架体系.本文剖析了PGIS中过程所在的时空范畴,阐述了过程在PGIS中的含义及其结构,并探讨了PGIS基本空间框架、体系结构和过程仓库的理论基础.在此基础上,定义了PGIS的基本时空处理分析功能范畴,从过程的时空特性出发,结合所研发的海洋地理信息系统平台MaXplorer,阐述了PGIS不同于传统GIS的相关功能,即过程管理、可视化、特征化、对象化、逻辑运算和符号化等.

DOI

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