基于时空本体的智慧城市交通信息关联一体化管理

徐跃跃 ，李景文，胡泊，陆妍玲

(1.桂林理工大学测绘地理信息学院，广西桂林 541004; 2.广西空间信息与测绘重点实验室(桂林理工大学)，广西桂林 541004)

1 引 言

时空数据模型作为时态地理空间数据特征的抽象，是人们认识和表达现实世界地理现象的方法和手段，是GIS 空间数据组织和数据处理算法设计的基础［1～2］。随着智慧城市建设和城市信息化的快速发展，时空数据模型对地理实体的描述和地理信息的逻辑表达提出了更高的要求。近年来，众多学者从GIS 语义数据模型、面向实体时空数据模型、面向对象的时空数据模型等方面进行了深入的研究，在一定程度上解决了数据的组织、存储及共享问题［3～6］。这些模型主要从数据及语义模型的存在问题出发，重点突出数据的组织存储研究，但缺乏对地理实体的语义及逻辑结构的表达，不同系统间易造成语义理解误差甚至错误，不能很好满足各行各业对地理信息共建共享的需求。基于此，本文以本体为主线，构建了基于本体的时空数据模型，并对智慧城市交通数据的组织管理模式进行了研究，为智慧城市建设、城市空间信息的管理、交换和共享机制建设提供了借鉴。

2 时空本体模型构建

基于本体的时空数据模型把地理现实抽象成地理实体及实体间的逻辑关系，其逻辑模型的构建主要包括实体的组织表达及本体的建立两个方面。

2.1 地理实体的表达

地理实体的构成具有多样性，利用面向对象的基本表达地理实体的特征，既可以反映其独有的时间信息、空间信息、属性信息和操作方法，也可以表达地理实体之间的时空语义关系。因此，地理实体对象可用以下四元组来表达［7］:

O={ID，A，R，M}

其中，ID 是地理实体对象的唯一标识码;A 表示对象的属性，A={TA，SA，TA}，TA 是时间属性，SA 是空间属性，TA 是专题属性;R 表示对象的关系，R ={TR，SPR，SIR}，TR 是时间关系，SPR 是空间关系，SIR是语义关系;M 是对象所具有的操作和方法。

2.2 时空本体的建立

时空本体是描述时空对象的概念以及概念间关系的一种形式化规范体系，是实现时空信息共享与重用的一种标准性工具，它可以对时空对象进行特征分类［8］。时空本体由时空对象(objects)、邻居(neighbors)、有限的状态(stats)以及时空过程(process)所构成，并且能够被形式化地表示为四元组的结构:

TSO=(Od，N，S，P)

公式中，TSO 是时空本体的简写;d 表示时空对象具有的维度，取值为正整数;O 表示时空对象所处的地理空间;N 表示时空对象的邻居;S 表示时空对象具有的状态组成的集合;P 表示一种过程变化的规则。

时空本体模型如图1所示。

时空本体模型把地理现实抽象为地理实体，根据地理实体的概念以及概念间的逻辑关系构建地理时空本体，时空地理本体模型的核心是由时态、空间、属性三个方面的特征构成的地理要素。时态特征的描述采用的是时间点、时间段或者二者相结合的方式，用图1中时态模型来表示;空间特征包括实体所处的地理空间位置及其几何形状，如图1中空间关系模型和几何模型所示;属性特征则是地理实体的其他非时空特征，在该模型中用元数据进行描述，如图1中要素模型所示。

图1 时空本体模型

在时空本体模型中，要素模型主要由要素、空间对象、位置描述以及元数据几类组成。其中要素类是模型的核心，反映地理要素的概念以及位置和形状方面的特征。要素的“形状”反应了对象的空间特征，通过bounded By 属性与几何形状的类(Geometry)关联;要素的“位置”描述对象的地理坐标，与描述空间位置的类之间的关联通过location 属性实现。要素类是由其父类空间对象类(Spatial Thing)产生的，空间对象类主要对空间对象的属性特征进行了描述，属性特征与元数据类的关联通过metadata 属性实现。

时空本体模型中的几何模型主要由位置坐标、基元图形中的点、线、面、环等图形及它们形成的聚合图形。几何模型中的基础类是几何坐标类，点图形的表达可以采用三种地理位置坐标中的任一种。

时空本体模型中的空间关系模型的主要作用是为了表达拓扑关系、方位关系和距离关系三种空间关系，它的实现需要借助于OWL 本体描述语言里面的对象属性。

时态模型是为了方便对地理空间信息的时间属性进行组织表达，时间段和时间点都是构成时间本体的基元。对时间信息的描述有基于ISO 8601 标准的、GPS 时间、UNIX 时间、描述顺序参考系统中某个时代参考的URI 值等等。时间段在时间上的位置表示用开始和结束的时间点来描述，它是表达时间范围的一维几何基元并采用OWL 语言进行描述;对地理实体的具体数据采用对象封装的表达方式分层组织，本体和实体数据最终统一存放在Oracle Spatial 对象——关系数据库中。

3 城市交通数据组织管理

在智慧城市交通系统建设中，交通数据是基础，面对海量、时变、多源、异构的交通数据，如何对其进行综合管理，并从中抽取相关的数据，进而形成所需信息以提供特定的应用需求，成为充分发挥交通数据资源应有作用的关键环节，因此迫切需要建立合理的数据模型和有效、统一的管理系统［9］。

3.1 城市交通本体构建

(1)城市交通实体的抽象

依据基于本体的时空数据模型建模方法，本文通过对城市道路交通实体进行概念化和抽象分层，如表1所示。

表1 城市道路实体的抽象

本文将城市交通本体的构建分为三个方面:城市交通实体类本体;城市交通时空语义关系类本体;城市交通逻辑关系类本体。

(2)城市交通实体类本体构建

根据本文提出的城市道路交通实体分类方法，城市道路的分类可用OWL 描述为图2所示，其他类的描述方法类同。

图2 城市道路交通实体类本体的OWL 描述

(3)城市交通时空语义关系类本体构建

时空语义关系本体用来描述道路实体间复杂的时空语义关系，例如道路实体间的方位关系可以描述为:

(4)城市交通逻辑关系类本体构建

逻辑关系是指城市道路实体之间的相互关系和城市道路各实体内部要素的关系，分为kind －of 和part －of 两类。kind－of 类用于表示道路和路段、道路交叉口的关系，在OWL 中采用subClassOf 来描述;part －of 类主要描述路段和车行道、人行道、盲道、隧道、桥梁、道路附属设施之间的关系，在OWL 中采用union－of 来描述。

道路与路段、道路交叉口的关系可以表示为:

路段与车行道、人行道、桥梁的关系可以表示为:

3.2 城市交通本体信息的管理

基于本体的时空数据模型将城市道路本体按照模型的要求存储在Oracle Spatial 对象——关系数据库中，每个道路实体占用一条记录，图形信息存放在SDO_GEOMETRY 字段中，数据库表之间通过对象标识建立联系［10］。

数据库表主要包括道路表、路段表、道路交叉口表、道路附属设施表以及道路实体关系表，其中，道路交叉口表和道路部件表存储简单对象信息;道路表和路段表不存储对象的位置信息，只存储组合对象信息和简单对象的地址信息;道路实体关系表存储实体间的逻辑关系，各表之间的关系如图3所示。

图3 城市道路信息的组织与管理

4 智慧城市交通信息关联一体化管理

4.1 与基础数据间的关联

与基础数据进行关联以后的城市道路数据库管理系统具有统一管理多种数据结构的特征，能够综合利用多种数据处理方法来满足数据存储管理、分析评价、查询检索、输出表达等方面的要求。专题数据与基础数据间的关联分为物理关联和逻辑关联两类。

(1)物理关联

交通数据与基础数据间的物理关联即是采用统一的参考平面坐标系统，在基础数据中准确地将交通数据的位置信息标识出来，实现基础数据与交通数据在物理上的集成。通过物理关联，交通部门的管理人员就可以检索和定位所需路段的位置情况，如图4所示。

图4 交通数据间的物理关联

从对象的横向组织上来看，由于各种类型对象的数据在入库以前都经过几何配准，这就保证了它们的地理坐标和投影系统在空间位置上的匹配性，使所有空间对象都可以准确地集成在一起;从对象的纵向组织上来看，由于每个图层中的空间对象都是以统一的参考平面坐标系统作为基准，确定并记录了其坐标值，保证了不同图层中空间对象相对位置的客观性、现实性与一致性，有效地实现交通数据与基础数据在物理上的集成。

(2)逻辑关联

交通数据与基础数据间的逻辑关联是指通过关联属性这个桥梁来连接交通数据子库和基础信息数据库中的数据信息，以实现双方的信息交流和传递。通过关联，能方便地将交通数据与基础数据进行叠加分析，交通部门的管理人员可以查询和分析所关心路段的交通信息和周围的环境。

例如，交通部门对某路段进行项目改造时，需要了解该路段的路面结构、车道属性和附属设施建设情况等内容，可以通过该路段对象的唯一ID(212005001)调阅路段的基础数据。当改造项目设计完成后，经办人将该项目的项目编号(XT0772)与项目一起提交到交通数据库和基础数据库中，在上级领导审批时，可以根据项目编号直接定位到该路段上，或根据该路段的属性信息查询其项目编号。

4.2 与其他专题数据间的关联

在一种类型专题数据的管理和应用过程中，很多情况下需要用到或参考其他类型的专题数据，若参考与关联的数据不符合应用标准，则需要修改或更新应用数据，专题数据之间的关联只涉及逻辑关联。

以交通类信息中的路段为例，当交通管理部门对一个路段的信息进行存储时会给它分配一个关联编号，如301103150，并将其与其他信息一起存入数据库相应的表中，当规划部门对此路段进行规划时需要相应的路段类型、所属位置、绿化带范围、附属设施建设等信息作为该路段扩建、改建或拆除等规划的参考，这时，规划管理信息系统就需要取出该关联编号301103150，并与规划的其他信息一起存入数据库表中。

5 结 论

随着信息化进程的加快，海量异构数据不断积累，不同领域由于观察背景和视角不同，在空间数据的处理中，对同一地理实体往往采用不同的命名方法，缺乏统一的语义描述，使得信息的交流与共享产生了障碍，在浪费国家资源的同时也给智慧城市的建设带来了很大的困难。基于此，本文采用基于本体的时空数据模型，对城市交通数据进行有效的组织，通过建立物理上和逻辑上的两种关联关系来实现城市交通信息关联一体化的管理。同时也为解决不同领域间信息共享问题提供了新思路。

［1］宋玮．时空数据模型的研究现状与发展趋势［J］．水利电力机械，2005，2，27(1):58 ～60．

［2］吴立新，龚健雅，徐磊等．关于空间数据与空间数据模型的思考［J］．地理信息世界，2005，3(2):41 ～51．

［3］陈常松．地理信息分类体系在GIS 语义数据模型设计中的作用［J］．测绘通报，1998(8):17 ～20．

［4］陈常松，何建邦．面向数据共享目的的GIS 语义数据模型［J］．中国图象图形学报，1999，4(1):13 ～18．

［5］叶亚琴，左泽均，陈波．面向实体的空间数据模型［J］．地球科学——中国地质大学报，2006，31(5):595 ～560．

［6］李景文，刘军锋，周文婷等．基于地理认知的空间数据模型描述方法［J］．工程勘察，2009(1):59 ～63．

［7］梁艳艳．基于地理本体的面向对象时空数据模型及其应用研究［D］．桂林:桂林理工大学，2013．

［8］李德仁，王泉．基于时空模糊本体的交通领域知识建模［J］．武汉大学学报·信息科学版，2009，34(6):631 ～635．

［9］张可，王笑京，刘浩．交通信息提取计算理论及其技术框架与发展策略［J］．公路交通科技，2007，24(4):134 ～139．

［10］李明，叶晓俊．对象关系数据库管理系统体系结构的研究［J］．计算机科学，2003，30(8):73 ～75．