基于扩展的基态修正模型的时空模型研究

基于扩展的基态修正模型的时空模型研究

1u3000新技术背景下gis发展现状时间和属性是数据库（tb）的两个资源元素。时态数据库作为数据库技术发展的一个重要分支,已经经历了20年的发展历史,在人事管理、金融财务、人工智能和医疗管理等众多领域得到了广泛应用。其研究成果相当丰富,研究者提出了很多不同概念的时态数据库模型,建立了相应的理论体系。时空数据库(Spatial-TemporalDatabase)是时态数据库与空间数据库的结合,即将空间数据库赋予时态特征。在空间数据库中加入时间特征,会使空间数据库和数据库的理论及方法不完全适用于时空数据库对时态和空间数据的操作。随着GIS研究和应用的不断深入,时间概念被引入到GIS中,通过分析空间信息随时间的变化,描述系统在某时刻、时段的状态以及系统沿时间维变化的过程,预测未来某时刻、时段系统将会呈现的状态,以此获得系统变化的趋势,或对过去不同时刻、时段系统状态回放重现,总结出系统沿时间变化的规律。近些年来,时态地理信息系统(TemporalGeographicInformationSystem简称TGIS)的研究已经成为GIS理论界和开发应用单位关注的前沿研究热点之一,许多学者从不同角度、用不同方式研究时态GIS,取得了不少研究成果。但是,对目前的研究成果加以分析可以看出:数学模型多,原型实现少;理论研究多,应用研究少;以模型划分的学术门派多,支持提供TDB和TGIS产品的厂商少,显然这一现象非常不利于时态GIS的发展。因此,在已有的有代表性的研究成果基础上,进行必要的扩展,尽快开发出一套能满足生产实际急需的实运行系统,具有非常现实的意义。2时空数据库的建立时空数据模型通常由数据结构、数据操作和完整性约束三部分组成,是时空数据库的概念基础,时空数据库是时态GIS的组织核心。空间数据库包含线和顶点、多边形和边界之间的拓扑关系,其数据组织和处理方法与非空间数据库的属性数据库有很大的不同。空间数据库中加入时态成分,使得所研究的时空对象具有3D(x,y,t)或4D(x,y,z,t)属性,时空数据库包含了空间数据库的所有特征。目前的理论研究和应用开发由于时态GIS的特殊性,进展不是很快,其中一个重要原因就是时空数据模型的研究没有获得突破性进展。时态GIS不仅要处理属性数据和空间数据,还要处理时间维上的空属状态和发生在时间维上的空属变化,以及变化的过程和变化的趋势。在实际应用中,不同时态GIS功能,要求选择不同的数据组织和时空数据模型,这和通常的空间数据库组织和处理方法有很大差别。由于空间、属性、时态三者之间的关系和结构组织非常复杂,理想的时空数据库和时态GIS系统目前还未出现。2.1维面位置随时间的变化时空立方体模型用二维图形沿时间第三维发展变化的过程表达现实世界平面位置随时间的演变;给定一个时间位置值,就可以从三维立方体中获得相应截面的状态,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得越来越复杂,以致于最终变得无法处理。2.2连续快照模型此模型在快照数据库(SnapshotDatabase)中仅记录当前数据状态,数据更新后,旧数据的变化值不再保留,即“忘记”了过去的状态。连续快照模型是将一系列时间片段快照保存起来,反映整个空间特征的状态,根据需要对指定时间片段的现实片段进行播放。由于快照将未发生变化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,较难处理时空对象间的时态关系。2.3基态状态称基态的记录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间隔采样,只储存某个时间的数据状态(称基态)和相对于基态的变化量。基态修正的每个对象只需储存一次,每变化一次,只有很小的数据量需记录;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。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。当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时空变化部分的表现时空复模型将空间分隔成具有相同时空过程的最大的公共时空单元,每次时空对象的变化都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空变化过程的目的;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。2.5属性值的标记按第一范式方法,一个对象的历史过程需要用几个元组表达,元组中每个属性值必须具有时间标记。在TGIS中,对于一个空间单元的表达,即使未发生空间拓扑变化,而仅一个属性特征值发生变化,就必须增加一个新的元组来表示,数据表中记录了大量重复数据。2.6非第一范式关系这是相对于第一范式(INF)数据库方法提出的处理非表格化复杂结构对象的时空数据模型。非第一范式(NINF)关系时空数据模型中,元组可以采用不定长和嵌套方式,对于复杂的空间单元的变化或整个演变历史只需一个元组来模拟。非第一范式关系时空数据模型非常适合时态GIS的应用。但是,由于时态数据库一些理论问题(如关系结构时态代数操作封闭性等)尚未很好解决,同时又受到可供实际应用开发的商业数据库软件的制约,目前很难采用非第一范式方法时空数据模型开发实运行应用系统。3基态修正模型与其他数据库的结合上述6种模型均存在一些不足,作者认为在许多时态GIS应用领域,如土地管理信息系统中,采用基态修正模型可能较为适宜。但必须加以改进、扩展。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于基态的变化值,提高了时态分辨率,减少了数据冗余量。但是,基于矢量图形或栅格影象的基态修正模型在进行空间对象和时态属性双向查询时,难以建立直接索引关系。而基于时间、以事件驱动的面向对象的基态修正模型,与面向对象的关系型数据库能较好地结合,时间表与对象表易于关联,对于给定时间表中的元素,可即时查询出符合条件的基态变化量值。但是,基态修正模型与其他几种模型还存在一个共同的缺点,即它们关注的都只是给定时刻(时段)的数据状态,而不涉及由一种状态转变为另一种状态的过程。而且在实际应用中往往存在一种“伪变化”,也就是处理过程中经证实需要取消或修正的“变化”。这时,“伪变化”应被撤消,系统需恢复、回退到变化前的状态。因此,需要设计“过程库”来记录、表达变化过程。再者,在基态修正模型中,采用“直接比较法”每次更新基态时,需要修改所有的“差文件”;而采用“间接比较法”,又必须搜索数据库中大量的记录。当时态数据库中时态变化频繁,时间历史延续远久时,两种方法要么必须进行大量的数据计算,要么必须对大量数据进行查询检索。为此,历史库查询效率必须提高。一个较好的解决方法是建立分级索引。综上所述,基态修正模型需要加以改进和扩展。实践表明,在时空数据库中创建3个表达不同时态的数据库,即现时库(现在时态)、过程库(进行时态)和建立分级索引的历史库(过去时态),是一条解决问题的较好途径。下面就扩展的基态修正模型的现时库、过程库和历史库分别加以阐述。3.1特征基态—现时库根据基态修正模型的特点,处于最频繁操作的状态应作为基态,显然现时库中的对象一般应作为基态。在时空数据库中,现时库反映的是操作对象的现在时态的空间位置和属性,数据库中的每个元组都处在“激活”状态,是数据库的当前操作对象。3.2跟踪数据的过程操作大多数的时态数据库中,只保存对象的空间位置和属性的现状(最后一次更新的数据状态)和变化前的各时段历史状态。然而合理的现实情况是数据的变化往往需要经历一个过程,必须满足一定的条件,经过过程操作验证后,才允许进入过程演变的下一个阶段,过程演变存入过程库中。过程库跟踪对象演变的所有阶段,描述事件发生和演变的全过程。同时,一旦事件发生的条件不满足时,该事件将会沿发生的时间轴回退,直到条件成立时停止或返回到事件发生前的状态。3.3对历史进行快速查询一个对象当由一事件引起变化后,其最新状态被存入现时库中,它的演变过程被存入过程库中。当变化的所有条件成立时,事件将会按时间顺序排列,将相对基态修正量存入历史库中。为了对历史进行快速查询,对所有元组建立分级索引。对于任意给定的时刻或时间段,都可从历史库中查询出“过去”的状态,恢复当时对象的时空关系,进行相应的时空运算。4数据库的开发土地产权产籍系统是典型的时态GIS应用系统,时态特征是地籍变更的重要特性。基态修正模型的建模规则和实现方法比较适合土地地籍变更管理。这是因为宗地变化不会是整个区域同时发生,而只是发生在局部一个或相邻几个宗地上,而且一个对象版本只需要存储1次。地籍变更过程中宗地变更频繁,且数据量较大,这两点都能用扩展的基态修正时空数据模型来表达。与其他几种时空数据模型相比,基态修正模型可以或更易于采用现有的成熟的大型商业数据库,实现技术相对容易。有些时空数据模型虽理论先进,也非常适合特定的应用对象,但无实用的数据库平台可选。在研制开发的土地产权产籍管理系统中,选用了具有客户/服务器(Client/Server)结构的微软公司产品SQLServer6.5(新版本升级为SQLServer7.0)数据库平台,采用3级Client/Server模式和2级封装技术,对地理实体和数据库连接分别进行封装。地籍图形数据通过自行开发的空间数据库引擎(SDE)存入坐标表中,由空间索引表建立与时态属性数据表之间的双向关联,实现对土地产权产籍现状和变更历史的查询和重现。现时库、过程库、历史库的逻辑关系如图1所示。根据本文提出的扩展的基态修正时空数据模型方法,作者研制开发了一套商业化的3级客户/服务器网络级土地产权产籍管理系统。经初步推广应用,在原版基础上进行了改版升级。系统实现了对土地产权产籍管理工作登记、调查、审批、缮证全过程的动态管理,对宗地的变更历史可以进行快速浏览,也可根据不同的查询方式和条件详细查询,任何一个历史变更都可方便地进行图形、属性双向互查。对于已成为历史状态进入历史库的数据,系统可以按变更的历史顺序依次撤消,将最后一次认可的历史数据回退到