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Journal of Geo-information Science >

2018 , Vol. 20 >Issue 6: 713 - 720

DOI: https://doi.org/10.1208/dqxxkx.2018.180025

Historical GIS Data Model under Geographic and Historical Perspectives

  • HU Di , 1, 2, 3, * ,
  • LV Guonian 1, 2, 3 ,
  • JIANG Nan 1, 2, 3 ,
  • CAO Weican 1 ,
  • LIU Longyu 4 ,
  • LI Yang 1, 2, 3
Expand
  • 1. School of Geographic Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China
  • 2. Key Laboratory of Virtual Geographic Environment, Ministry of Education, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China
  • 3. Jiangsu Center of Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China
  • 4. School of Social Development, Nanjing Normal University, Nanjing 210097, China
*Corresponding author: HU Di, E-mail:

Received date: 2018-01-02

  Request revised date: 2018-04-22

  Online published: 2018-06-20

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National Natural Science Foundation of China, No.41771421, 41601412

National Key Research and Development Program of China, No.2016YFBO502300, 2016YFF0201304

Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions, No.164320H116

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《地球信息科学学报》编辑部 所有
Fold

Abstract

In recent years, more and more historians and historical geographers have begun to focus on applying GIS technology, and conducted extensive explorations in the research and construction of historical GIS databases and information systems. However, most of these researches are technology-dominated applications. The organization of historical information and historical geographic information mostly focuses on specific topics or applications, lacking data model for the historical GIS basic software. From the dual perspectives of geography and history, this paper is based on the four elements of history: time, place, person, and event (from beginning to the end), integrating geography to emphasize the idea of the "man-earth relationship" and abstracting historical information into historical figures, events, features and scenes, as well as the relationships and experiences/processes. This paper proposed and designed a general historical GIS data model, discussed the composition, attribute, storage scheme of space-temporal objects, the relationship between spatial-temporal objects in the data model. In the application system, the validity of the model was verified by taking the storage and visualization of typical historical figures, events, features and scenes as examples.

Key words： historical geographic information; historical GIS; spatial-temporal data model; temporal GIS; object-oriented

Cite this article

HU Di , LV Guonian , JIANG Nan , CAO Weican , LIU Longyu , LI Yang . Historical GIS Data Model under Geographic and Historical Perspectives[J]. Journal of Geo-information Science, 2018 , 20(6) : 713 -720 . DOI: 10.1208/dqxxkx.2018.180025

1 引言

近年来,GIS技术的快速发展和广泛应用,吸引了历史、历史地理学者的关注,学者们提出了历史GIS的概念,进行了许多有益的基础性和探索性研究。特别是在历史地理信息化方面,建设了大量的历史GIS数据库和信息系统,目前正朝着区域化和专题化方向发展,将来仍会有大量的历史GIS数据库和信息系统建设[1,2,3,4]。数据模型是历史GIS数据库和信息系统建设的重要问题之一,数据模型设计的好坏直接关系到历史GIS数据库和信息系统建设的成败。基础的、通用的历史GIS数据模型是历史GIS的基石,就像矢量数据模型之于GIS一样重要,决定了历史GIS时空分析和表达能力的强弱。
历史GIS数据模型相关研究主要体现在历史GIS数据库和信息系统中的数据模型。中华文明时空基础架构（Chinese Civilization in Time and Space, CCTS）将历史政区信息按朝代划分为时间段进行分层组织,难以反映政区的连续演变过程[5]。中国历史地理信息系统（Chinese Historical Geographic Information System, CHGIS）将地名（或区域）的名称、行政隶属关系和空间属性稳定不变的时间段称为生存期,以若干具有不同生存期的记录数据来实现对地名连续演变过程的描述[6,7]。满志敏[8]提出了一种由二维空间网格和生存期序列组成的三维时空过程数据概念模型,用以描述区域内人地关系的变化过程。陈刚[9]设计了“历史事件-时间段（起始点、结束点）-历史人物-空间地域”四元体模型,建立了涵盖地名、人物、河渠等历史要素的六朝建康历史地理数据库。李凡等[10]在佛山历史GIS数据库中,将时间作为属性数据加入空间数据库,建立了不同类型景观空间特征的表示法和属性表结构,并以某一历史景观空间数据为基准进行增减的方式描述历史景观。北京历史文化地理信息系统包括地理底图数据库和历史文化专题数据库。其中,地理底图数据库包括不同时期的基础地形图、地名图、行政区划图、自然环境状况等基础地理数据;历史文化专题数据库包括王府、胡同、故居、历史文化保护区等专题数据[11]。“丝绸之路”历史地理信息系统构建了生态环境、土地利用、交通商贸、城址城市、民族宗教、文化传播等丝绸之路专题数据库[12,13]。 杨申茂等[14]将不同时间段内的军堡作为基础的空间节点、九边军镇层次体系作为空间隶属关系,构建了明长城军事聚落的基础历史地理数据库。闾国年等[15]、胡迪等[16]在家谱GIS研究中,设计了以时间数据模型、地名数据模型为支撑,以家谱元数据模型、家谱条目数据模型和家谱世系数据模型为核心的家谱GIS数据模型,该数据模型实现了家谱信息在统一时空框架下的统一组织。综上所述,现有的历史GIS数据模型主要是历史GIS数据库和信息系统中的数据模型,面向特定专题或应用,是应用GIS对历史、历史地理信息按照技术的观点进行组织的,通用性差,亟需遵循历史、历史地理学科的知识体系来发展历史GIS基础软件层面的通用数据模型。
地理学和历史学是历史地理的2个源头学科,是历史GIS研究的学科基础和理论基础。对历史GIS数据模型而言,则必须以历史、历史地理的学科知识体系为基础,并在此基础上强化地理学思路,服务于历史、历史地理信息内容本身和更好地支撑历史GIS时空分析与表达。本文从地理与历史双重视角出发,以时间、地点、人物、事件（始末）历史4个要素为基础,融合地理学强调“人地关系”的思想,采用时空扩展对象建模方法,设计了基础的、通用的历史GIS数据模型。该数据模型注重历史信息内容本身,可以较好地支撑面向历史、历史地理问题的历史GIS数据组织、管理、分析与表达。

2 历史信息内容理解

地理与历史的联系十分紧密。地理学是研究人类活动与地理环境的相互关系,即人地关系地域系统的科学[17]。历史是指自然界和人类社会的发展过程,也指某种事物的发展过程和个人的经历[18]。在传统学科分类体系中,地理学一直是历史学的附属学科。虽然现代地理学已经发展为独立学科,但是历史研究依然离不开地理学。历史地理学研究过去地理事物和地理现象及其发展演变规律,将历史学和地理学紧密联系在一起。著名历史学家、历史地理学家谭其骧先生说“历史好比演剧,地理就是舞台”。对于人类社会的发展过程,地理环境的影响起着重要作用。正史二十四史中,有十六部地理志,从《汉书地理志》到《明史地理志》。从正史文献记载来看,地理环境主要体现为山川、气候、物产、政区、居民地和交通等地理要素。地理与历史的联系,如图1所示。
Fig. 1 Relationships between geography and history

图1 地理与历史的联系

从地理的视角来看,强调地理环境,以及人与地理环境的关系。从历史的视角来看,强调事物的发展过程和个人的经历,即时间过程。从地理和历史双重视角来看,是要综合历史要素和地理要素,即历史人物、历史事件和地理环境,在对其进行研究的过程中,既要强调要素的时间过程性,又要强化地理学中“人地关系”的思想,即要强调要素之间的联系。不仅要强调历史人物、历史事物与地理环境的联系,还要强调历史人物、历史事件本身以及二者之间的联系。
正史、地方志、家谱是构成中国历史的三大支 柱[19]。正史是指以纪传体为编撰体例的二十四部史书。纪传体以人物为中心来记叙历史,通常包括传、志、表等体裁。皇帝的传记称为“纪”,一般人的传记称为“传”,记载制度、风俗、经济等称“志”,以表格排列历史大事称“表”。地方志,简称“方志”,是按一定体例,全面记载某一时期某一地域的自然、社会、经济、文化等方面情况或特定事项的书籍文献。家谱是记载同宗共祖的血亲集团世系、人物、事迹的历史图籍。从历史记载来看,历史信息包括时间、地点、人物、事件（始末）4个要素。不同类型、不同体裁的历史文献通常以时间、地点、人物和事件中的某一要素为中心对历史进行记载,对历史信息的表达只能侧重其中一个要素,割裂了历史四要素之间的相互联系。
本文从地理和历史双重视角出发,将历史信息抽象为历史人物、历史事件、历史地物和历史场景等要素,将“人地关系”拓展为“人物、事件、地物、场景”等要素本身及其相互之间的关系。同时将地理中的核心概念“关系”抽象为要素,并强调其随时间的变化;将历史中的核心概念“经历/过程”抽象为要素,并强调其所处的地点。地理和历史双重视角下的历史信息内容理解如图2所示。
Fig. 2 Content understanding of historical information under geographic and historical perspectives

图2 地理与历史视角下的历史信息内容理解

3 历史信息概念数据建模

3.1 建模思路与方法

传统的面向对象建模方法认为对象由属性和操作组成。为了强调对象的时空特性,将对象扩展为时空对象。时空对象具有常规对象的属性和操作,同时还具有时间、空间特征的属性和操作,以及时空特征的属性和操作。历史GIS数据模型设计的思路是在历史信息内容抽象的基础上,即将历史信息抽象为历史人物、历史事件、历史地物和历史场景等要素,进一步将这些要素抽象为人物、事件、地物和场景等时空对象,并借鉴时态数据库领域时态属性的概念,在几何表示的基础上增加时间维信息（称为时态几何）,在关系表示的基础上增加时间维信息（称为时态关系）,从而全面地表示时空对象的时空属性和时空操作,以及时空对象之间的时空关系（图3）。
Fig. 3 Design ideas of historical GIS data model

图3 历史GIS数据模型设计思路

时空对象由时态几何、时态属性和时态关系对象组合而成。时态节点、时态弧段、时态多边形继承于时态几何对象,如图4所示。
Fig. 4 Definition of spatial-temporal objects

图4 时空对象定义

在建模方法上,UML面向对象建模符号可以较好地表达对象的属性和行为,以及对象之间的关联关系,但是对具有时空特征的属性、行为和关联关系的时空对象则缺乏有效的时空语义表达。张山山[20]提出的时空扩展对象模型符号集,弥补了UML面向对象建模符号在时空语义表达方面的缺陷,如图5所示。符号的含义说明见表1。
Fig. 5 Symbol set of spatial-temporal extended object model

图5 时空扩展对象模型符号集[20]

Tab. 1 Symbol description of spatial-temporal extended object model

表1 时空扩展对象模型符号说明[20]

符号 说明
S 代表Spatial,表示未知确切类型的空间实体的几何类型
P 表示几何点
L 表示几何线
R 表示几何面
T 代表Time,表示时间
et 表示存在时间。仅对对象有效
vt 表示有效时间。对对象属性、关系有效
tt 表示事务时间。对对象、对象属性、关系有效
bt vt和tt结合的缩写,表示双时态时间
Group 表示具有共同时间标记、空间范围或时空依赖的一组属性
ST 表示具有时态的空间对象
Svt 表示具有有效时间的空间对象
Pvt、Lvt、Rvt分别表示具有效时间的几何点、几何线、几何面
Stt 表示具有事务时间的空间对象
Ptt、Ltt、Rtt分别表示具事务时间的几何点、几何线、几何面
Sbt 表示具有双时态时间（有效时间和事务时间）的空间对象
Pbt、Lbt、Rbt分别表示具有双时态时间的几何点、几何线、几何面
本文结合历史信息的内容和特征,对张山山提出的时空扩展对象模型符号集进行了部分修改。删除了表示几何体的符号（V）和表示二维场的符号（2DF）,增加了多重属性符号（*）,并将多重属性符号与时空语义符号相结合,以此为基础对历史信息进行概念建模。

3.2 概念模型设计

概念模型是现实世界中事物及其联系的抽象,是面向用户和现实世界的数据模型。历史GIS概念模型设计的核心是在地理与历史双重视角下,将历史信息抽象为历史人物、历史事件、历史地物和历史场景等要素,进一步将其抽象为人物、事件、地物和场景等时空对象,确定时空对象集,设计时空对象的属性和关系。
（1）确定时空对象集。将时空对象分为核心对象和辅助对象。核心对象是指与历史信息表达核心要素相对应的对象,是组织历史信息的基本对象。辅助对象是指核心对象之外的其他对象,用来更清楚、全面地组织历史信息。历史人物、事件、地物和场景等要素是表达历史信息的核心要素,直接将其抽象为时空对象。历史GIS数据模型包括人物、事件、地物和场景4个核心对象,以及阶段、类型、关系、言论、著作和典章制度等辅助对象。其中,阶段对象是对事件过程的抽象表达。类型是理解和认知对象的重要语义信息,因其分类方法、层次等级结构复杂,因此将其抽象为对象。关系是为了更好、更全面地表达对象之间的关系而将其抽象为对象。言论、著作、典章制度是基于历史信息的内容进行增补的对象。
（2）时空对象的属性设计。将时空对象的属性分为通用属性和特有属性。通用属性是指大多数时空对象所具有的,用于表示时空对象的基本语义和时空特征的属性,包括标识符、通用名称、其他名称、时间起止、地点起止、类型、特征标签和语义定义。其中,通用名称、其他名称、时间起止属性具有时间特征,地点起止具有空间特征,地点起止、特征标签和语义定义属性是多重属性。时空对象的通用属性说明如表2所示。
Tab. 2 Common attribute of spatial-temporal objects

表2 时空对象的通用属性

属性 说明
标识符 时空对象的唯一标识符
T 通用名称 时空对象的最常用的名称
T.* 其他名称 时空对象的除通用名称之外的名称
T 时间起止 时空对象生命周期的开始时间和结束时间
P.* 地点起止 时空对象的空间范围多边形特征点集合
类型 时空对象的类型代码
* 特征标签 描述时空对象主要特征的简短文字
* 语义定义 语义定义是对通用属性中的其他属性的定义
例如,对于历史人物对象,时间起止是指历史人物的出生时间和逝世时间
特有属性是指少数时空对象所具有的,用于表示时空对象的特有特征的属性。历史GIS数据模型中主要时空对象的特有属性如图6所示,其中省略了时空对象的通用属性。
Fig. 6 Special attribute of spatio-temporal objects

图6 时空对象的特有属性

人物对象具有性别、国别、籍贯、民族、经历等特有属性。其中,国别、籍贯属性具有空间特征,经历属性具有时空特征。事件对象具有概要、起因、经过、结果等特有属性。其中,起因、经过、结果属性具有时空特征;经过属性是多重属性,通过阶段对象来表示。地物对象具有空间位置和空间范围等特有属性。空间位置和空间范围属性具有时空特征。政区、山脉等对象继承地物对象的特有属性。同时,政区对象还具有上级对象、下级对象、人口和面积等特有属性。其中,上级对象和下级对象属性具有时空特征,人口和面积属性具有时间特征。山脉对象具有高度属性。
辅助对象中,阶段对象和关系对象是时空对象,具有绝大多数通用属性;类型对象是常规对象。此外,阶段对象具有状态等特有属性,关系对象具有对象、关联对象、作用描述等特有属性。类型对象具有分类对象、分类依据、一级类、二级类、三级类和类型详情等属性。言论对象、著作对象和典章制度对象的属性可根据历史信息的内容和特征进行设计,本文不做讨论。
（3）时空对象的关系设计。历史要素之间的关系较为复杂。核心对象之间的关系如图7所示。场景对象由人物、事件和地物对象组成,数量关系为一对多。人物对象与事件对象关联,通过事件对象来体现人物的经历,数量关系为一对多。地物对象与事件对象关联,通过事件对象来体现地物的演变过程,数量关系为一对多。
Fig. 7 Relationship of core spatial-temporal objects

图7 核心时空对象的关系

此外,核心对象与辅助对象具有一定的关联关系,例如,言论对象、著作对象与人物对象相关联。所有关系信息通过关系对象表示,可以更加全面、完整地表示时空对象的关系。此外,本文对关系进行了一级分类,包括人物关系、事件关系、地物关系、人物与事件关系、人物与地物关系、地物与事件关系6类。关系的二级分类、三级分类可根据应用需要设计。关系对象以及关系类型的划分,可以更好地支撑关系分析与表达。

4 实验验证

在逻辑模型和物理模型设计上,本文采用面向对象的程序设计语言,实现时空对象的构造与存储。通过将概念模型中的时空对象及其关系转换为面向对象程序中的内存对象,实现时空对象的构造。通过采用非关系型数据库技术,分别针对PostgreSQL、MongoDB和自定义XML文件,设计内存对象的存储模型,实现时空对象的存储。采用PostgreSQL、MongoDB是为了充分利用数据库领域的成熟产品,对现有的软件和工具兼容性好。自定义XML文件是为了更加直接和友好地支持本文提出的数据模型,更好地支持后续基于该数据模型的历史GIS时空查询与分析。
采用自定义XML文件实现时空对象的存储,核心是实现时态几何、时态属性、时态关系和多值属性的存储,XML存储格式及示例XML片断如图8所示。
Fig. 8 XML storage format and XML segment of spatio-temporal objects

图8 时空对象XML存储格式及示例XML片断

为了进一步验证本文提出的地理与历史双重视角的历史GIS模型设计思路,将所设计的历史GIS数据模型在南京百年地理信息服务平台中进行了应用试验。平台采用数据层、服务层和应用层 3层体系架构,目前尚处于原型系统阶段。数据层采用PostgreSQL与XML文件相结合的方式,实现了对历史人物、历史事件、历史地物和历史场景信息的对象化组织和存储。服务层主要实现对时空对象的管理和表达功能。应用层以南京近百年的典型人物、事件、地名（代表地物）和场景（土地利用）为例,展示了南京近百年来的时空特征、状态和演变过程,如图9所示。
Fig. 9 Application cases

图9 应用案例

5 结果与讨论

本文认为现有历史GIS研究主要是GIS技术在历史、历史地理领域中的常规应用,GIS技术主导应用,历史特色不显著。历史GIS亟需加强理论研究和底层设计,面向历史、历史地理问题,发展基础的、通用的历史GIS数据模型。本文从地理与历史双重视角出发,以时间、地点、人物、事件（始末）历史4个要素为基础,融合地理学强调“人地关系”的思想,采用时空扩展对象模型符号,确定了历史GIS的时空对象集,设计了时空对象的属性以及时空对象之间的关系,形成了历史GIS数据模型,并进行了实验验证。结果表明该数据模型可以较好地支撑面向历史、历史地理问题的数据组织、管理、分析与表达,具有一定的通用性。该数据模型尚有待完善,未来将完善时空对象的几何和关系建模,进行时空操作建模,并在南京百年地理信息服务平台中进行全面验证和应用。

The authors have declared that no competing interests exist.

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