一种基于更新过程的空间变化信息描述方法

林 艳,刘万增,王育红

(1.北京师范大学资源学院,北京 100875;2.国家基础地理信息中心,北京 100830;3.河南理工大学测绘与国土信息工程学院,河南焦作 454000）

一种基于更新过程的空间变化信息描述方法

林 艳1,2,刘万增2,王育红3

(1.北京师范大学资源学院,北京 100875;2.国家基础地理信息中心,北京 100830;3.河南理工大学测绘与国土信息工程学院,河南焦作 454000）

针对空间数据更新中变化信息与原数据库集成效率低的问题,提出了基于更新过程的变化信息描述模型(UPM-CIR）,即将更新过程分解为更新事务序列,并采用适当的空间位置、几何、属性等信息对更新事务进行补充描述,基于这种定性、定量的方法描述存储变化信息,使得更新过程能够被复制、解析、回放。在空间数据的更新试验中,采用UPM-CIR模型实现变化信息的表达、存储,并将存储的变化信息集成到其他待更新数据中,试验结果表明该描述方法能够实现变化信息的自动回放、高效集成。

模型;变化信息;过程;更新事务;操作

0 引言

目前,空间数据更新的一般流程是将待更新数据作底图,利用新影像或野外实地量测变化的部分,然后将量测结果提交到数据中心,通过人工操作将变化融合到原数据库中[1,2],该过程中手工编辑更新的方式效率低且容易出错,解决办法是在量测的同时将变化信息以一种可被解析的方式存储,集成时只需用程序读取、解析,并将该变化信息自动融合到旧数据中,其中,如何有效地描述和表达数据更新中的变化信息是关键[1,3]。

目前国内外学者基于不同的理解和应用目的,从3个角度尝试对变化信息进行描述。

一是对造成时空变化的原因——“事件”进行分类和描述[2,4,5]。研究时空变化的原因对客观世界的认知和数据库更新具有重要意义[6];但事件导致空间数据库滞后于现势状态,是需要数据更新的客观原因,而不是真正的空间数据更新操作,基于事件的变化信息存储会造成集成困难[7]。

二是对时空变化产生的差进行定义和分类。由于上述事件描述方法不能表达更新中真正的变化信息,Beyen[8]、朱华吉[6]分别从集合和图元的角度,对时空变化产生的差进行定义和分类,这种方法表达了纯粹的“变化信息”,但是“差”是一种静态的空间数据形态,也难以实现变化信息自动入库更新。

三是以更新数据库为目的,以“要素”为基本粒度,记录变化目标及更新操作,已应用到工程实践中。如MasterMap[9]将空间数据库中变化的要素作为变化信息,对象属性中隐式存储了更新集成时的操作类型;Laser-Scan公司的 Gothic空间数据库管理系统[10]和 Navigation Technologies公司[11]将地理数据集的变化信息组织为一连串的更新事务。但实际上,变化信息采集只是对要素的变化部分进行操作,如某条道路延长,只需采集延长的部分,而不是删除原目标,再重新采集,因此,这种以目标整体为最小存储粒度的变化表达方法,会增加实际操作的工作量。

本文在现有方法的基础上,提出基于更新过程的变化信息描述方法,逻辑上将采集过程分解为定性的更新事务,并附加适当的空间位置、几何等信息对更新事务进行定量描述,使得更新过程可以被复制、在他处解析、执行,最终实现变化信息采集、变化信息存储和变化信息的自动集成更新,称为基于更新过程的变化信息描述模型(Updating Processbased Model for Changed Information Rep resentation UPM-CIR）。

1 基于过程的变化信息描述模型

过程的概念被广泛应用于不同的领域,一般指在系统生存周期中涉及的活动序列。过程在本质上是非结构化的、定性的、经验性的,不能用固定的程式表达,表现出连续性与不可逆性[12]。

更新在本质上是过程性的。在外业移动端,变化采集是通过更新操作对底图数据进行修改的动态更新过程;在室内,变化信息融合是将采集过程中存储的变化信息集成到更新端的旧数据库中,可以认为,存储的变化信息是一个中间媒介,将野外的更新过程复制到室内更新端。因此,变化信息的描述是对外业更新过程的建模、存储。

1.1 更新过程的定性描述

对更新过程建模,关键是将连续的、动态的采集过程在时间轴上进行离散、抽象、量化、描述和表达。变化信息的采集过程是由操作者通过人机交互,不断地利用更新操作对变化目标进行修改。更新操作可看作更新执行过程中最基本的工作单元,为避免更新操作的不稳定导致系统出现不一致,将执行成功的一系列更新操作组装成更新事务。更新事务是顺序执行的,因此,空间数据库更新过程在时间轴上离散成有序的更新事务序列。更新过程P可以表示为:

式中:F是某一更新事务,⊗是顺序连接词(serial conjunction）,表示先执行F1再执行F2、F3等。

更新事务是指在空间数据库的更新过程中,由若干执行成功的更新操作组成的逻辑工作单元。

式中:f是顺序实现的更新操作。

根据采集实践中的需求,并总结现有的变化信息采集软件,本文提出针对点、线、面的更新操作集UOS(Updating Operations Set）(表1）。

表1 更新操作集Table 1 Updating operations set

1.2 更新过程的定量描述

更新事务能够定性地描述变化[13],但这种定性的过程描述没有体现变化信息的空间特性,难以实现更新过程在其他待更新数据端的定位、回放。因此,需要提供足够的元数据以便对更新过程进行追踪。显然,对空间目标进行更新操作,会量化修改目标的空间位置、几何形态、属性或空间关系等,因此,需要引入空间信息来定量描述更新操作f。

式中:Oi是当前更新操作的目标,可用目标唯一标识码来表达;x是对空间更新操作在几何或属性上的量化补充描述。

更新操作是对目标的局部进行修改,不同的更新操作有不同的量化参数(表2）。这种过程参数的记录方法有两个优势:面向更新操作的方法使得变化信息中包含了更新操作信息从而可被解析、回放;基于更新操作的空间信息描述,相比基于集合、要素或图元等直接保持空间图形的方法,能减少存储量,从而减轻网络传输的负担。

表2 更新操作的定量描述Table 2 The quantitative description of updating operations

1.3 更新过程描述的优化

更新过程是实时的,更新操作的顺序是不确定的、形式是复杂的,显然,将所有更新操作直接存储为变化信息会造成存储冗余及更新困难。

实际应用中,由于操作员的习惯不同,可能带来重复的更新事务存储,从而加大入库更新时的解析计算量。例如,不同的操作者对同一变化目标采取不同的更新事务(扩张导致居民地几何形态发生变化,操作员可以删除原目标并添加新目标,或者仅仅采集扩张部分的轮廓坐标）;另外,采集过程中,经常出现对同一目标进行连续多次操作,才能将目标调整到准确状态。事实上,这些不同形式、多个更新操作产生的更新效果一样,因此,在不影响更新结果的前提下,可通过对更新操作进行合并,用简单的更新事务来代替复杂的多个更新事务,从而优化更新过程,以压缩存储的数据量,并降低后期变化信息入库更新时的复杂度。

更新过程的优化仅限于对同一目标的更新操作,总结主要的计算公式如式(4）～式(9）。

2 变化信息的数据结构

DBt1是t1时刻的数据库状态,DBt2是t2时刻的数据库状态,P是数据库DB t1转换到数据库DBt2的更新过程,记作P(t1,t2）,则数据库更新的模型表达为＜DBt1,DBt2＞P。按照上述对更新过程的定性、定量描述方法,P(t1,t2）表示为:

基于过程P构建的变化信息存储模型具有如图1的数据结构。其中,时间标识是变化信息与原数据库之间关联的标识,也是多个变化信息文件之间区别的标识。元数据是对当前变化信息的一般描述信息,如空间参考、坐标单位、空间覆盖范围等,以便变化信息与待更新数据库之间的匹配与转换。更新过程P如式(10）,由更新操作序列构成。变化信息入库标识是布尔型数据,表示当前变化信息是否已经集成到数据库中,避免用户误操作导致变化信息被多次叠加到数据库中,造成更新错误。

图1 基于过程的变化信息存储模型的数据结构Fig.1 The data structure of changed information based on process

3 UPM-CIR模型应用与试验

本文将UPM-CIR模型应用到空间数据库更新试验中,实现框架如图2。首先,在变化信息采集端,更新过程被分解为更新事务序列,并通过合并计算优化更新过程,采集的同时将采集过程保存为变化信息;然后,经过有线或无线网络传输,将变化信息传输到数据中心;最后,在数据中心,对变化信息进行顺序解析,得到更新事务及其量化描述,通过程序控制这些信息能够与旧数据自动融合。

图2 基于UPM-CIR模型的空间数据更新框架Fig.2 Framework of spatial data updating based on UPM-CIRmodel

试验数据采用1995版1∶25万地形数据库中的居民地(respy）和道路(roalk）数据、2000年遥感影像,图3是对变化信息采集过程的表达及说明,以UPM-CIR模型存储的变化信息以XML通用格式记录(图4）,变化信息集成到旧的数据库后的更新结果如图5。可见,更新端是自动回放了采集过程,这样能避免人工操作的误判、误操作。

4 结论

本文分析了现有的变化信息描述方法不能解决变化信息的高效、自动集成问题,以空间数据更新流程中的需求为出发点,提出了一种基于更新过程的变化信息描述方法,对空间数据的动态更新过程进行抽象、量化、描述,采用定性的更新事务及定量的空间信息描述更新过程,并对其进行优化,从而使动态的采集过程能够被复制、保存,并在其他待更新端可以自动模拟、回放。试验证明了该模型可以实现采集过程中的变化信息存储,解决了集成困难的问题。

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Spatial Changed Information Descr iption Based on Updating Process

L IN Yan1,2,L IU Wan-zeng2,WANG Yu-hong3(1.College of Resources Science&Technology,Beijing N ormal University,Beijing 100875; 2.N ational Geomatics Center of China,Beijing 100830; 3.School of Surveying and Information Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China）

Aim to solve the p roblem of low efficiency of changed info rmation integrating into o riginal database,a new descrip tion method based on the updating p rocess was p roposed in this paper named UPM-CIR.This method broke dow n the updating p rocess to update transactions sequence,and the update transaction was described w ith the spatial position,geometry,and attributes.Using the qualitative and quantitative descriptionmethod to storage changed information,the updating process can be replicated, parsed and replayed in other client.An experiment was carried out in thispaper,and the results show that the application of UPM-CIR method in spatial database updating can realize the automatic p layback and efficient integration of changed information.

model;changed information;p rocess;update transaction;operation

P208

A

1672-0504(2011）04-0024-04

2011-01-10;

2011-03-09

国家自然科学基金面上项目(40701141）;河南省科技支撑项目(092102210361）;河南省教育厅自然科学研究计划项目(2009B420001）

林艳(1982-）,女,博士研究生,主要从事空间数据更新方法与应用研究。E-mail:linyan20@163.com