基于擴展的基態(tài)修正模型的時空模型研究

基于擴展的基態(tài)修正模型的時空模型研究

1u3000新技術(shù)背景下gis發(fā)展現(xiàn)狀時間和屬性是數(shù)據(jù)庫（tb）的兩個資源元素。時態(tài)數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展的一個重要分支,已經(jīng)經(jīng)歷了20年的發(fā)展歷史,在人事管理、金融財務(wù)、人工智能和醫(yī)療管理等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其研究成果相當(dāng)豐富,研究者提出了很多不同概念的時態(tài)數(shù)據(jù)庫模型,建立了相應(yīng)的理論體系。時空數(shù)據(jù)庫(Spatial-TemporalDatabase)是時態(tài)數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫的結(jié)合,即將空間數(shù)據(jù)庫賦予時態(tài)特征。在空間數(shù)據(jù)庫中加入時間特征,會使空間數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫的理論及方法不完全適用于時空數(shù)據(jù)庫對時態(tài)和空間數(shù)據(jù)的操作。隨著GIS研究和應(yīng)用的不斷深入,時間概念被引入到GIS中,通過分析空間信息隨時間的變化,描述系統(tǒng)在某時刻、時段的狀態(tài)以及系統(tǒng)沿時間維變化的過程,預(yù)測未來某時刻、時段系統(tǒng)將會呈現(xiàn)的狀態(tài),以此獲得系統(tǒng)變化的趨勢,或?qū)^去不同時刻、時段系統(tǒng)狀態(tài)回放重現(xiàn),總結(jié)出系統(tǒng)沿時間變化的規(guī)律。近些年來,時態(tài)地理信息系統(tǒng)(TemporalGeographicInformationSystem簡稱TGIS)的研究已經(jīng)成為GIS理論界和開發(fā)應(yīng)用單位關(guān)注的前沿研究熱點之一,許多學(xué)者從不同角度、用不同方式研究時態(tài)GIS,取得了不少研究成果。但是,對目前的研究成果加以分析可以看出:數(shù)學(xué)模型多,原型實現(xiàn)少;理論研究多,應(yīng)用研究少;以模型劃分的學(xué)術(shù)門派多,支持提供TDB和TGIS產(chǎn)品的廠商少,顯然這一現(xiàn)象非常不利于時態(tài)GIS的發(fā)展。因此,在已有的有代表性的研究成果基礎(chǔ)上,進行必要的擴展,盡快開發(fā)出一套能滿足生產(chǎn)實際急需的實運行系統(tǒng),具有非?，F(xiàn)實的意義。2時空數(shù)據(jù)庫的建立時空數(shù)據(jù)模型通常由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作和完整性約束三部分組成,是時空數(shù)據(jù)庫的概念基礎(chǔ),時空數(shù)據(jù)庫是時態(tài)GIS的組織核心。空間數(shù)據(jù)庫包含線和頂點、多邊形和邊界之間的拓撲關(guān)系,其數(shù)據(jù)組織和處理方法與非空間數(shù)據(jù)庫的屬性數(shù)據(jù)庫有很大的不同?？臻g數(shù)據(jù)庫中加入時態(tài)成分,使得所研究的時空對象具有3D(x,y,t)或4D(x,y,z,t)屬性,時空數(shù)據(jù)庫包含了空間數(shù)據(jù)庫的所有特征。目前的理論研究和應(yīng)用開發(fā)由于時態(tài)GIS的特殊性,進展不是很快,其中一個重要原因就是時空數(shù)據(jù)模型的研究沒有獲得突破性進展。時態(tài)GIS不僅要處理屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù),還要處理時間維上的空屬狀態(tài)和發(fā)生在時間維上的空屬變化,以及變化的過程和變化的趨勢。在實際應(yīng)用中,不同時態(tài)GIS功能,要求選擇不同的數(shù)據(jù)組織和時空數(shù)據(jù)模型,這和通常的空間數(shù)據(jù)庫組織和處理方法有很大差別。由于空間、屬性、時態(tài)三者之間的關(guān)系和結(jié)構(gòu)組織非常復(fù)雜,理想的時空數(shù)據(jù)庫和時態(tài)GIS系統(tǒng)目前還未出現(xiàn)。2.1維面位置隨時間的變化時空立方體模型用二維圖形沿時間第三維發(fā)展變化的過程表達現(xiàn)實世界平面位置隨時間的演變;給定一個時間位置值,就可以從三維立方體中獲得相應(yīng)截面的狀態(tài),也可擴展表達三維空間沿時間變化的過程。缺點是隨著數(shù)據(jù)量的增大,對立方體的操作會變得越來越復(fù)雜,以致于最終變得無法處理。2.2連續(xù)快照模型此模型在快照數(shù)據(jù)庫(SnapshotDatabase)中僅記錄當(dāng)前數(shù)據(jù)狀態(tài),數(shù)據(jù)更新后,舊數(shù)據(jù)的變化值不再保留,即“忘記”了過去的狀態(tài)。連續(xù)快照模型是將一系列時間片段快照保存起來,反映整個空間特征的狀態(tài),根據(jù)需要對指定時間片段的現(xiàn)實片段進行播放。由于快照將未發(fā)生變化的所有特征重復(fù)進行存儲,會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余,當(dāng)應(yīng)用模型變化頻繁、且數(shù)據(jù)量較大時,系統(tǒng)效率急劇下降。此外,連續(xù)快照模型不表達單一的時空對象,較難處理時空對象間的時態(tài)關(guān)系。2.3基態(tài)狀態(tài)稱基態(tài)的記錄為了避免連續(xù)快照模型將每張未發(fā)生變化部分的快照特征重復(fù)進行記錄,基態(tài)修正模型按事先設(shè)定的時間間隔采樣,只儲存某個時間的數(shù)據(jù)狀態(tài)(稱基態(tài))和相對于基態(tài)的變化量。基態(tài)修正的每個對象只需儲存一次,每變化一次,只有很小的數(shù)據(jù)量需記錄;同時,只有在事件發(fā)生或?qū)ο蟀l(fā)生變化時才存入系統(tǒng)中,時態(tài)分辨率刻度值與事件發(fā)生的時刻完全對應(yīng)。但基態(tài)修正模型較難處理給定時刻的時空對象間的空間關(guān)系。當(dāng)整個地理區(qū)域作為處理對象時,該模型處理方法難度較大,效率較低,管理索引變化很困難。2.4時空變化部分的表現(xiàn)時空復(fù)模型將空間分隔成具有相同時空過程的最大的公共時空單元,每次時空對象的變化都將在整個空間內(nèi)產(chǎn)生一個新的對象。對象把在整個空間內(nèi)的變化部分作為它的空間屬性,變化部分的歷史作為它的時態(tài)屬性。時空單元中的時空過程可用關(guān)系表來表達,若時空單元分裂時,用新增的元組來反映新增的空間單元,時空過程每變化一次,采用關(guān)系表中新增一列的時間段來表達,從而達到用靜態(tài)的屬性表表達動態(tài)的時空變化過程的目的;但在數(shù)據(jù)庫中對象標識符的修改比較復(fù)雜,涉及的關(guān)系鏈層次很多,必須對標識符逐一進行回退修改。2.5屬性值的標記按第一范式方法,一個對象的歷史過程需要用幾個元組表達,元組中每個屬性值必須具有時間標記。在TGIS中,對于一個空間單元的表達,即使未發(fā)生空間拓撲變化,而僅一個屬性特征值發(fā)生變化,就必須增加一個新的元組來表示,數(shù)據(jù)表中記錄了大量重復(fù)數(shù)據(jù)。2.6非第一范式關(guān)系這是相對于第一范式(INF)數(shù)據(jù)庫方法提出的處理非表格化復(fù)雜結(jié)構(gòu)對象的時空數(shù)據(jù)模型。非第一范式(NINF)關(guān)系時空數(shù)據(jù)模型中,元組可以采用不定長和嵌套方式,對于復(fù)雜的空間單元的變化或整個演變歷史只需一個元組來模擬。非第一范式關(guān)系時空數(shù)據(jù)模型非常適合時態(tài)GIS的應(yīng)用。但是,由于時態(tài)數(shù)據(jù)庫一些理論問題(如關(guān)系結(jié)構(gòu)時態(tài)代數(shù)操作封閉性等)尚未很好解決,同時又受到可供實際應(yīng)用開發(fā)的商業(yè)數(shù)據(jù)庫軟件的制約,目前很難采用非第一范式方法時空數(shù)據(jù)模型開發(fā)實運行應(yīng)用系統(tǒng)。3基態(tài)修正模型與其他數(shù)據(jù)庫的結(jié)合上述6種模型均存在一些不足,作者認為在許多時態(tài)GIS應(yīng)用領(lǐng)域,如土地管理信息系統(tǒng)中,采用基態(tài)修正模型可能較為適宜。但必須加以改進、擴展?；鶓B(tài)修正模型不存儲每個對象不同時間段的所有信息,只記錄一個數(shù)據(jù)基態(tài)和相對于基態(tài)的變化值,提高了時態(tài)分辨率,減少了數(shù)據(jù)冗余量。但是,基于矢量圖形或柵格影象的基態(tài)修正模型在進行空間對象和時態(tài)屬性雙向查詢時,難以建立直接索引關(guān)系。而基于時間、以事件驅(qū)動的面向?qū)ο蟮幕鶓B(tài)修正模型,與面向?qū)ο蟮年P(guān)系型數(shù)據(jù)庫能較好地結(jié)合,時間表與對象表易于關(guān)聯(lián),對于給定時間表中的元素,可即時查詢出符合條件的基態(tài)變化量值。但是,基態(tài)修正模型與其他幾種模型還存在一個共同的缺點,即它們關(guān)注的都只是給定時刻(時段)的數(shù)據(jù)狀態(tài),而不涉及由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的過程。而且在實際應(yīng)用中往往存在一種“偽變化”,也就是處理過程中經(jīng)證實需要取消或修正的“變化”。這時,“偽變化”應(yīng)被撤消,系統(tǒng)需恢復(fù)、回退到變化前的狀態(tài)。因此,需要設(shè)計“過程庫”來記錄、表達變化過程。再者,在基態(tài)修正模型中,采用“直接比較法”每次更新基態(tài)時,需要修改所有的“差文件”;而采用“間接比較法”,又必須搜索數(shù)據(jù)庫中大量的記錄。當(dāng)時態(tài)數(shù)據(jù)庫中時態(tài)變化頻繁,時間歷史延續(xù)遠久時,兩種方法要么必須進行大量的數(shù)據(jù)計算,要么必須對大量數(shù)據(jù)進行查詢檢索。為此,歷史庫查詢效率必須提高。一個較好的解決方法是建立分級索引。綜上所述,基態(tài)修正模型需要加以改進和擴展。實踐表明,在時空數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建3個表達不同時態(tài)的數(shù)據(jù)庫,即現(xiàn)時庫(現(xiàn)在時態(tài))、過程庫(進行時態(tài))和建立分級索引的歷史庫(過去時態(tài)),是一條解決問題的較好途徑。下面就擴展的基態(tài)修正模型的現(xiàn)時庫、過程庫和歷史庫分別加以闡述。3.1特征基態(tài)—現(xiàn)時庫根據(jù)基態(tài)修正模型的特點,處于最頻繁操作的狀態(tài)應(yīng)作為基態(tài),顯然現(xiàn)時庫中的對象一般應(yīng)作為基態(tài)。在時空數(shù)據(jù)庫中,現(xiàn)時庫反映的是操作對象的現(xiàn)在時態(tài)的空間位置和屬性,數(shù)據(jù)庫中的每個元組都處在“激活”狀態(tài),是數(shù)據(jù)庫的當(dāng)前操作對象。3.2跟蹤數(shù)據(jù)的過程操作大多數(shù)的時態(tài)數(shù)據(jù)庫中,只保存對象的空間位置和屬性的現(xiàn)狀(最后一次更新的數(shù)據(jù)狀態(tài))和變化前的各時段歷史狀態(tài)。然而合理的現(xiàn)實情況是數(shù)據(jù)的變化往往需要經(jīng)歷一個過程,必須滿足一定的條件,經(jīng)過過程操作驗證后,才允許進入過程演變的下一個階段,過程演變存入過程庫中。過程庫跟蹤對象演變的所有階段,描述事件發(fā)生和演變的全過程。同時,一旦事件發(fā)生的條件不滿足時,該事件將會沿發(fā)生的時間軸回退,直到條件成立時停止或返回到事件發(fā)生前的狀態(tài)。3.3對歷史進行快速查詢一個對象當(dāng)由一事件引起變化后,其最新狀態(tài)被存入現(xiàn)時庫中,它的演變過程被存入過程庫中。當(dāng)變化的所有條件成立時,事件將會按時間順序排列,將相對基態(tài)修正量存入歷史庫中。為了對歷史進行快速查詢,對所有元組建立分級索引。對于任意給定的時刻或時間段,都可從歷史庫中查詢出“過去”的狀態(tài),恢復(fù)當(dāng)時對象的時空關(guān)系,進行相應(yīng)的時空運算。4數(shù)據(jù)庫的開發(fā)土地產(chǎn)權(quán)產(chǎn)籍系統(tǒng)是典型的時態(tài)GIS應(yīng)用系統(tǒng),時態(tài)特征是地籍變更的重要特性。基態(tài)修正模型的建模規(guī)則和實現(xiàn)方法比較適合土地地籍變更管理。這是因為宗地變化不會是整個區(qū)域同時發(fā)生,而只是發(fā)生在局部一個或相鄰幾個宗地上,而且一個對象版本只需要存儲1次。地籍變更過程中宗地變更頻繁,且數(shù)據(jù)量較大,這兩點都能用擴展的基態(tài)修正時空數(shù)據(jù)模型來表達。與其他幾種時空數(shù)據(jù)模型相比,基態(tài)修正模型可以或更易于采用現(xiàn)有的成熟的大型商業(yè)數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)技術(shù)相對容易。有些時空數(shù)據(jù)模型雖理論先進,也非常適合特定的應(yīng)用對象,但無實用的數(shù)據(jù)庫平臺可選。在研制開發(fā)的土地產(chǎn)權(quán)產(chǎn)籍管理系統(tǒng)中,選用了具有客戶/服務(wù)器(Client/Server)結(jié)構(gòu)的微軟公司產(chǎn)品SQLServer6.5(新版本升級為SQLServer7.0)數(shù)據(jù)庫平臺,采用3級Client/Server模式和2級封裝技術(shù),對地理實體和數(shù)據(jù)庫連接分別進行封裝。地籍圖形數(shù)據(jù)通過自行開發(fā)的空間數(shù)據(jù)庫引擎(SDE)存入坐標表中,由空間索引表建立與時態(tài)屬性數(shù)據(jù)表之間的雙向關(guān)聯(lián),實現(xiàn)對土地產(chǎn)權(quán)產(chǎn)籍現(xiàn)狀和變更歷史的查詢和重現(xiàn)?，F(xiàn)時庫、過程庫、歷史庫的邏輯關(guān)系如圖1所示。根據(jù)本文提出的擴展的基態(tài)修正時空數(shù)據(jù)模型方法,作者研制開發(fā)了一套商業(yè)化的3級客戶/服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)級土地產(chǎn)權(quán)產(chǎn)籍管理系統(tǒng)。經(jīng)初步推廣應(yīng)用,在原版基礎(chǔ)上進行了改版升級。系統(tǒng)實現(xiàn)了對土地產(chǎn)權(quán)產(chǎn)籍管理工作登記、調(diào)查、審批、繕證全過程的動態(tài)管理,對宗地的變更歷史可以進行快速瀏覽,也可根據(jù)不同的查詢方式和條件詳細查詢,任何一個歷史變更都可方便地進行圖形、屬性雙向互查。對于已成為歷史狀態(tài)進入歷史庫的數(shù)據(jù),系統(tǒng)可以按變更的歷史順序依次撤消,將最后一次認可的歷史數(shù)據(jù)回退到