ＧＩＳ－Ｔ中基于动态分段技术的面向对象时空数据模型研究

黄少銮　熊盛武

摘 要：交通网络的表达在GIS-T中处于非常重要的地位，不仅交通设施管理、道路交通信息管理需要良好的数据结构，而且在交通运输规划、路网规划等方面还需要拓展传统GIS的数据结构。数据是GIS系统的基础，数据模型则用来表达数据之间的联系与逻辑组织形式。由于交通信息种类繁多，具有自身的特点，需要合理的形式进行组织，因此研究GIS-T数据模型具有重要的意义。以动态分段技术为基础，提出面向对象的时空数据模型。

关键词：GIS-T;动态分段;面向对象;数据模型

中图分类号：TN95文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2009)03-183-03

Object-oriented Spatio-temporal Data Model Based on Dynamic Segmentation in GIS-T

HUANG Shaoluan,XIONG Shengwu

(Department of Computer Science and Technology,Wuhan University of Technology,Wuhan,430070,China)

Abstract：The expression of transport network is very important in GIS-T.Not only the traffic facilities management and road traffic information management need a good data structure,moreover developing traditional GIS data construction is needed in transport planning and network planning.Data is a base of GIS,and data model is used to express the relation between the data and the forms of logic organizations.Because of a great variety of transportation information of their own characteristics,the data need to be organized by a logical form.It has a great significance of studying the data model of GIS-T.This article discusses a object-oriented spatio-temporal data model based on dynamic segmentation.

Keywords：GIS-T;dynamic segmentation;object-oriented;data model

动态分段技术只是从数据存储的方面解决时空数据的问题，但是对时空数据的时空关系没有解决。面向对象技术的发展以及在GIS领域的应用，为人们提供了一种更为科学的数据组织方式。面向对象的数据模型更符合客观世界的本质特征，在GIS-T的数据模型研究中，面向对象技术的应用可以很好地解决时空数据的空间关系问题。

1 动态分段技术

动态分段是在传统GIS数据模型的基础上利用线性参照系统和相应算法［1］，在需要分析、显示、查询及输出时，在不改变要素位置(坐标)的前提下，建立线性要素上任意路段与多重属性信息之间关联的技术。动态分段实质上是建立在弧段-节点数据结构上的一种抽象方法，通过一定映射关系，将动态段对应回原有的GIS数据库中的一种技术［2］。动态分段大大提高了GIS对线性数据的处理能力，解决了传统GIS中只能处理一个固定属性数据集的问题。

1.1 动态分段的优势

(1) 任何一个要素的变化不会影响其他要素;

(2) 容易添加和删除要素;

(3) 应用时只需处理具有特殊意义的要素，减少处理和存储的数据量;

(4) 一些实体可以被表述成结点和弧段。

1.2 动态分段技术的线性参照系

与传统的平面坐标系统相比较,在GIS-T的应用中,线性参照系具有以下优点:

采用线性参照系使得GIS-T能够采用一个统一界面融合各类不同的交通信息数据,简化系统的查询方式［3］。目前一般认为线性参考系统是交通信息系统中最合适的位置参考系统。

线性地物的各个分段是由动态分段方法实时计算得到的，用户只需要维护属性事件表中的度量值,如道路的起点桩号、终点桩号,而不需要在矢量化时进行手工打断，大大减少了地图数字化的工作量。线性参考系统相对独立地管理图形数据和属性数据，一个线性空间地物可以对应多重属性，线性地物不同类型的属性以及空间分布特征可以独立地维护而不会相互影响［4］。

1.3 动态分段技术的算法实现

为了说明问题，以一实例来阐述动态分段技术的算法。

问题：从标识点B至C的路面宽度为30 m，B与C的里程值为MPB，MPC。

求解：(XB,YB)，(XC,YC)。

条件：已知控制点A的坐标和里程分别为(XA,YA)，MPA，控制点D的坐标和里程分别为(XD,YD)，MPD，公路上的几何特征点(曲线主点)坐标,如图1所示。

实现过程：

第一步，查询路面宽度为30 m、由链组成的公路路段及里程，包括满足条件的路程的起始里程、链标识、终点里程等。

第二步，按里程计算起始点至终点的偏移值，对于图1，即AB/AD，AC/AD。

第三步，根据公路的几何图形和几何特征点的坐标，沿包含起始点和终点的链段累计计算里程，并将计算的里程与链路里程比较，直到计算的比例偏移值大于第二步计算的比例偏移值。或者为提高内插精度，采用距待求点最近的两特征点的坐标内插出该点的坐标值，即根据公路的几何图形和特征点的坐标，沿包含起始点和终点的链段累计计算里程，并将计算里程和链路里程比较，直到计算的里程的偏移值大于第二步中的偏移值，记录该点的坐标。

第四步，确定比例偏移值小于第二步计算的比例偏移值且查询点最近的公路几何特征点的里程，或确定比例偏移值小于第二步计算的比例偏移值且查询点最近的公路几何特征点并刻录该点的坐标。

第五步，按线性内插方法计算B，C两点的坐标。

动态分段是一种新的线性特征的动态分析、显示和绘图技术，极大地提高了GIS-T中线性要素的处理能力，然而，传统动态分段技术在处理具有时态性线性数据时却存在明显的不足。为了体现数据的时空属性，在动态分段的基础上，我们采用面向对象的方式来建立时空数据模型。

2 面向对象的时空数据模型

2.1 面向对象的优越性

随着面向对象技术的出现，面向对象的数据模型以丰富的语义、描述复杂对象的功能和数据抽象技术等优点受到专家的关注。国内外的众多专家学者如WorBoys［5］、龚健雅等都曾经或者正利用面向对象的思想进行时空数据模型的研究。面向对象的时空数据模型的优越性主要体现在以下几个方面：

(1) 以面向对象分析方法和程序设计方法为基础的面向对象的模型方法，提供了丰富的数据建模机制对象(封装、对象标识)、类型与类、概括(继承)、多态、聚集、传播等，能够很好地模拟和描述地理空间中复杂的时空对象。面向对象数据模型它在复杂结构数据建模、数据和操作重利用方面具有比关系、扩展关系、层次数据和网状模型更大的优点，而时空数据的最大特点莫过于大数据量和复杂的结构。空间数据和无限变化的历史累积数据属海量数据，且空间数据的明显层次结构、有序、不定长、复杂关系、时态数据的时间序列等特点要求数据库系统提供复杂结构或语义建模机制。

(2) 面向对象的时空数据模型可以建立自然的、充分表示现实世界地理空间的概念模型。通过多种语义抽象机制，可以采用与人们在科学认识模型中一致的方式表示地理空间，并以此来建立地理空间的数据模型。这种数据模型即可以表达人们对地理现象和地理性质认识的概念体系，按照人们自然思维方式中的分解和抽象机制来表示地理空间的结构和相应的各种复杂对象，又可以支持较完备的空间关系集的表示。

(3) 面向对象数据模型提供了概念模型到逻辑数据模型以至物理数据模型一致的表示方法，模型抽象的各个阶段可以自然过渡，不需要人为地模型转换，特别是概念模型和逻辑数据模型之间的界限变得模糊起来。也就是说人们在设计和使用地理信息系统时直接使用提供的数据定义语言。

由于面向对象时空数据模型具有以上的许多优越性，因此使用而向对象技术进行时空数据建模，发展时空对象数据模型将是时空数据建模的重要手段［7］。

2.2 面向对象的时空数据模型的概念模型

GIS-T数据中的时空信息可以用描述事件的五元组＜对象、时间、空间、事件、属性>来描述时空模型，该概念模型中信息联系如图2所示。

模型各元组关系描述如图3所示。

这种五元组的描述方式，显式地描述了变化的五个方面，即变化主体、变化时间、变化地点、变化因由和变化的结果(量变)，同时也隐含地表达了地理信息的变化状态质变的情况下，通过记录变化的对象间接记录状态量变的情况，通过记录属性(专题)信息的变化间接记录状态。

该模型中时间从概念上可分为时间点(基于点的时间)和时间段(一个时间间隔)。当描述固定时间发生的事件时，时间是一个固定点的值，所描述的事件是一个时间点的事件。当记录事件的发生、发展、消亡的过程时，采用的是记录离散的时间点、地点、人物及重要的事件，从而达到记录事件发生、发展、消亡过程的目的。据波粒二象性理论，在宏观世界，时间是连续的，在微观世界，时间也是由时间粒子组成，也就是说连续的时间是由时间点组成的。相应地，对于地理实体可以用对象标识、时间点、空间定位、对象属性、事件及其关系进行描述，而且整个描述可由对象标识进行关联，这样在量变时，可通过记录一个对象在某时刻发生的事件、空间位置及属性信息变化进行记录，质变时则可以通过对象的改变和导致对象

改变的事件来记录。

3 结 语

时空数据建模是研究领域的一个重要方向［8］。近年来，对时空数据的查询统计、历史分析、历史再现、动态分析及趋势预测等方面提出了更为迫切的要求，本文以动态分段技术为基础，提出面向对象的时空数据模型［9］。动态分段是一种新的线性特征的动态分析、显示和绘图技术，极大地提高了GIS-T中线性要素的处理能力，然而，传统动态分段技术在处理具有时态性线性数据时却存在明显的不足。为了体现数据的时空属性，在动态分段的基础上，采用面向对象的方式来建立时空数据模型。

参考文献

［1］Bo GUO,Carl E KURT.Towards Temporal Dynamic Segmentation［J］.GeoInformatica,2004,8(3).

［2］李军利,查良松,王中.动态分段思想在公路地理信息系统中的实现［J］.测绘与空间地理信息,2006,29(1):67-70.

［3］王超,王泉,秦前清,等.动态分段技术在GIS-T中的应用研究.测绘信息与工程，2008,33(2):41-42.

［4］张青年.线状要素的动态分段与制图综合［J］.中山大学学报:信息科学版,2004,43(2):104-107.

［5］Worboys M F.Heamshow H M,Maguire D J.Object-oriented Data Modeling for Spatial Database.International Journal of Geograhical Information System,1990,4(4):369-383.

［6］龚健雅.GIS中面向对象时空数据模型.测绘学报,1997,26(4):289-298.

［7］Michael Zeiler.Modeling Our World［Z］.ESR I Press,2004.

［8］陆锋.基于特征的城市交通网络GIS数据组织与处理方法［D］.北京:中国科学院遥感应用研究所,1999.

［9］张晓芳,刘云生.一种支持时态数据的实时数据模型.计算机科学，2006,33(2):119-121.

［10］石建军,许国华,何民,等.交通地理信息系统数据模型的研究进展［J］.北京工业大学学报,2004,30(3):318-322.

［11］Miller H J,Shaw S L.Geographic Information Systems for Transportation:Principles and Applications ［M］.Oxford:Oxford University Press,2001.

作者简介黄少銮 女，1983年出生，广东汕头人，硕士研究生。主要研究方向为软件工程、信息系统。

熊盛武 男,1967年出生，湖北咸宁人，教授，博导。主要研究方向为数据挖掘与知识发现，智能计算，机器学习与模式识别，GIS，复杂系统建模理论与方法。