面向过程的时空数据模型研究

薛存金,周成虎,苏奋振,董 庆,谢 炯

1.中国科学院对地观测与数字地球科学中心中国科学院数字地球科学重点实验室,北京100191;2.中国科学院地理科学与资源研究所资源环境信息国家重点实验室,北京100101

面向过程的时空数据模型研究

薛存金1,2,周成虎2,苏奋振2,董 庆1,谢 炯2

1.中国科学院对地观测与数字地球科学中心中国科学院数字地球科学重点实验室,北京100191;2.中国科学院地理科学与资源研究所资源环境信息国家重点实验室,北京100101

根据近20年来时空数据模型的研究现状、存在问题及其原因剖析,以连续渐变地理实体的表达、组织和存储为研究对象,提出面向过程的时空数据模型。根据连续渐变地理实体的内在特性,将其分级抽象为过程对象系列,进一步探讨过程对象及过程对象间逻辑关系,并设计其UML模型结构及物理存储结构。通过抽象的过程对象隐式地记录地理实体动态变化机制,及自定义的过程对象存储表提供演变机制的函数接口模式,实现连续渐变地理实体的过程化组织、存储与动态分析。最后,以海洋数据的过程化组织与分析为例,构建时空过程模型原型系统(海洋过程对象—关系数据库系统与功能分析平台),验证和评价该模型的实用性。

时空过程模型;过程对象;连续渐变;原型系统

1 引 言

时空数据模型(spatio-temporal data model, STDM)是时空信息系统的核心[1],也是时空 GIS的理论基础。根据对空间、时间、属性的处理能力,近20多年发展起来的STDM可归纳为:基于时间的[2-5]、基于空间的[6-8]与基于空间、时间、属性集成的时空数据模型[9-12]。基于时间的与基于空间的时空数据模型无法同时处理实体的空间信息与时态信息,因为在地球信息科学领域,缺少空间与时间的基本集成理论;基于空间、时间、属性集成的时空数据模型尽管在概念层次上较好地解决了三者的一致性表达、存储与时空分析,却对模型物理存储结构缺乏深入探讨。从表达与组织地理实体类型上分析,目前的STDM能科学地刻画状态的或间隔变化的地理实体,但却无法有效表达与组织空间与属性信息综合连续变化的地理实体,其根本原因是在模型内部缺少连续渐变表达与存储的机制。

从科学本质问题处理能力上分析,目前大多数STDM 发展于静态空间处理[6,13]、离散事件[2-3,14]、离散过程[9]等,能较好地描述地理实体或现象的状态与时刻变化,但对连续变化的地理实体或现象的建模与表达还面临许多新挑战。然而,GIS科学的本质是解决地理过程与现象在时空上的分布状态与时空变化过程特性、时空变化的预测预报及时空演化机制[15-16]。以过程思想为核心构建的时空数据模型,在实现属性、功能与关系连续变化地理实体的组织、存储与动态分析方面具有优越性。

2 面向过程的时空数据模型

2.1 面向过程的时空建模理论

从数据库建模的角度,时空建模包括概念设计、逻辑设计和物理设计[17],分别对应以应用目的的语义描述、对象表达与组织和对象存储[18]。因而,面向过程的时空建模理论主要包括:概念层次上的过程语义、逻辑层次上的过程对象表达与组织和物理层次上的过程对象对象—关系的扩展存储。

在过程语义描述方面,基于地理实体(现象)自身演变特性,对其进行分级抽象,并把层次结构的顺序关系、序列关系、关联关系及各种地理事件抽象为连续渐变机制;在过程对象表达方面,基于产生地理数据的过程模式,把连续渐变的地理实体表达为过程对象序列,利用连续渐变机制实现过程对象→状态对象的递推和状态对象→过程对象的递归;在过程对象组织方面,利用过程对象间的关联关系,连接过程对象序列,实现过程对象的过程化表达与组织;在过程对象存储方面,利用抽象数据类型(abstract data type,ADT)结构,实现过程对象、对象属性和对象行为的一体化存储。

2.2 过程语义

在地球信息科学领域,时空过程(spatio-temporal process,STP)没有明确统一的概念。从不同的研究角度,时空过程被界定为:实体的演变序列[15]、系列事件及其算子[19]、时空动态现象[20]、时空动态现象的突变性整体演变[9]等,上述概念在其应用领域都具有重要的科学意义。本文结合Clarmunt与苏奋振的时空过程思想,定义连续渐变的时空过程语义为:基于时空过程—生命周期阶段—演变序列—原子单元的分级结构,如图1所示。

连续渐变的时空过程语义表达能满足:①刻画实体的连续渐变特性;②记录实体的连续渐变机制;③实现过程各个阶段的空间、时态、时空与过程操作。这是面向过程的时空数据模型与基于演变序列、系列事件、突变性演变过程等数据模型的本质差异。

图1 时空过程语义的分级结构Fig.1 Hierarchical structure of STP

过程对象生命演化历程包括对象产生、扩展、稳定、消弱与消亡,分别抽象为时空过程和生命周期阶段(产生、扩展、稳定、消弱与消亡阶段)。由于过程对象在不同的生命周期阶段具有不同的演变机制,因而,在生命周期阶段隐式地记录地理实体的演变机制,来实现演变序列的连续渐变表达。原子单元是演变序列的载体,记录某一时刻状态的空间与属性信息。

2.3 过程对象表达

根据过程对象的自身演变特性及语义分级结构,把其分级抽象为:过程对象、过程阶段对象、过程序列对象与过程状态对象。这些过程对象间具有倒金字塔结构特性(图2(a))。过程对象的分级抽象结构,一方面易于实现过程对象的分级存储与分析(图2(b)),另一方面易于实现过程对象的分级表达(图2(c))。结合过程演变机制在过程阶段对象内部的隐式记录,从而实现过程对象的连续渐变表达及进一步挖掘地理实体的演变模式与变化规律。

图2 时空过程对象表达结构Fig.2 Representation structure of STP

2.4 面向过程的数据结构

时空过程对象(spatio-temporal process objects,STPOs)是对现实世界连续渐变实体或现象的抽象概括,面向过程的时空数据模型不仅包括过程对象自身的数据结构,而且还包含过程对象内部及对象间关联关系的数据结构,图3(a)与图3(b)分别给出过程对象和过程对象关系UML模型(UML模型只给出主要对象及其关系)。

图3 面向过程的时空数据模型UML结构Fig.3 UML framework of process-oriented STDM

过程对象UML模型结构刻画了过程对象(STPObject)、过程阶段对象(STPProduceObject、STPExpandObject、STPStableObject、STPShrinkObject、STPDestroyObject)、过程序列对象 (STPSequneceObject)与过程状态对象(StateObject)之间的层次关系。过程对象间的连接关系利用图3(b)中的SequneceRelationship实现,过程对象连续渐变的存储与分析利用图3(b)中的STPRules与Events实现。

上述过程对象与底层存储的过程对象对象—关系表一一对应。过程对象的空间、时态与属性信息采用ADT结构存储,不同过程对象具有不同的ADT数据类型结构。图4中定义了四种ADT类型结构:ProcessObjectADT、ProcessStageObjectADT、ProcessSequenceObjectADT 和ProcessStateObjectADT。过程对象间关系采用关系表(RelationshipOfSTPObject)存储,并以过程对象 ID(PID、StageID、SequenceID)实现过程对象间的连接。图4给出面向过程的时空数据模型存储结构。

图4 过程对象及其关系的存储结构Fig.4 Storage structure of STPOs and its relationship

2.5 连续渐变机制

地理实体的连续渐变表达是面向过程的时空数据模型设计的核心内容之一,它与目前的STDM有较大差异。过程对象的分级抽象与逐级包含刻画过程对象内部的层次结构与序列关系,是过程内部的关联关系与事件设计的前提,为设计连续渐变表达的模型奠定基础。过程对象内部的关联关系与事件则隐式地记录其连续渐变表达机制,而过程对象的ADT存储类型结构中的时空算子则是实现连续渐变表达机制的函数接口。因而,面向过程的时空数据模型利用过程对象的分级抽象与逐级包含的思想和过程内部的关联关系与事件隐式地记录实体或现象的连续渐变表达,并在底层物理存储结构中提供地理实体动态变化的函数接口,从而实现地理实体的连续渐变地组织、存储与分析。

3 海洋数据的时空组织与分析

鉴于连续渐变地理实体或现象在海洋与大气领域普遍存在,以卫星影像数据(提取海洋涡旋过程对象)与模拟数据(提取海洋锋与涡旋过程对象)作为实验数据,采用对象—关系数据库系统(GeoDatabase 9.2)为基础,设计海洋时空过程数据库系统(MarineSTPDMGDB),实现海洋锋和海洋涡旋时空过程对象的扩展存储,并构建原型系统平台(MDMProto TypeSystem),实现海洋过程对象的查询与分析等功能。

3.1 面向过程的海洋数据组织

基于卫星影像的海洋涡旋过程对象(Swirl-ProcessObject)是从 1990—2006年的 NOAA AV HRR卫星影像中挑选并提取出来的,具有完整的生消演变特性,模拟的海洋过程对象包括5个基本时空过程对象:1个海洋锋时空过程(OceanFrontProcess)、2个海洋冷涡过程(Cold-SwirlProcess_1和ColdSwirlProcess_2)与2个海洋暖涡过程(WarmSwirlProcess_1和 Warm-SwirlProcess_2)。根据过程对象的分级抽象及其关联关系,过程对象及其关系的存储视图结构如图5所示。

过程对象表(ProcessObject Table)存储过程对象的元数据信息,包括过程名称及其时态信息,而过程对象的空间与属性信息存储在过程对象存储表(ObjectStorageTable)中,两者通过过程 ID关联。过程阶段对象表(StageObject Table)存储过程阶段对象的元数据信息,包括过程阶段对象ID及前一阶段与后一阶段 ID、过程阶段对象的时态信息与过程阶段的特性标识。过程阶段对象的空间与属性信息存储在 ObjectStorageTable中,两者通过过程阶段ID关联;过程对象关系表(ObjectRelatedTable)通过过程 ID与过程阶段ID关联过程对象表与过程阶段对象表,保证了过程对象的连续渐变性;状态时间表(StateTimeTable)通过过程 ID与过程阶段对象 ID关联,存储过程对象与过程阶段对象的时态信息;对象标识表(Object TagTable)关联ObjectStorageTable与过程ID或过程阶段ID,保证了过程对象或过程阶段对象的空间、属性与时态信息地一体化存储与分析;ObjectStorageTable是过程对象或过程阶段对象的存储载体,存储过程对象的属性与空间信息。

图5 过程对象及其关系的存储视图Fig.5 Storage views of STPOs and its relationship

在MarineSTPDMGDB中,过程存储对象包括过程对象或过程阶段对象,且与 ObjectStorageTable一一对应。在ObjectStorageTable中,基于卫星影像的海洋涡旋过程对象以栅格模型(RasterDatasets)存储,模拟的海洋时空过程对象以矢量模型(FeatureClass)存储。

此外,过程阶段对象表隐式地存储过程对象的连续渐变表达机制实现接口,即海洋动态变化(事件、动力模型与时空插值)的函数接口,而外部应用程序负责连续渐变机制的具体实施。

3.2 面向过程的海洋时空查询

MarineSTPDMGDB是对象—关系型数据库系统,底层的存储过程对象是某时刻的快照状态,因此,标准化查询语言(SQL)无法对过程对象的时态信息、空间形态和属性的动态信息和过程对象等进行直接查询。要想实现连续渐变海洋现象的过程化查询,首先要对查询语句进行标准化分解,然后再在上层对查询结果进行过程化封装。为便于查询语句的标准化分解,根据时空过程对象查询类别,定义了4大类11种对象查询,分别为基于空间对象Position、Geometry、Shape的查询;基于时态对象 TimeInstant、TimeInterval的查询;基于属性对象Attribute、AttributeSequnce的查询和面向过程对象 ProcessObject、ProcessStageObject、ProcessSequenceObject和 ProcessStateObject的查询。

由于MarineSTPDMGDB支持属性与空间条件语句查询,从条件语句的角度分析,语句的标准化分解只需对时态条件语句分解即可;从过程对象的角度分析,语句的标准化分解还包括对过程对象或过程序列对象的整合。时态条件语句的标准化本质是对时态谓词的标准化,主要包括At(t)、Fromt1Tot2、Within(t1,t2)与 Contain (t1,t2)等4种时态谓词的标准化;过程对象或过程序列对象的整合要按照过程对象内部的演变机制进行。表1给出基于属性与时态条件语句综合查询过程对象的示例。

表1 海洋时空过程对象查询示例Tab.1 A case of marine STPOs inquiry

图6是满足综合查询条件下的3个海洋涡旋过程对象:暖涡过程对象2(WarmSwirlProcess_ 2)、冷涡过程对象1(ColdSwirlProcess_1)和冷涡过程对象2(ColdSwirlProcess_2),在其稳定阶段的可视化结果。

图6 海洋时空过程对象查询结果Fig.6 Inquiry results of marine STPOs

3.3 面向过程的海洋时空分析

原型系统平台(MDMProto TypeSystem)的海洋时空过程功能包括海洋过程对象的交、并、差等运算、过程对象拓扑分析及过程对象的连续渐变表达等。

3.3.1 过程对象拓扑分析

过程对象是占据特定空间结构与时态结构的时空对象抽象,其空间结构抽象为实体在各个时刻占据的空间区域并集,时态结构抽象为过程的整个生命周期或生命周期阶段,因而,过程对象、过程阶段对象、过程序列对象与过程状态对象可看作为不同时空尺度的时空对象,过程拓扑可基于时空拓扑研究成果分析。过程拓扑分析的函数原型如式(1)所示,图7给出海洋暖涡过程对象1 (WarmSwirlProcess_1)在t9时刻的状态对象与海洋冷涡过程对象1(ColdSwirlProcess_1)的消亡阶段对象之间的拓扑分析结果。

图7 海洋时空过程对象拓扑分析示例Fig.7 A case of marine STPOs topological analysis

其中,CProcessObject为过程对象系列,可以是过程对象、过程阶段对象、过程序列对象或过程状态对象;Topo TypeEnum为时空拓扑枚举类型,共包括64种时空拓扑类型[21]。

3.3.2 过程对象的连续渐变表达

过程对象的内部演变机制包括:事件、动力模型与时空插值等。但无论是何种类型的演变机制,其外部程序实现接口相同。本研究以时空过程插值为例,探讨过程对象内部演变机制程序接口的实现。在不同的生命阶段,海洋现象具有不同的演变机制,需采取不同的模型进行模拟。如前所述,模型内部(过程对象存储表)隐式地记录演变机制类型,外部程序负责连续渐变表达机制的实现。表2给出ObjectStorageTable存储的演变机制类型与外部程序实现的时空函数功能的对应关系。图8给出基于卫星影像的冷涡过程对象(SwirlProcessObject)在稳定阶段(部分)的连续演变,其中图8(a)与图8(c)分别是2002年第6周和第7周卫星影像,图8(b)是基于第6周与第7周插值后的涡旋状态信息。

表2 过程对象的演变类型与其实现函数Tab.2 Evolution types and their functions of STPOs

图8 时空过程对象的连续渐变表达示例Fig.8 A continuity and gradual represention case of STPOs

4 结束语

针对目前存在的时空数据模型对连续渐变的地理实体表达、组织、存储与分析时存在的问题及其原因的剖析,我们提出以过程思想为核心的时空数据模型,主要做了以下几方面的工作:①针对地理实体内在演变特性,把其分级抽象为过程对象、过程阶段对象、过程序列对象与过程状态对象;②在探讨过程对象及对象间关系的基础上,给出面向过程的时空数据模型UML模型结构与物理存储结构;③通过过程阶段对象隐式地记录演变机制与过程阶段对象存储表中演变机制接口的实施,探讨地理实体连续渐变表达的机制实现;④以海洋锋和海洋涡旋为例,构建面向过程的时空数据模型原型系统,对模型的实用性进行了验证。

尽管面向过程的时空数据模型能较好的对连续渐变的地理实体进行表达、组织、存储与分析,但由于地学现象及其时空关系的复杂性,该模型还存在以下不足:①模型的设计针对连续渐变的地理实体,在表达与分析状态变化、突发事件或离散过程的地理实体或现象时具有一定的应用局限性,比如:利用模型的演变机制表达离散过程的变化可能得到不符合客观规律的结果;②面向过程一体化时空集成的数学基础理论薄弱;③模型只是实现实体连续渐变表达机制的程序接口,对连续渐变表达机制的研究有待今后进一步探索。

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Research on Process-oriented Spatio-temporal Data Model

XUE Cunjin1,2,ZHOU Chenghu2,SU Fenzhen2,DONG Qing1,XIE Jiong2
1.Laboratory of Digital Earth Science,Center for Earth Observation and Digital Earth,CAS.Beijing 100191,China;2.State Key Lab of Resources and Environment Information System,Institute of Geographical Science and Natural Resources,CAS,Beijing 100101,China

According to the analysis of the present status and existing problems of spatio-temporal data models developed in last 20 years,this paper proposes a process-oriented spatio-temporal data model(POSTDM),aiming at representing,organizing and storing continuity and gradual geographical entities.The dynamic geographical entities are graded and abstracted into process objects series from their intrinsic characteristics,which are process objects,process stage objects,process sequence objects and process state objects.The logical relationships among process entities are further studied and the structure of UML models and storage are also designed.In addition,through the mechanisms of continuity and gradual changes impliedly recorded by process objects,and the modes of their procedure interfaces offered by the customized ObjcetStorageTable,the POSTDM can carry out process representation,storage and dynamic analysis of continuity and gradual geographic entities.Taking a process organization and storage of marine data as an example,a prototype system(consisting of an object-relational database and a functional analysis platform)is developed for validating and evaluating the model’s practicability.

spatio-temporal process model;process object;continuity and gradual;prototype system

XUE Cunjin(1979—),male,PhD,majors in spatio-temporal data models and marine geograpyhical information system.

1001-1595(2010)01-0095-07

P208

A

国家973计划(2009CB723903);国家自然科学基金(40901194,40676096,40801162);国家863计划(2009AA-12Z102-10)

(责任编辑:郭新新,雷秀丽)

2008-04-02

2009-06-26

薛存金(1979—),男,博士,研究方向为时空数据模型与海洋地理信息系统研究。

E-mail:cjxue@ceode.ac.cn