（计算机应用技术专业论文）基于时态gis的地籍管理信息系统研究.pdf

中文摘要 地籍管理工作是土地规划管理的重要基础，但是，随着经济建设的发展和土地转让 速度的加快，已表现出不能反映历史现状及发展趋势，不能适应日益增加的业务量要求 的趋势。特别是面对地籍数据量急剧增大、信息更新日益频繁、地籍图的更新速度不断 加快等应用现状，现有的地籍管理系统越来越显得力不从心，急需一种能够动态记录和 查询历史地籍信息的自动化办公系统来满足地籍管理工作的需要。 本文试图引进了时态g i s ( t g i s ) 和工作流( w o r k f l o w ) 技术，从地籍管理的实际 需求入手，把面向对象的分析和设计的方法应用到地籍信息系统研究和开发中，以关系 型数据库管理系统( r d b m s ) 和g i s 为平台，从地籍管理的实际需要入手，总结出地籍管 理的基本对象，设计了一套有效的地籍时空数据结构。同时，应用时态g i s 详细分析了 地籍对象的时态特征，包括它们的生命周期、变更类型和变更过程，确定了地籍对象变 更过程中的亲缘关系，总结了地籍对象生命周期内的状态变化规律和特点，以工作流引 擎驱动地籍信息流转，实现了地籍信息周期变更的动态存储和表达。实际应用表明：在 地籍管理中引进t g i s 和工作流技术，能够较好解决长期困扰土地信息系统建设中的时态 信息难以表达、图文一体化难以动态实现等瓶颈问题，同时还可以随机对地籍基础信息 进行记录、存储、查询、输出和管理，是一种值得在土地规划管理体系内推广应用的新 方法。 关键词：地籍管理地理信息系统时态g i s 面向对象分析工作流 t h ec a d a s t r a lm a n a g e m e n ta l w a y sp l a y st h em o s ti m p o r t a n tr o l ei nt h el a n d & p l a n m a n a g e m e n t , b u tn o w a d a y s ，t h et r a d i t i o n a lm a n a g e m e n tm e t h o dc a n tw o r kw e l lb e c a u s eo f t h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h ee c o n o m ya n dt h ef r e q u e n tc h a n g i n go f t h el a n dr i g h tt r a n s f e r , e s p e c i a l l y , w h e nf a c i n gt h ec a d a s t r a ld a t ar a p i d l yi n c r e a s i n g t l l ei n f o r m a t i o nf r e q u e n t l y u p d a t i n ga n dt h ec a d a s l r a lm a p sr a p i d l yp r o d u c i n g t h et r a d i t i o n a lm e t h o da l w a y si so u to fi t s l e a g u e s ow ed on e e do n ek i n do fn e wa u t o m a t i o ns y s t e mw h i c hc a nr e c o r da n dq u e r yt h e h i s t o r i c a lc a d a s t r a li n f o r m a t i o nt of i tf o rt h en e wr e q u i r e m e n t so f t h ec a d a s t r a lm a n a g e m e n t t h i sp a p e rt a l e st of i n dan e wr e s o l u t i o nt os o l v et h i sp r o b l e mr e l y i n go nt h et e m p o r a l g l s ( t g i s ) a n dt h ew o r k f l o wt e c h n o l o g i e s f i r s t l y ，w ed ot h er e q u i r e m e n t sa n a l y s i so ft h e c a d a s t r a lm a n a g e m e n t ，a n dt h e nu s et h eo b j e c t - o r i e n t e da p p r o a c ht oc o n c l u d et h ek e y o b j e c t so ft h ec a d a s t r a lm a n a g e m e n t ，a sar c a u l lw ed e s i g n e do n es e to fe f f e c t i v ed a t a s t r u c t u r eb a s i n go nt h ep l a t f o r mo f t h er d b m sa n dg i s s e c o n d l y , w eu s i n go f t h et e m p o r a l g i st oa n a l y s i st h et e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a d a s t r a lm a n a g e m e n to b j e c t si nd e t a i l s ， i n c l u d i n gt h e i rl i f e c y c l e ，c h a n g i n gc l a s s i f i c a t i o na n dt h ec h a n g i n gp r o c e s s ，w i t ht h ea i mo f f i n d i n go u tt h eg e n e t i cr e l a t i o n s h i po ft h ec a d a s t r a lm a n a g e m e n to b j e c t si nt h ec o u r o ft h e l a n d u s ec h a n g i n ga n dc o n c l u d i n gt h es t a t u s - c h a n g er u l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c si nt h ec a d a s t r a l i n f o r m a t i o nc h a n g i n gp e r i o d ，a n dt h e nf i n daw a yt od y n a m i cr e s t o r ea n de x p r e s st h ec a d a s t r a l i n f o r m a t i o nl i f e c y c l ec h a n g eb yu s i n go ft h ew o r k f l o we n g i n e t h ee x p e r i e n c eh a sp r o v e d t h a tt h en e wr e s o l u t i o nc a ns o l v et h eb o t t l e n e c kp r o b l e m sa sf o l l o w s ：h o wt oe x p r e s st h e t e m p o r a li n f o r m a t i o ni nl a n di n f o r m a t i o ns y s t e mb u i l d i n g ，h o wt om a k et h ep i c t u r e - t e x t i n t e g r a t i o nar e a t i t y , i nt h es a m et i m e , i tc a nr e c o r d ，r e s t o r e ，q u e r y , e x p o r ta n dm a n a g et h e c a d a s t r a li n f o r m a t i o nd y n a m i c a l l y , s oi ti san e wm e t h o dc a nb ee x t e n dt oa p p l i c a t i o ni nt h e l a n d & p l a nm a n a g e m e n ts y s t g m k e yw o r d s ：c a d a s t r a lm a n a g e m e n t g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mt e m p o r a lg i s o b j e c to r i e n t e da n a l y s i s w o r k f l o w 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：易彰弗签字日期：口f 年p 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫凄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名。 呀 签字日期：够印饵 绋 g 月f 。日 导师签名： 签字日期： 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 土地是人类立足的场所、生存的条件和使人类劳动过程能够得以全部实现的基础， 是宝贵资源和资产，它是有限的，不可再生的。科学地管理土地，更集约地经营利用土 地是全球关注的问题。尤其在我国，人均土地资源少，土地资源分布不均匀，加强规划 土地管理显得越来越重要和紧迫，作为规划土地管理基础的地籍工作日益受到重视。 西方许多国家在长期的社会实践中，通过地籍内涵的深化和外延的不断扩展，从税 收地籍、产权地籍发展到多用途地籍。地籍信息管理的手段由一般技术发展到计算机技 术，开发的地籍信息系统不但在政府规划土地管理部门普遍应用，而且充分发挥地籍的 多用途功能，广泛应用于社会各方面。这表明利用计算机技术建立地籍信息系统是管理 土地及其相关信息的有效途径。 地籍工作作为规划土地管理工作的基础，采用手工作业的方式虽可完成日常业务， 但随着经济建设的发展和土地有偿使用制度的广泛实施，已表现出不能适应日益增加的 业务量要求的倾向，如大数据量的管理、地籍信息现势性的要求、地籍图的生产和快速 更新的要求、土地利用规划科学性的要求、房产交易的要求、土地信息咨询的要求等。 这些问题对地籍信息管理工作提出了更高层次的需求，建设实用的地籍信息系统是为了 更好适应经济和社会的发展。 1 2 地籍信息系统及其发展 地籍信息系统，其起源和发展是人类社会高度的物质文明密切相联的。世界上一些 发达国家利用计算机对地籍信息进行管理已经有约3 0 年的历史。早在1 9 6 4 年加拿大就 建立了世界上第一个地籍信息系统，用于城市土地信息的管理。1 9 7 3 年奥地利建成了地 产数据库，数据覆盖全境，将过去分散管理的土地登记册与地籍信息连接在一起，并可 与其它地点的终端联机。德国也非常重视地籍信息系统的建设，1 9 8 3 年将各州地籍登记 的内容按统一格式输入自动化地籍册数据库，提供准确、现势的地籍资料，直接服务于 政府决策和私人土地交易以及土地供应计划、土地利用规划、农业税收等国民经济各部 门。美国环境研究所在多年从事地理信息系统g i s ( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 的软件开发和应用的基础上，与8 0 年代初推出的g i s 软件a r c i n f o 结合起来，这种 混合数据模型兼顾了空间数据和非空间数据两种不同性质数据的特点，有效地实现了这 两种数据的操作、处理和管理。目前，许多国家正在开发地籍信息的互联网查询服务， 第一章绪论 如澳大利亚w e s t e r n a u s t r a l i a 州实施的s m a r t p l a n 计划，用户可以从互联网上查询地籍数 据，包括空间数据、地理名称、政府财产登记、房产销售证明及其他地产数据。 我国地籍信息系统建设的工作起步较晚，1 9 8 6 年6 月国家土地局地籍司印发了关 于建立地籍信息系统的总体方案征求意见稿，经过3 年多的酝酿，决定于8 9 年推出 试行方案，并在全国进行试点，我国地籍信息管理的研究逐步开展起来。9 0 年代以来， 我国地籍信息系统发展较快，但在实用方面逐渐暴露出了一些问题，有的系统停留在“科 研成果”的试验研究阶段，有的处于相对初级的应用水平。究其原因，一是当初系统的 设计目标过高，片面追求大而全的系统；二是低估了此类系统开发、维护的程度和复杂 性。随着认识的深化和提高，近年来我国一些地方的地籍信息系统建设已经开始从以前 片面追求大而全的g i s 系统，转向建立集g i s 与办公自动化( o a ) 为一体的图文办公 信息系统，用于辅助进行日常业务办公。深圳市规划国土局、常州市规划土地管理局等 先后建成了业务化的图文信息系统，并投入日常业务运作中，取得了比较好的效果，并 且通过系统的运行，积累了大量宝贵的数据。 我国的地籍信息系统的研究工作，已经从探索、理论研究走向实用，服务于日常的 她籍管理业务工作和其它土地管理和城市规划服务中。 1 3 地籍管理和g l s 地籍信息系统是一个在计算机和现代信息技术支持下，以“宗地”为核心实体，实 现地籍信息输入、存储、检索、处理、综合分析、辅助决策以及结果输出的信息系统。 借助这种信息系统，可以保证地籍信息的管理工作高效、持久、和谐的运转。地籍信息 系统还同时为规划土地管理的现代化提供坚实的数据基础和辅助分析决策的手段，是实 现土地现代化管理的先进技术手段。 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mg i s ) 是空间信息系统( s p a t i a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ，s i s ) 的一种( 王之卓1 9 9 5 ) 。它是以采集、存贮、管理、分析和 描述整个或部分地球表面与空间，地理分布有关数据的并能回答用户一系列问题的一个 空间信息系统( 李德仁，1 9 9 5 ) 。自1 9 6 3 年加拿大测量学家r t t o m l i n s o n 首先提出地 理信息系统这一术语，并建立了世界上第一个g i s 一加拿大地理信息( c g i s ) 以来，随 着信息时代新技术革命的兴起，3 0 多年来，地理信息系统( g i s ) 作为计算机科学、地 理学、测绘遥感学、环境科学、空间科学、信息科学、城市科学和管理科学为一体的新 兴边缘学科得以迅速发展，在人类社会的发展进步中起到越来越重要的作用，在环境监 测、地籍管理、城市规划建设、交通管理、灾害预测与评估等多方面取得了巨大的成果。 城市地籍工作是一个国家和地方政府在城市规划、建设和管理中的基础工作，完备 的地籍资料和现代化的管理方法是科学有效地进行城市地籍管理的基本保证。地籍资料 第一章绪论 一般有地籍簿册和地籍图件两部分组成。地籍簿册通常包括土地卡、房产栋卡、住房卡 以及各种契约证件等。地籍图是经过正规测量和丈量等程序编制而成的大比例尺的地 图。它以地图的方法用符号详细地反映每幢房屋的产别、结构、层次和房屋土地权属境 界范围等内容。 由上可看出，地籍管理中所涉及的信息可以分为两大类，即对象的空间信息以及对 应的属性信息。通常的m i s 系统只能处理属性信息。而对空间信息以及空间信息与属性 信息的对应关系等问题处理起来比较困难。而地理信息系统( g i s ) 正是利用计算机存 储和处理地理空间分布有关信息的一种工具，g i s 可以处理反映事物地理空间位置的信 息，又可处理事物的地理位置有关的属性信息。显然，把g i s 技术应用于地籍管理是非 常适合的。 1 4 本文研究的内容 1 4 1 面向对象的方法用于地籍系统的设计 面向对象是对客观世界的一种看法，它把客观世界从概念上看成是一个相互配合而 协作的对象所组成的系统。由于它比较自然地模拟了人类认识客观世界的方式，是对真 实世界的抽象思维方式，因而逐渐成为软件工程中系统分析和设计方法。本论文研究的 一个重要的内容是利用面向对象的方法，对地籍管理的业务对象进行抽象和概括，分析 地籍对象之间的关系。同时对地籍对象的生命周期、状态变更进行深入和详细的分析。 1 4 2 时态地籍模型的研究 根据时间g i s 的观点，每个实体都有其诞生时间和消亡时间。和普通实体一样，地 籍实体也有其产生、发展和消亡的过程。在地籍管理的实际工作中，记录和追溯地籍变 更的过程是非常重要的。论文将根据时空地籍模型的原理，研究地籍模型中的历史回溯 问题：一是按照地籍实体进行的动态回溯，即根据单宗地的历史继生关系回溯；二是按 照地理单元进行的历史切片恢复，即某一历史时期指定区域的宗地分布状况恢复，包括 查询当时各宗地公用分摊情况。 1 4 3 工作流技术的应用研究 地籍登记的业务，具有很强的流程性( 尤其是现在大部分土地管理部门实现窗口制) 土地登记一般由受理、地籍调查、审核、审批，注册登记、发证等过程构成；而每一个 过程对应相应的部门或人员，同时业务的办理需要两个甚至更多的部门参与协同工作， 具有协同工作的特点。论文将从工作流理论的基本原理，把工作流技术应用到地籍信息 系统中。 第二章时态g 1 s 的基本理论 第二章时态g i s 的基本理论 2 1 地籍信息的时态性 地籍管理中，管理的最基本的对象是宗地。地籍管理的基础是地籍资料，它来自于 地籍调查，根据土地登记种类不同，地籍调查分为初始地籍调查和变更地籍调查，由初 始地籍调查获取的资料构成地籍资料的基础，变更地籍调查是在初始地籍调查的基础上 为维护地籍资料的现势性和宗地权属状况在法律上的连续性，随着土地变更登记的发生 而进行的。通过变更地籍调查，人们获得了有关土地利用变化的情况，从而完成了地籍 资料的更新。在地籍变更过程中应该注意宗地历史资料的保存，它主要有以下几个方面 的作用：1 、准确描述过去土地利用状况；2 、忠实地记录宗地的来龙去脉，便于提供准 确的法律依据；3 、能对地籍信息的历史状态演变进行保存、恢复、跟踪等：4 、分析过 去土地利用的变化，预测未来土地利用需求趋势。 建立地籍管理信息系统的目的就是将日常地籍管理工作计算机化，现有的非时态城 镇地籍管理信息系统仅能反应土地的利用现状。在宗地发生变更后，系统通过增加新值 或用新值代替旧值来维持土地数据信息的现势性，但无法跟踪宗地的变化过程，无法正 确恢复评价某一历史时刻的土地利用现状。由于现有g i s 软件一般都不具有时态的功 能，对于历史数据通常的做法是每隔一段时间对信息系统所生成的所有数据进行备份， 这样做造成数据冗余，恢复某一历史的数据过于复杂，而且几乎不可能连续查询某一宗 地的历史变化过程。因此研究开发实用的时态数据模型变得十分紧追，具有很实用的价 值。 2 2t g i s 的定义 t g i s ( t e m p o r a lg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，时态g i s ) 是能够处理时间因素、 可跟踪和分析空间信息随时间变化的地理信息系统。由t h r i f t 在1 9 7 7 年首次提出，1 9 7 8 年b a s o g l u 和m o r r i s o n 设计最早的历史g i s ( h i s t o r i c a lg i s ) 之后很少有人涉足这一领 域，直到l a n g r a n ( 1 9 8 9 ) 和l o r e n t z o s ( 1 9 8 8 ) 的博士论文的出版。1 9 9 2 年l a n g r a n 撰 写的关于t g i s 的第一本书t i m ei ng e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 得以问世。t g i s 把构 成空间、属性两要素拓宽为空间、时间、属性三要素。不仅可以描述和表达某一时刻空 间实体的分布和形状，也可描述和表达时空变化及进行动态空间模拟。 t g l s 具有以下的功能： l 、档案功能( i n v e n t o r y ) ：t g i s 记载了研究区域随时间的演变，即尽可能完全存 第二章时态g i s 的基本理论 储区域中有关的目标数据，以及在现实世界和在数据库中的变化。这样，时态g i s 可提 供特定要素的世系( 1 i n e a g e ) 和给定时间的区域状态等信息。 2 、分析功能：具有分析功能是信息系统区别于数据库的主要特点之一。我们己熟 知g i s 的分析功能，尤其是空间分析功能，如缓冲区分析、叠置分析、空间集合分析、 网络分析等。分析常与统计相关，考察特定组合的数据模式、个性和相互关系，并可验 证人们假设的模型。但静态的g i s 忽略了变化，所以忽略了过程。而时态g i s 具有以变 化作为特定参考的分析能力，我们可以考察到数据中的倾向性，通过认识过程的存在和 作用，可以预测未来。 3 、更新功能：为了保持g i s 数据的现势性，延长服务期，数据更新是非常重要的。 据权威估计，在g i s 的寿命里，数据更新的费用将达到系统初始建立费用的8 0 。对于 现今开发和已经投入运行的g i s ，多数的更新方法还只是简单地用新数据更换旧数据， 当系统的数据库容量增长到很庞大时，这就成为严重问题。时态g i s 则应在设计考虑阶 段就考虑到一个合理的更新机制，将新旧数据组装在统一的时空结构中。过期数据是不 被覆盖或删除，而是被作为有用的资源存储。 4 、显示功能：这是g 1 s 描述自身状态和向用户报道有关结论的主要方式。静态g i s 用图和表回答用户关于“何处”、“怎样”的询问；时态g i s 则还有回答有关“何时”的 问题，以反映地理过程和状态的变化。时态g i s 已经使用了动画地图等其他可视化手段。 5 、其他功能：时态g 1 s 应该能检核新旧数据的逻辑一致性，并能够集成不同来源、 不同时空分辨率和精度的数据。时态g i s 还能预定义某些时空临界状态，并能辩识或预 报它们，激发预定义系统响应或通知用户采取合适的行动，等等。 2 3t g l s 中的时间 2 3 1 时间概念 时间的概念涉及到哲学、心理学、语言学、医学、人工智能、数据库管理系统及 g i s 等众多领域。从信息系统尤其是g 1 s 的角度来看，时间是一条没有端点、向过去和 未来无限延伸的轴线，它是信息空间i | i 新的一维。除与空间一样具有通用性、连续性和 可量测性外，还具有不可逆性。时态数据库中涉及到以下三类时间。 l 、有效时间( v a l i dt i m e ) ，又称“世界时间”、“物理时间”、“外界时间”、“对象 时间”等。它是一个空间实体从产生到消亡，在现实世界中所存在的时间间隔，或者该 实体在现实世界中为真的时间。如果理论模型允许目标消亡后再生，则有效时问是多个 不相交时间区问的合并。 2 、事务时间( t r a n s a c t i o n t i m e ) 。又称“数据库时间”、“系统时间”、“逻辑时问”、 “历史记录时间”等，它是指事件被录入数据库中的时间。通常在事件发生和和事件录 第二章时态g i s 的基本理论 入数据库之间有一段时间延迟，故有效时间通常小于事务时间。若两者相等，则意味着 现实世界时间亦是数据库事务本身，若有效时间大于事务时间，则意味着系统包含未来 事件的信息。 3 、用户定义时间( u s e r - d c f i n e x lt i m e ) ：是指用户根据需要而输入的时间。由 s n o d g r a s s 和a h n ( 1 9 8 7 ) 引入这一概念，它对于指示具有延迟效果的事件是非常有用 的。 2 3 2 时间颗粒( t i mg r a n u i e ) 数字化信息的性质决定了连续的实体和现象必须以具体的方式来处理，在信息系统 中不可能把实体作为一个连续的实体来存储，它必须表达为一系列具体的事件，这意味 着某些信息将丢失，所存储的现实世界的图像是不精确的。以一定的时间间隔对实体的 状态进行采样时，事件和时间点之间的时间段愈小，则对事件的表达愈精确。如，在一 个把“天”作为时间颗粒的系统中，若两个事件在同一天的不同时间发生，那么对数据 库用户来说就可能意味着两事件是在同一天发生的。但获取数据的时间颗粒太小，将会 导致计算机资源的浪费。通常，系统仅在实体变化其状态时才记录时态信息，时间的间 隔由事件决定，是变化的。时态分辨率的语义是由独立的应用需求来决定的。 2 3 3 时间标记( t i f i l e s t a m p i n g ) 时问标记可以仅记录事件发生的时间，也可以映射一个事件的寿命。前者使用较少 的存储空间，不携带冗余数据或零值，但存储需求的经济性往往被反映查询所需处理附 加的时间加以平衡。当一个事件在现实时间中发生时，反映在数据库中是某一实体的一 个或多个属性值的变化。换句话说，捕获的信息是变化的状态和变化的发生的时间，这 意味着若要查询个别状态寿命信息，数据库必须经过若干记录的筛选直至达到可以确定 此状态何时终结的记录为止。若时态查询很频繁，可以对每一个状态存储一套两个时间 标记，“起始( s i n c e ) ”和“终结( u n t i l ) ”，以描述指定状态的有效时间段。 2 3 4 响应时间( r e s p o n dti m e ) 方面，时态g i s 要处理大量的空间和非空间数据，必须在实现时态支持的同时尽 可能地节省每一存储空间，提高存储效率。另一方面，要使时态查询响应时间可以接受， 则需要可控制的一定规模的数据冗余，这将增加数据库的数据量。在般情况下，设计 一个t g i s 时，往往需要在附加的数据量及信息检索速度中间选择一个折中方案。 2 3 5 将时间增加到数据库中的方式 将时间增加到数据库中的方式有如下几种： 1 元组时刻标记( i n s t a n t s t a m p i n go f t u p l e s ) ：每个元组含有一个时间值分量，时间值 指明该元组为当前元组的开始时刻。 第二章时态g i s 的基本理论 2 元组时区标记( i n t e r v a l - s t a m p i n go f t u p l e s ) ：每个元组含有两个时间值，这两个时间 值分别指明该元组为当前元组的开始和结束时间。 3 元组时态元素标记( t e m p o r a l e l e m e n t - s t a m p i n go f t u p l e s ) ：每个元组含有一个时态元 素，时态元素指明该元组为真的时间。 2 4 时空数据模型 2 4 1 时空立方体模型 时间立方体模型用2 维图形沿时间第3 维发展变化的过程表达现实世界平面位置随 世界的演变；给定一个时间位置值，就可以从三维立方体中获得相应的截面、立方体的 状态。也可扩展表达三维空间沿时间变化的过程。缺点是随着数据量的增大，对立方体 的操作会变的越来越复杂，以至于最终变得无法处理。 2 - 4 2 连续快照模型 此模型在快照数据库( s n a p s h o td a t a b a s e ) 中仅记录当前数据状态，即“忘记”了 过去的状态。连续快照模型是将一系列的时间片断快照保存起来，反映整个空间特征的 状态，根据需要对指定时间片断的现实进行播放。该模型的不足在于，由于快照将未发 生变化的时间片断的所有特征重复进行存储，会产生大量的数据冗余，当应用模型变化 频繁、且数据量较大时，系统效率急剧下降。此外，连续快照模型不表达单一的时空对 象，较难处理时空对象的时态关系。 2 4 3 基态修正模型 为了避免连续快照模型将每张未发生变化部分的快照特征重复进行记录，基态修正 模型按事先设定的时间闻隔采样，只存储某个时问的数据状态( 称为基态) 和相对基态 的变化量。基态修正的每个对象只存储一次，每变化一次只有很小的数据量需要记录； 同时，只有在事件发生或对象发生变化时，才存入系统中，时态分辨率刻度值与事件发 生的时刻完全对应。基态修正模型不存储每个对象不同时间段的所有信息，只记录一个 数据基态和相对应基态的变化量，提高了时态分辨率，减少了数据冗余量。但基态修正 模型较难处理给定时刻的时空对象间的空间关系；对于将整个地理区域作为处理对象 时，该模型处理方法难度较大，效率较低；管理索引变化很困难。 2 4 4 时空复合模型 时空复合模型将空间分隔成具有相同时空过程的最多的公共时空单元，每次时空对 象的变化将在整个空间内产生一个新的对象。对象把在整个空间内的变化部分作为它的 空间属性，变化部分的历史作为它的时态属性。时空单元中的时空过程可用关系表来表 第二章时态g i s 的基本理论 达，若时空单元分裂时，用新增的元组来反映新增的空间单元，时空过程每变化一次， 采用关系表中新增一列的时间段来表达，从而达到用静态的属性表表达动态的时间变化 过程的目的：但在数据库中对象标识符的修改比较复杂，涉及的关系链层次很多，必须 对标识符逐一进行回退修改。 第三章地籍信息系统时态模型分析 3 1 面向对象方法 第三章地籍信息系统时态模型分析 为提高软件系统的稳定性、可修改性和可重用性，人们在实践中逐步创造出软件工 程的一种新途径一一面向对象方法学。面向对象的方法学的出发点和原则，是尽可能模 拟人类习惯的思维方式，使开发软件的方法与过程尽可能接近人类认识世界解决问题的 方法和过程，也就是使描述问题的问题空间( 也称为问题域) 与实现解法的解空间( 也 称为求解域) 在结构上尽可能一致。 面向对象的软件技术以对象c o b j e e r ) 为核心，用这种技术开发出的软件系统由对 象组成。对象是对现实世界实体的正确抽象，它是有描述内部状态表述静态属性的数据， 以及可以对这些数据施加的操作( 表示对象的动态行为) ，封装在一起所构成的统一体。 对象之间通过传递消息互相联系，以模拟现实世界中不同事物彼此之间的联系。 面向对象的设计方法与传统的面向过程的方法有本质的不同，这种方法的基本原理 是，使用现实世界的概念抽象地思考问题从而自然地解决问题。它强调模拟现实世界中 的概念而不强调算法，它鼓励开发者在软件开发的绝大部分过程中都用应用领域的概念 去思考。在面向对象的设计方法中，计算机的观点是不重要的，现实世界的模型才是最 重要的。面向对象的软件开发过程从始至终都围绕着建立问题域的对象模型来进行：对 问题领域进行自然的分解，确定需要使用的对象和类，建立适当的类等级，在对象之间 传递消息实现必要的联系，从而按照人们习惯的思维方式建立起问题领域的模型，模拟 客观世界。 面向对象的方法学的出发点和基本原则，就是分析、设计和实现一个软件系统的方 法和过程，尽可能接近人们认识世界解决问题的方法和过程，也就是是描述问题的问题 空间和插述解法的解空间在结构上尽可能的一致。也可以说，面向对象方法学的基本原 则，是按照人们习惯的思维方式建立问题域的模型，开发出尽可能直观、自然地求解方 法的软件系统。面向对象的软件系统中广泛使用的对象，是客观世界中实体的抽象，对 象实际上是抽象数据类型的实例，提供了理想的数据抽象机制，同时又具有良好的过程 抽象机制( 通过发消息使用公有成员函数) 。对象类是对一组相似对象的抽象，类等级 中上层的类是对下层类的抽象。因此，面向对象的环境提供了强有力的抽象机制，便于 人在利用计算机软件系统解决复杂问题时使用习惯的抽象思维工具。此外，面向对象方 法学中普遍进行的对象分类过程，支持从特殊到一般的归纳思维过程；面向对象方法学 中通过建立类等级而获得的继承特性，支持从一般到特殊的演绎思维过程。 面向对象的技术包括三个方面：面向对象程序设计( o b j g e to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ， 9 第三章地籍信息系统时态模型分析 o o p ) ，面向对象分析( o b j e c t o r i e n t e d a n a l y s i s ，o o a ) 和面向对象设计( o b j e c t o r i e n t e d d e s i g n i n g ，o o d ) 3 2 地籍信息系统中的主要对象 客观世界的问题都是由客观世界中的实体及实体相互间的关系构成的。我们把客观 世界中的实体抽象为问题域中的对象( o b j e c t ) 。因为所要解决的问题具有特殊性，因此 对象是不固定的。一个雇员可以作为一个对象，一家公司也可以作为一个对象，到底应 该把什么抽象为对象，由所需要的问题决定。 地籍是记载土地位置、界址、数量、质量、权属和用途( 地类) 的基本状况的图薄 册。地籍的图薄册中，图主要是指宗地图和地籍图，宗地图的空间集合构成地籍图；薄 是指土地登记薄，是由土地登记卡的集合构成的；册是指土地归户册，由土地归户卡的 集合构成。土地归户卡记录同一土地使用者或所有者使用或所有的全部土地数量、分布 及其它状况，具体为其所使用或所有的宗地情况。土地登记卡以宗地为单位记录土地所 有权和使用权状况。 在我国习惯用“宗地”这个词来描述一个土地权属主的用地范围。在城镇地籍调 查规程中，宗地是指有权属界线封闭的独立权属地段，它具有固定的位置和明确的权 利边界，并可同时辨认出确定的利用类别、质量和时态等基本土地要素。宗地是由界址 线围合成的闭合的多边形，而界址线是界址点之间的连线。 地籍管理的核心是土地登记，而土地登记的基本单元是宗地。土地登记实质是土地 的权属管理，是确立权利人对宗地的所有、使用及其它权利关系的过程，包括设定、变 更、注销和他项权利登记。这种关系具有法律效力，通过土地行政主管部门发放土地证 ( 土地所有证、使用证和他项权利证明) 来保证。其关系见图3 - 1 所示。 第三章地籍信息系统时态模型分析 图3 - 1 主要对象以及对象之间的关系 如图所示：宗地和界址线之间的关系是组成关系，界址线和界址点之间也是组成关 系；一块宗地，可以为多个权利人所分摊，有多个土地证书；而一个权利人可拥有多块 宗地，持有多个土地证书。 3 3 地籍实体的生命周期 在地籍信息系统中，我们把时间看成是一条没有端点、向过去和未来无限延伸的轴 线。面向对象的方法中的每个对象都有其产生和消亡的过程，有其生存周期( 即时态 g i s 中的有效时间) 。要分析地籍实体的时态变化，就必须分析地籍实体的生命周期。 自然界中实体的变化，如海岸线的变化、大气环境中某种元素的变化，可以看作是随时 间均匀变化的。地籍实体中的对象，如宗地的变化，则不是连续的变化。这样，我们可 以从一定程度上，采用简洁的处理方法，简化地籍信息系统的时态模型。 3 3 1 宗地的生命周期 宗地是指南权属界线封闭的独立权属地段，它具有固定的位置和明确的权利边界， 并可同时辨认出确定的利用类别、质量和时态等基本土地要素，它的空间位置是固定的， 边界是明确的。宗地在空间上表现为一个封闭的多边形，多边形的拐点就是界址点，界 址点所连成的多边形的边就是界址线。宗地生命的基本特征就是宗地的空间位置和形状 保持不变。 第三章地籍信息系统时态模型分析 土地因土地使用权转让、出让，企业合并、分立，土地使用权继承，交换调整土地 等，都可能引起宗地的分割与合并。当一个权利人将土地使用权转让给多个权利人的时 候，产生土地的分割。如图3 2 所示，宗地a 产生的时间是t l ，在t 2 时刻，分割成宗 地b 和宗地c ，则宗地a 在位时刻消亡，宗地b 和c 在t 2 时刻产生。宗地a 的生命 周期是( t 1 - t 2 ) 。 t l 1 2t 01 4 图3 - 2 宗地分割 当相邻的几块宗地转让给同一个权利人的时候，往往需要将多块宗地合并为一块宗 地。如图3 3 所示：宗地d 产生的时间是t l ，宗地e 产生的时间是t 2 ，在t 3 时刻，宗 地d 和宗地e 合并为宗地f ，则宗地d 和宗地e 在t 3 时刻消亡，宗地f 产生。宗地d 的生命周期是( t l - t 3 ) ，宗地e 的生命周期是( t 2 - t 3 ) 。 ：盈笺翟匦夏墨r 1 1 11 2t 31 4 图3 - 3 宗地合并 宗地在其生命周期内，空间位置和形状保持不变，它的唯一的标识号一宗地号也保 持不变。一旦宗地的空间特征发生变化，则意味着原宗地的消亡和一个或多个新宗地的 诞生，产生新的宗地号。 第三章地籍信息系统时态模型分析 3 3 2 土地证书的生命周期 l 、土地证书的产生和灭亡 土地证书是土地权利人按规定向土地登记机构申报其土地权属状况并提交有关证 明文件，得到法律确认后颁发的具有法律效应的证书。和宗地一样，土地证书也有其产 生和消亡的过程，土地证书的生命周期就是产生和消亡的有效时间，也即土地证书具有 法律效应的时间。 土地证书产生的条件：当权利人通过土地登记获得宗地的使用权时，权利人主体和 宗地客体就建立了产权关系，同时就产生了土地证书实体。 土地证书消亡的条件：( 1 ) 由于土地出让期满依法收回土地使用权、自然灾害造成 的土地灭失等原因，权利人进行注销登记，土地证书随之消亡；( 2 ) 土地使用权由原有 的权利人通过出售、交换或赠与的方式转让给新的权利人，不管是分割转让( 同时原宗 地消亡新宗地产生) 还是整宗转让( 宗地不变) ，原有的土地证书将不再有效，产生新 的土地证书；( 3 ) 权利人不变，但是土地用途发生变化的( 如住宅用地变为商业金融用 地) ；( 4 ) 土地权利人改换名称或改换土地权利人地址的。 2 、土地证书和宗地的时问拓扑关系 ( 1 ) 同步关系 如图3 - 4 所示的这种模式下，宗地的生命周期( t l ，t 2 ) 和土地证书的生命周期一 样，宗地产生的时间就是土地证书产生的时间，宗地灭亡的时间，也是土地证书灭亡的 时间。 t lt 2 图3 - 4 同步关系 ( 2 ) 连续关系 如图3 5 所示的这种模式下，宗地的生命周期为( t i ，t 3 ) ，宗地产生的同时，产生 土地证书1 ，在t 2 时刻，权利人将本宗地转让给另一个权利人，土地证书1 注销，同时 产生土地证书2 ，在t 3 时刻，宗地消亡，土地证书2 也随之消亡。土地证书1 的生命周 期为( t i ，1 2 ) ，土地证书2 的生命周期为( t 2 ，t 3 ) ，由下图可知，宗地的生命周期( t l ， t 3 ) = ( t l ，t 2 ) u ( t 2 ，t 3 ) 。土地证书l 的生命周期和土地证书2 的生命周期在时间 上是连续的。 第三章地籍信息系统时态模型分析 ： ： 二 t l t 2t 3 图3 - 5 连续关系 ( 3 ) 相离关系 如图3 - 6 所示的这种模式下，宗地的生命周期为( t l ，t 4 ) ，宗地产生的时间为t l ， 同时土地证书l 产生；在心时刻，由于土地使用期满等原因国家依法收回土地使用权， 土地证书1 注销；t 3 时刻，另一权利人获得该宗地的土地使用权，产生土地证书2 ；宗 地在“时刻消亡，土地证书2 灭亡。土地证书l 的生命周期为( t l ，t 2 ) ，土地证书2 的生命周期是( t 3 ，t 4 ) ，中间的空白时间段为( t 2 ，t 3 ) 。宗地的生命周期( t l ，t 4 ) = ( t l ，t 2 ) u ( t 2 ，t 3 ) u ( t 3 ，t 4 ) 。土地证书l 的生命周期和土地证书2 的生命周期在 时间上是不连续相离的。 p 豳蕊豳豳滋蕊豳囹p 圈豳圈阁 ； ： ： 1 1惶t 3“ 图3 - 6 相离关系 ( 4 ) 复杂关系 一宗地的土地使用权可以为一个权利人所独有，也可以被多个权利人分摊共有。当 存在多个权利人的时候，宗地和土地证书的拓朴关系有可能是以上三种关系的组合，变 得更为复杂，如图3 7 所示。此时，宗地的生命周期( t l , t 5 ) = ( m i n ( t l ，t 2 ，t 3 ，t 4 ，t s ) ，m a x ( t l , t 2 , t 3 , t 4 ，t 5 ) ) ，其中( t l , t 2 ，t 3 , t 4 ，t s ) 代表宗地生命周期内该宗 地内所有土地证书产生时问和消亡时间的时间序列。该公式同样适用于前面三种关系。 f = = 珂旺珲二二习芦翌瑚暖唧 ： t l倥t3t 4t 5 图3 7 复杂关系 分析宗地和土地产权证书的关系，还可以推导出以下结论：( 1 ) 一个宗地的诞生， 必然伴随着一个或多个土地证书的诞生，而宗地的消亡，必然会导致至少一个的土地证 书的消亡；( 2 ) 土地证书的生命周期一定被包含在它所坐落的宗地的生命周期内。 第三章地籍信息系统时态模型分析 3 3 ，3 宗地和土地证书生命周期的查询 通过以上的分析可以知道，宗地对象生命周期的两个基本属性是宗地产生时间和宗 地消亡时间，只要记录了这两个时间信息，就记录下了地籍实体的生命周期。采用表3 一l 所记录的宗地对象的生命周期并利用该结构，宗地生命周期可以和空间信息联系在一 起。 表3 1 宗地对象生命周期记录表 1 a b l en a m e ：p l o t p l o tn o s p a t i a l i n f o pb i r t hp