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地球信息科学学报 >

2021 , Vol. 23 >Issue 1: 113 - 123

DOI: https://doi.org/10.12082/dqxxkx.2021.200423

专栏："全空间信息建模分析方法与应用研究"

多粒度时空对象组成结构表达研究

  • 李锐 , * ,
  • 石佳豪 ,
  • 董广胜 ,
  • 刘朝辉
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  • 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,武汉 430079

李 锐（1974— ）,女,湖北武汉人,教授,主要从事网络GIS、时空计算与大数据挖掘、知识图谱与语义计算研究。E-mail:

收稿日期: 2020-07-31

  修回日期: 2020-10-22

  网络出版日期: 2021-03-25

基金资助

国家重点研发计划项目(2016YFB0502301)

国家自然科学基金项目(41771426)

版权

版权所有，未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
收起

Research on Expression of Multi-granularity Spatio-temporal Object Composition Structure

  • LI Rui , * ,
  • SHI Jiahao ,
  • DONG Guangsheng ,
  • LIU Zhaohui
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  • State Key Laboratory of Information Engneering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China
*LI Rui, E-mail:

Received date: 2020-07-31

  Revised date: 2020-10-22

  Online published: 2021-03-25

Supported by

National Key Research and Development Project(2016YFB0502301)

National Natural Science Foundation of China(41771426)

Copyright

Copyright reserved © 2010.
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摘要

全空间信息系统、智慧城市的构建,需要将地理实体抽象成时空对象,而时空对象的多粒度性,体现在时空对象具有多尺度、多维度、多层次的特点。如何在当今海量数据中,对多粒度时空对象的信息进行有序组织成为时空对象研究中的难点。本文基于面向对象的思想,提出了一套时空对象组成的表达与操作方法,为时空对象信息的有序组织提供了新思路。该方法基于概念分类理论,将时空对象的组成分为实体对象组成与关系组成,在此基础上,通过构建时空对象信息集族、对象组成集族、关系组成集族,对时空对象组成结构的形式化描述,并基于时空对象的生命周期,给出构建、更新、析构、组合、分解等时空对象组成表达的相关操作,进一步完善多粒度时空对象组成结构的表达。最后,以城市道路的组成信息管理为例,将武昌区珞喻路作为研究的时空对象,对城市道路时空对象组成结构的表达及操作进行举例说明。该方法的提出,实现了多粒度时空对象组成结构的表达,减少时空对象组成的冗余。

关键词： 全空间信息系统; 时态GIS; 地理实体; 时空对象; 组成结构; 关系集族; 生命周期; 多粒度变换

本文引用格式

李锐 , 石佳豪 , 董广胜 , 刘朝辉 . 多粒度时空对象组成结构表达研究[J]. 地球信息科学学报, 2021 , 23(1) : 113 -123 . DOI: 10.12082/dqxxkx.2021.200423

Abstract

The construction of pan-spatial information systems and smart cities requires abstracting geographic entities from spatiotemporal objects. The multi-granularity of spatiotemporal objects is reflected as the multi-scale, multi-dimensional, and multi-level characteristics of spatiotemporal objects. In the era of big data, how to organize the information of multi-granular spatiotemporal objects has become a difficult issue in the research of spatiotemporal objects. Based on object-oriented thinking, this paper proposes a set of expression and operation methods for the composition of spatiotemporal objects, which provides a new idea for the orderly organization of spatiotemporal object information. This method is based on the concept of classification theory and divides the composition of spatiotemporal objects into entity object composition and relation. Then we construct the spatiotemporal object information set , object composition set, and relationship composition set to make a complete description of the composition structure of spatiotemporal object. Then we provide related operations on the composition and expression of spatiotemporal objects such as construction, update, destruction, combination, and decomposition to further improve the expression of multi-granular spatiotemporal objects. Finally, we take Luoyu Road in Wuchang District as the spatiotemporal object in this study, and the expression and operation of the structure of the spatiotemporal object are illustrated with examples. The proposed method realizes the expression of the composition structure of multi-granular spatiotemporal objects and reduces the redundancy of the composition of spatiotemporal objects.

Key words： pan-spatial information system; temporal GIS; geographic entities; spatiotemporal objects; composition structure; relational set; life circle; multi-granularity transition

1 引言

近50年不断发展,GIS学科的研究方向由传统研究地球表层系统,逐渐发展成包括地理信息技术、地理信息科学、地理信息应用的综合性学科,并广泛的应用于政府管理、环境保护、医疗保健等领域[1]。传统GIS学科将现实世界的地理实体抽象成点、线、面等几何对象,通过图层的方式进行表达[2]。随着5G、大数据、人工智能时代的到来,GIS学科正面临数据海量、信息缺失、知识难觅的局面[3],当前GIS理论难以有效地描述现实世界、表达空间实体之间的动态变化及其发展关系。在此背景下,周成虎等[4]提出全空间地理信息系统的概念,全空间是对常规GIS研究对象在空间范畴、属性特征、时空关系、认知能力、行为能力等方面的扩展和延拓,突出表现为其在空间的泛在性。全空间概念的提出,其目标在于构建无所不在的GIS世界。由于现实世界的复杂性,使得任何信息系统都不能对现实世界进行完全描述与表达。根据对现实世界的认知,可以将现实世界抽象成不同实体组成的世界。时空实体可以体现实体的时间特征、空间特征和变化特征。而不同的时空实体之间具有不同的空间尺度,时空实体可以分解成更小的时空实体,也可以组成更大的时空实体。因此需要基于不同粒度对时空实体进行抽象与描述。多粒度时空对象是指在计算机所构建的数据世界中,对多粒度时空实体以数据、模型、规则、逻辑、知识等形式进行表达。在此理论基础上,华一新[5]进一步指出,建立基于多粒度时空对象数据模型为全空间信息系统的核心问题。基于已有的全空间理论,于天星等[6]通过构建“全局—相对—对象”三级空间,提出一种支持地理实体时空位置多粒度表达方法;刘朝辉等[7]针对传统时空对象属性特征表达方法所存在的层次结构不清晰、存储冗余等缺陷,提出一套顾及语义尺度和动态特性的属性特征分类表达和操作方法,萧声隽等[8]通过构建简单对象空间关系计算算子,并将其推广到多粒度对象,实现全空间地理信息系统框架下多粒度对象3种空间关系的一体化表达与计算;江南等[9]提出全空间的全息表达,指出全空间系统包括展示性表达、分析性表达、探索性表达3个层次,进一步拓展和延伸了时空对象的广度、深度;张政等[10]以全空间信息系统为背景出发, 按照是否实时构建,将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,以此分别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;丁小辉等[11]等研究了时空行为的基本特征,将时空对象的运动变化作为行为结果,依据行为结果,将时空行为归纳为时空对象的空间行为、属性行为、关系行为及复合行为;并分别给出4类基本行为的形式化表达方式,为时空本体表达时空对象的基本行为奠定理论基础。陈云海等[12]基于多粒度时空对象的理论基础,对湿地进行数据组织,进一步分析并抽象得到湿地时空行为认知表达。
上述研究通过将时空对象抽象成为一个整体,进一步论述地理实体的属性、相互关系、行为认知。但在全空间GIS的相关研究中,尚未提出一种描述时空对象部分与整体之间关系组成的表达方案。而在实际场景下,一个时空对象往往会是其他（一个或多个）时空对象（父对象）的组成部分,同样,一个时空对象往往由一个或多个时空对象（子对象）组成。同时,时空对象具有多粒度性,时空对象的多粒度性体现在随着时空对象组成结构的层级变化,时空对象所包含的空间范围粒度也随之改变。如何从时空对象的组成结构切入,对多粒度时空对象进行描述成为一个难点[4]。本文基于已有的全空间时空对象描述理论基础[5],提出一种描述时空对象组成结构的表示方法,该方法首先对时空对象的组成结构信息进行组织,将时空对象组成结构分成对象组成和关系组成两部分,对时空对象的组成描述进行扩展。通过集族的形成对时空对象组成结构进行表达。最后基于时空对象集族、对象组成集族、关系组成集族,给出时空对象组成结构的操作方法。

2 多粒度时空对象的组成结构

在地理信息科学中,面向对象的地理空间表达方法,具有较强的抽象特性以及丰富的语义描述特性[13],更加接近人们的思维方式与生活习惯。基于对象的概念,地理空间上的实体都能被抽象成为不同的时空对象,不同对象具有各自的属性与规则,在不同的层次粒度下,可将时空实体进一步具化为不同粒度的时空实体,称之为多粒度时空实体[14]。多粒度时空对象是多粒度时空实体在数字世界中的描述与表达,是对客观世界直接对象化建模的结果。时空对象表达出不同的空间形态、属性与细节[14]。多个时空对象可以抽象聚合组成时空对象,并且呈现出组合时空对象与时空对象之间的层次关系,即高层次对象可以由低层次对象组成[15]。这种关系在实际场景中,可以解释为一个时空对象往往会是其他（一个或多个）时空对象（父对象）的组成部分（如交通监控,可以是城市交通设施的一部分,也是道路设施的一部分）同样,一个时空对象往往由一个或多个时空对象（子对象）组成（如城市道路可以由机动车道、非机动车道、辅道、人行道等组成）。其中包含逻辑上的组成关系和空间上的结构关系。因而,在注意关系可变性的基础上,进一步描述时空对象间的组成结构关系具有必要性。
多粒度时空对象的组成结构可以通过时空对象实体以及时空对象之间的关系进行描述。因此,本节通过对象组成,关系组成2部分内容建立时空对象的组成结构。

2.1 对象组成

在时空对象实体关系研究领域中,许多学者提出了自己的观点：Petri[16]提出Petri网作为研究对象实体信息及其相互关系的数学模型,舒红等[17]提出面向对象的表达方法,构造二维矢量空间的时空数据表达模型,直观地实现了时空对象实体的表达,尹章才等[18]提出一种基于图论的方法描述时空关系与实体。而上述研究中,并未从对象组成层次对时空对象进行描述,而对象组成包含了大量时空对象之间信息。因此,对时空对象的组成进行描述具有必要性。
针对不同时空对象的自身属性,可以将其分成简单时空对象和复杂时空对象[19]。简单时空对象在形态上大多表现为点、线、面3种类型,结构上不可再分。复杂时空对象由多个简单时空对象进行组合,例如房屋对象的组成包括建筑体、门、窗等子对象,而门包含了把手、锁、插销等对象。通过集族的形式可以描述时空对象间层次结构组成关系及其动态变化信息。以房屋对象为例,随着时间变化,房屋逐渐被建成,建筑体、门和窗等子对象被逐一组合以形成房屋对象,随着房屋被拆除,建筑体、门和窗等子对象被逐一的分解和销毁。因此,可以定义复杂时空对象为简单时空对象上的层级对象。
时空对象Vz的组成结构如图1所示,各个节点代表不同时空对象,若2个时空对象之间不存在有向路径,即path=[ ],则说明它们之间不存在从属关系,如图中Vy与Vz-2。若二者之间存在有向路径,如Vd与Vz之间的存在有向路径path=[Vz,Vy,…,Ve,Vd],则定义N=Norm(path),N表示为path的模,即该路径内包含的节点数。在path向量中,除去时空对象Vz,本身,其他均可定义成Vz,的父对象,若N=2,则path可以表述为path=[Vz,Vy],时空对象Vy,为Vz,的父对象,同理,时空对象Vd,为Vz,的N-1级父对象。随着观察粒度不断加粗,对应层级时空对象结构更加复杂。
图1 多粒度时空对象间从属关系

Fig. 1 Dependency among multi-granularity spatiotemporal objects

基于多粒度时空对象的概念,对象组成可以从时间标记,父对象集族,子对象集族和状态更新标记集族4个部分进行表达：
（1）时间标记：用于描述当前时空对象生成或者更新时间信息,不对时间粒度作限制。
（2）父对象集族：对象集族包括一级、多级父对象集族。一级父对象集族描述与当前时空对象具有直接从属关系的全部父对象。多级父对象集族描述与当前时空对象具有间接从属关系的全部父对象。
（3）子对象集族：子对象集族包括一级、多级子对象集族。一级子对象集族描述与当前时空对象具有直接从属关系的全部子对象。多级子对象集族描述与当前时空对象具有间接从属关系的全部子对象。
（4）对象状态更新标记集族：当时间标记发生改变,如果父对象集族与子对象集族未发生变化,则对象更新标记集族不产生记录;如果父对象集族或子对象集族中有父/子对象被删除,则产生记录为该父/子对象被删除;如果父对象集族或子对象集族中有父/子对象增加,则产生记录为新增父/子对象;如果有父对象或子对象发生改变,则产生记录为父/子对象改变,并递归追溯到发生改变的父/子对象的对象组成进行标记。对象组成具体变化如图2所示,在T0时刻,时空对象V的父对象集族{P},一级子对象集族为{C1,C2,C3},由于此时刻下时空对象V的从属关系并未发生变化,故对象状态更新集族为空;在T1时刻,时空对象V的父对象集族未发生变化,而一级子对象集族中删除了时空对象C3,因此,一级子对象集族变为{C1,C2},对象状态更新集族为{时间:T1,对象:C3,状态:删除}。
图2 时间标记变化引起对象组成的变化

Fig. 2 The change in time marker causes a change in object composition

2.2 关系组成

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、度量关系及方向关系[20]当子对象位于当前时空对象内部,当前时空对象与其子对象之间的拓扑关系必然为包含关系,而方位和度量关系则无法描述。因而传统的空间关系（拓扑、方位和度量）已不适用于时空对象空间构成关系的描述,因此需要新的描述方法对时空对象空间关系组成进行全方位描述。
本节中基于当前时空对象,建立对象参照系,描述时空对象子对象在对象参照系中的空间位置,进而描述子对象与时空对象的空间构成关系。时空对象与其子对象的空间构成关系是基于子对象在当前时空对象参照系中的时空位置和空间形态来描述。例如主干道路对象以及组成主干道路的子对象包括机动车道,绿化带,辅路和非机动车道等,主干道路子对象相对于主干道路的空间位置可简单描述为各子对象距离主干道路中心线的距离,进而描述主干道路子对象与主干道路的空间构成关系。可表述如下：
空间构成关系 = { 时间标记 , 对象参照系 , 子对象空间位置 }
（1）时间标记：当前时空对象与其子对象的空间关系的生成、更新时间信息,不对时间粒度作限制。
（2）对象参照系：描述当前时空对象的子对象在当前时空对象内空间位置。
（3）子对象空间位置：针对时空对象位置的描述,于天星[6]基于地理实体时空位置多粒度、多级空间的特性,提出全局—相对—对象三级时空对象空间位置集的概念,在本文中,描述子对象的空间位置可以通过相对空间位置集的描述形式为：
空间位置集 = { 相对空间 : [ 实体类别 , [ 实体位置 ] , [ 实体姿态 ] }
其中实体类别、实体位置、实体姿态的具体定义如下：
实体类别:标记地理实体在该级空间中被抽象的类别,类别划分方法可遵循传统GIS的要素划分,如{体、面、线、点等},可根据实际需求进行不同程度的细化。
实体位置:描述了地理实体在该级空间中的空间位置。
实体姿态：描述了地理实体在该级空间中的瞬时姿态。

3 多粒度时空对象组成结构的形式化 描述

综合以上多粒度时空对象组成结构的表达方法,时空对象的组成结构表达集族划分为由时空对象信息集族、对象组成集族、关系组成集族3个部分组成。其中时空对象信息集族包括时空对象编码（OID）与时间标记（TS）,对象组成集族由当前时空对象的父对象集族（PSO）、子对象集族（CSO）以及关系组成集族（USO）3个子集族组成,关系组成集族由构成关系集族（PCSR）、关系更新集族（UR）构成。多粒度时空对象组成结构的形式化描述可以表示为图3的层次结构。
图3 多粒度时空对象组成结构形式化描述

Fig. 3 Formal description of the structure of multi-granularity spatio-temporal objects

综合以上多粒度时空对象组成结构的表达方法,时空对象的组成结构表达集族C可表示为式（3）的形式。
时空对象组成结构 C = { 时空对象信息集族 = { OID , TS } , 对象组成集族 = { PSO , CSO , USO } , 关系组成集族 = { PCSR , UR } }

3.1 时空对象信息集族

时空对象信息集族中OID(ObjectID)表示时空对象编码,用来唯一标识时空对象;TS(TimeStamp)为时间标记,用来标记时空对象的时间节点;默认情况下为当前时间粒度下单位时段的起止时间,如{2020年6月4日},代表当前时空对象的时间位置,即2020年6月4日0时至24时,而{2020年6月4日15时},代表2020年6月4日15时0分至60分。

3.2 对象组成集族

对象组成集族中PSO（Parent Spatiotemporal Objects）为当前时空对象的父对象集族,CSO（Child Spatiotemporal Objects）为当前时空对象的子对象集族,USO（Update Spatiotemporal Objects）为当前时空对象集族的更新集族。
PSO可具体描述如式（4）所示：
PSO = { PS O i | 1 < i < N } PS O i = { { POID , Name } }
PSO中包括当前时空对象的N级父对象集族（或多级父对象集族）,PSOi表示i级父对象集族。对某时空对象所有父对象全部储存于集族内,容易造成存储空间冗余,而在实际情况下,在时空对象父对象集族中,只记录一级父对象也可推导出时空对象组成结构。因此,通常只记录一级父对象集族,即 i = 1 。POID为当前时空对象的父对象标识,Name是其父对象对应的名称。
CSO可具体描述如式（5）所示。
CSO = iCSO | 1 < i < N iCSO = COID , Name , COID , Name ⋯  
CSO中包括当前时空对象的i级子对象集族（或多级子对象集族）,iCSO表示i级子对象集族。但是通常只记录一级子对象集族,即 i = 1 ,多级子对象集族可缺省。COID为当前时空对象的子对象标识,Name是其子对象对应的名称。
USO可具体描述如式（6）所示：
USO = TS , POID / COID , State , Name
式中：TS表示时间标记;POID为当前时空对象的父对象标识;COID为当前时空对象的子对象标识; State 为变更状态标记值,可为0,1,-1,2等,0表示没有发生变化,可缺省,1表示增加时空父/子对象,-1表示删除时空父/子对象,2表示时空父/子对象被修改; Name 是时空对象对应的名称。

3.3 关系组成集族

关系组成集族RC：集族中PCSR（Pather-Child Spatiotemporal Reletionship）为当前时空对象与其子对象的空间构成关系集族;UR（Update Relationship）为关系更新集族。
PCSR可具体描述如式（7）所示。
PCSR = SRID , COID , OR , Location
式中：SRID为时空关系标识;COID为当前时空对象的子对象标识;OR为对象参照系;Location为子对象的空间位置集族,可具体为空间坐标。
UR可具体表示如式（8）所示：
UR = TS , SRID , State , COID , TOR , f , Location ⋯
式中：TS表示时间标记;SRID为时空关系标识;State为变更状态标记值,可为0,1,-1,2等,0表示没有发生变化,可缺省,1表示增加空间关系,-1表示删除空间关系,2表示空间关系被修改;COID为当前时空对象的子对象标识;TOR为目标参照系,f为参照系转换映射,目标参照系和参照系转换映射只有在参照系变更时才会被使用到,若参照系未发生变化,则这2项为空或缺省;Location为子对象的空间位置集族;可具体为空间坐标;

4 时空对象组成表达相关操作

在时空对象的生命周期内,时空对象的组成表达需要包含新增、更新、删除、转换等。时空对象组成表达的相关操作可抽象成如图4所示的构造操作、析构操作、更新操作、组合操作、分解操作、组成结构的空间多粒度转换6类操作,各操作的具体含义如下所示。
图4 时空对象组成表达相关操作

Fig. 4 Spatio-temporal object composition expression related operations

4.1 构造操作CT

构造操作是指生成一个全新的时空对象,且该时空对象不是基于现有时空对象的状态转变而来,而是区别于现有时空对象的独立对象。当出现构造操作可表示为式（9）：
NSTObject = Construct ( OID , TS )
式中：NSTObject表示新生成的时空对象;Construct表示构造操作;OID表示生成时空对象的唯一标识;TS表示时空对象生成时间。构造操作仅针对简单时空对象,复杂时空的生成需要通过组合操作（CM）进行。

4.2 更新操作UT

更新操作是指更新当前时空对象及其子对象,可表示为式（10）。
Update ( S TObject ) = Update ( STOIS , OC , RC ) Update ( SubSTObject ) Update ( ParentSTObject )
式中：Update表示更新操作;STOIS、OC、RC分别表示当前时空对象STObject的时空对象信息集族,对象组成集族和关系组成集族;SubSTObject、ParentSTObject表示当前时空对象STObject的子对象与父对象。
若当前时空对象的信息集族、对象组成集族、关系组成集族发生变化,需要执行更新操作UT;同样,若当前时空对象的更新导致其父对象、子对象组成集族和关系集族发生变化,则同样需要对当前时空对象的父对象、子对象的组成集族、关系集族进行更新。

4.3 析构操作DT

析构操作是指删除当前时空对象及其子对象。析构操作可表示为式（11）所示。
Destruct ( STObject ) = Destruct ( STOIS , OC , RC ) Destruct ( SubSTObject ) Upd ate ( ParentSTObject )
式中：Destruct表示析构操作;STOIS、OC、RC分别表示当前时空对象STObject的时空对象信息集族,对象组成集族和关系组成集族;SubSTObject表示当前时空对象STObject的子对象;Update为更新操作,若当前时空对象存在父对象,该对象的析构操作会导致父对象ParentSTObject发生变化,因此需要更新父对象的信息。
以图1中时空对象Ve-2为例,若对时空对象Ve-2执行析构操作,将会删除时空对象Ve-2及其组成子集{Vf-2,Vf-1,Vf,…,Vz-2,Vz-1,Vz},同时对父时空对象Vd的信息集族,对象组成集族和关系组成集族进行更新。

4.4 组合操作CM

组合操作是指将现有的2个或多个时空对象依据一定的规则进行组合,形成新组合时空对象。区别于构造操作,新的时空对象是基于现有时空对象（新时空对象的子对象）转变而来。
组合操作可表示为式（12）：
CSTObject = CSTOIS = Construct ( STOI S i , STOI S j ⋯ ) COC = Compose ( O C i , O C j ⋯ ) CRC = Construct ( STObjec t i , STObjec t j ⋯ )
式中：CSTObject为新组合时空对象;Compose为时空对象组合操作;STObjeci,STObjecj是新组合时空对象的子对象;CSTOIS是新组合时空对象时空信息集族;STOIS是新组合时空对象的子对象的信息集族;COC是新组合时空对象的对象组合;OC是新组合时空对象的子对象的对象组成;CRC是新组合时空对象的关系组合。2个或多个简单时空对象之间按照一定的规则进行组合,形成新组合的复杂时空对象,复杂时空对象之间再进行组合,形成更高层级的复杂时空对象。

4.5 分解操作DM

分解操作不同于析构操作,发生分解操作的时空对象必须为复杂时空对象,分解时是将当前时空对象分解为其子对象,若子对象发生变化,则会导致当前时空对象的父对象连带发生变化。分解操作只需删除当前时空对象的记录,包括时空对象信息集族,对象组成集族和关系组成集族,但是需保留子对象的所有记录。
分解操作可表示为式（13）。
( SubSTObjec t i ) = Decompose ( STObject )
式中：STObject表示当前分解的时空对象;SubSTObject表示当前时空对象STObject分解后的子对象,表示当前时空对象的父对象;Decompose表示分解操作。

4.6 时空对象的生命周期

一个时空对象的生命周期是指从对象的生成、变化到销毁的时间过程。基于以上四种基础操作（构造CT、更新UT、析构DT、组合CM和分解DM）进行组合以实现对该时间过程的表达。时空对象的生命周期表达如公式（14）所示。
Li feCycle ( STObject , t ) = CT                          t = 0 UT 、 DT 、 CM       t = 1 , ⋯ , n - 1 DM                       t = n
式中：时间t表示时空对象的时间标记,取值范围为[0,n];n表示该时空对象发生析构的时间点标记,t=0时,表示构造一个新的时空对象;0<t<n,时,可以对该时空对象执行组合、分解、更新等操作;t=n时,表示对该时空对象执行析构操作。LifeCycle表示时空对象的生命周期。
生命周期描述中时空对象的起始为构造,终结为析构,例如,一栋房屋的生命周期中,房屋的建造对应于时空对象的构造,房屋的装修对应于时空对象的组合与分解,房屋的拆除对应于时空对象的析构。

4.7 时空对象组成结构的空间多粒度变换

时空对象组成结构的空间多粒度变换是指随着组织结构的层级变化,观察到的时空对象在层次结构的时空对象组成中的空间伸缩变换,从而实现观察的空间范围和空间粒度的变换。通常,随着组织结构的层级增大,观察的空间范围减小,观测的空间对象空间粒度更细;随着组织结构的层级减小,观察的空间范围增大,观测的空间对象空间粒度更粗。时空对象组成结构多粒度转化如式（15）：
MultigranularityTransform STObject , l i , l j = { STOIS , OC , RC }
式中：STObect表示当前层级的时空对象;li为当前时空对象层级;lj为多粒度变化后时空对象层级,STOIS、OC、RC分别表示当前时空对象STObject执行多粒度变换后所在层次等级的时空对象信息集族,对象组成集族和关系组成集族。

5 城市道路信息管理应用案例

随着科学技术不断发展、城市化进程的推进,城市路面设施、地表建筑分布不断复杂化,为建设智慧城市带来了海量数据的同时,也为城市数据的管理带来了挑战。道路为城市的最主要的组成基础设施,正确理解城市道路的组成对城市交通的管理具有重要影响。本节将以城市道路的组成信息管理为例,结合本文提出的多粒度时空对象组成结构理论,对城市道路时空对象组成进行描述,并给出可行操作方案。
城市道路组成信息的管理系统可以分为道路时空对象构建、道路时空对象储存及道路时空对象维护。本节将对3个部分的操作进行详细说明,其中道路时空对象构建包括构造操作与组合操作;道路时空对象储存更加关注道路时空对象的储存格式;道路时空对象维护包括更新、分解、析构操作。

5.1 道路时空对象构建

在城市道路组成信息管理系统中,基本组成单元为组成道路的简单时空对象,因此在系统构建初期,需要进行大量的构造、组合操作（图5）。
图5 城市道路信息管理框架

Fig. 5 Urban road information management framework

（1）构造操作：根据前文中对复杂时空对象与简单时空对象的定义,复杂时空对象是由简单时空对象进行组合操作后生成的全新时空对象。以“珞喻路”为研究时空对象,珞喻路是由包括绿化带的树,交通信号灯以及其他简单时空对象进行组合操作生成,因此首先需要对简单时空对象进行构造操作,以绿化带的树为例,对简单时空对象“树”执行简单时空对象的构造,构造操作的公式如式（16）所示。
NSTObjec t t ree 1 = Construct ( ' tree 1 ' , ' 2020 - 01 - 01 ' )
（2）组合操作：将现有的2个或多个时空对象依据一定的规则进行组合,形成新组合时空对象。在本例中,将珞喻路机动车道、绿化带、非机动车道等多个时空对象进行组合,可以形成新的时空对象-珞喻路;将珞喻路、珞狮路、武珞路等武昌区其他道路进行组合,可以形成时空对象：武汉市武昌区道路网。具体组合操作的公式如式（17）所示。
CSTObjec t wuchang_roadnet = CSTOI S wuchang_roadnet = Construct ( STOI S luoyu_road , STOI S luoshi_ road ⋯ ) ; COC = Compose ( O C luoyu_road , O C luoshi_road ⋯ ) CRC = Construct ( STObjec t luoyu_road , STObjec t luoshi_road ⋯ )

5.2 道路时空对象储存

随着城市化的不断推进,道路信息管理的复杂度逐渐增加,因此需要对已构建道路时空对象进行高效存储,而结构化组织的数据结构,将有利于道路时空对象数据的高效处理,同时灵活运用到各个研究领域。
XML（可扩展标记语言）,是储存结构化、半结构化数据的有效格式,具有优良的自描述性、交互性,能为不同业务需求提供数据,为数据转换带来了方便;同时,XML具有较强的结构性,能够灵活定义时空对象结构,便于时空对象组成结构的扩展表达。本节基于XML文件格式设计道路时空对象存储结构,对道路时空对象进行形式化表达。
道路时空对象形式化表达参照第3章内容,由时空对象信息集族、对象组成集族、关系组成集族3部分组成。研究单条城市道路时,道路对象信息集族包括道路对象的唯一标识ID,时间标记;道路对象组成集族包括道路父对象集族、道路子对象集族和时空对象更新集族。其中道路父对象集族中的一级父对象集族为道路所在市、区;道路子对象集族中的一级子对象集族包括机动车道,绿化带,辅路和非机动车道等;两个时间点上道路对象组成未发生变化。道路对象关系组成集族包括道路对象与其子对象的空间关系集族和空间关系更新集族。
将“珞瑜路”作为所研究时空对象,其组成结构的形式化表达构造格式如图6所示。
图6 时空对象珞喻路基于xml格式的表达

Fig. 6 The expression of spatio-temporal object Luoyu Road based on xml format

基于所给出的道路时空对象基于xml格式在对象信息集族、道路对象组成集族、道路对象关系集族上的表达法,可以对道路时空对象进行高层语义信息的抽取。

5.3 道路时空对象维护

随着城市建设的进一步推进,路面施工、路面拓宽、道路重新规划等场景在现实生活中时有发生,会直接影响到部分道路时空对象及其父子对象的组成结构。可抽象成道路时空对象的更新、析构、分解操作,具体操作如下：
（1）更新操作：当时空对象珞喻路发生组成结构变化,如路面拓宽、新增人行道、路面施工等,需要根据实际情况,对珞喻路信息集族、对象组成集族、关系组成集族进行更新。由于珞喻路是属于武昌区道路网的子对象、是珞喻路机动车道、绿化带、非机动车道等的父对象,因此还需对珞喻路的父子对象进行组成结构的更新。执行更新操作的式如式（18）所示：
Update ( STObjec t luoyu_road ) = Update ( STOI S luoyu_road , O C luoyu_road , R C luoyu_road ) Update ( SubSTObjec t luoyu_road ) Update ( ParentSTObjec t luoyu_road )
（2）析构操作：若因为某些情况导致珞喻路不再为武汉市武昌区道路网的子对象,则执行析构操作,删除当前时空对象珞喻路及其子对象。同时其父对象武汉市武昌区道路网组成结构发生变化,因此需要更新武昌区道路网对象组成集族、关系组成集族。执行析构操作的公式如式（19）所示：
Destruct ( STObjec t luoyu_road ) = Destruct ( STOI S luoyu_road , O C luoyu_road , R C luoyu_road ) Destruct ( SubSTObjec t luoyu_road ) Update ( ParentSTObjec t luoyu_road )
（3）分解操作：将当前时空对象珞喻路分解为子对象机动车道、绿化带、非机动车道等,删除珞喻路的记录,包括珞喻路信息集族,对象组成集族和关系组成集族,但是需保留子对象机动车道、绿化带、非机动车道等的所有记录。具体分解操作如式（20）所示。
( SubSTObjec t greenbel t , SubSTObjec t motorway , SubSTObjec t bicyclelane ) = Decompose ( STObjec t luoyu_road )
基于城市道路信息管理系统中对道路时空对象的构建、储存、维护操作,可以进一步提取关键要素,挖掘其中的高级语义特征。针对每个道路时空对象,可以建立其生命周期模型,以珞喻路为例,其模型表达式如式（21）所示。
LifeCycle STObjec t luoy u road , t = CM t = 0 UT 、 DT t = 1 … n - 1 DM t = n
道路时空对象珞喻路的生命周期的起始为组合,即珞喻路的建设完毕;终结为析构,即珞喻路因为城市道路规划方案的改变,从而使得珞喻路不再是城市道路信息管理系统中的子对象。
城市道路时空对象可以在城市道路系统的时空对象组成结构中进行空间伸缩变换,从而实现观察的空间范围和空间粒度的变换。当观察的城市道路组织结构的层级越大,其观察的空间范围减小,观测的城市道路时空对象空间粒度越细。城市道路时空对象组成结构多粒度转化如式（22）。
MultigranularityTransform STObject , l i , l j = { STOIS , OC , RC }
城市道路时空对象组成结构多粒度变换,可以根据用户需求的不同,在不同层级之间建立不同的观测模型,从而更好地实现智慧城市信息化的管理。

6 结论

针对当前时空对象表达方法中存在层次结构不明确、从属关系不清晰、存储冗余等问题,本文基于面向对象的思想,提出了一套时空对象组成的表达与操作方法。
（1）时空对象的组成分为实体对象组成与关系组成,在此基础上,通过构建时空对象信息集族、对象组成集族、关系组成集族,对时空对象组成结构的形式化描述。
（2）给出构建、更新、析构、组合、分解等时空对象组成表达的相关操作。
（3）结合多粒度时空对象组成结构的形式化表达及其相关操作,以城市道路信息管理应用为例,进一步证实该理论在实际应用中的可行性。
该方法的提出,为构建时空对象关系网络奠定了基础,同时通过构造更新集族,减少时空对象组成上的冗余,进一步加强了对时空对象的数据管理。在构建关系组成集族时,本文通过空间位置集族对其进行描述,但这一过程中,未能考虑时空对象的形态分布范围、形态聚集程度等空间形态的变化。今后的工作,理论层次上,将结合时空对象的空间形态,进一步完善时空对象组成结构;目前此套方法仍在理论阶段,因此在应用层次上,需要将此套多粒度时空对象组成结构的表达方法投入到实际项目中,在项目中检验此套理论的可行性,并根据实际情况不断对理论体系进行优化,从而更好地实现基于地理认知理论的细粒度时空对象表达。

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