一种基于事件—过程—状态的时空数据模型应用研究

邹文娟 ，李景文，王芳

(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，广西桂林 541004)

1 引言

历史地理空间数据与现实世界的其他数据一样，会随着时间的变化而具有不同的变化过程和状态。传统GIS只是描述了对象的一个“快照”，它反映事物在某一时刻的状态，并没有真正实现信息的空间、时间和属性这三个要素的整合。而时态GIS通过在系统中增加对时间维的表达、分析能力，具有历史分析与趋势分析的功能［1］。时态GIS的核心是时空数据库，建立时空数据库的基础是时空数据模型，目前，无论是以事件为核心，还是基于状态的时空数据模型，都没有完全解决时空数据模型的三个关键技术问题:数据的冗余、更新，时空一体化，时空分析［2］。本文从时空语义表达的要求出发，通过分析事件、过程、状态三者间相互关系，同时在分析历史空间数据的时空特性的基础上建立了基于事件—过程—状态的时空数据模型。该模型为历史信息的有机集成、共享管理以及决策分析提供了有效的时空数据组织方法与管理模式。

2 事件—过程—状态关联关系分析2.1 相关定义

(1)事件

事件是空间对象在时间维上从一个状态到另一个状态的质变过程，每个事件代表一个状态变化，事件在时间维上的顺序表达了空间对象变化的时空过程。事件序列可表达为［3］:

式(1)中，EID表示事件Event(i)的标识号;ESTi表示事件的发生时刻;EETi表示事件的结束时刻;EAi表示事件的类型如属性事件、空间事件等;EOi表示对事件其他方面的说明。以历史政区变革为例，这一事件可分为历史政区拆置，历史政区合并以及历史政区继承等。

(2)过程

过程是基于分类或抽象所得到的逻辑上相连的事件序列。过程实质上是时间轴上相邻两个状态间的空间对象细化而成的多个具有特殊意义的操作，这些操作导致对象状态从量的变化到质的变化。过程序列可表达为［4］:

式(2)中，PID表示过程 Process(j)的标识号;{O1，O2，．．．，Om}表示过程变化前的空间对象实体集合;{O1，O2，．．．，On}表示过程变化后的空间对象实体集合;S表示过程的变化类型算子。实体本身的历史变化，如政区变革、自然环境的变化、人口与民族的发展与沿革、经济文化的发展、城镇变迁与规划等皆为相关实体演变发展的时空过程。

(3)状态

状态是在一定的时间下地理实体客观存在的形式，表达了对象相对恒定的过程。空间对象的存在是指在其生命周期内从出生时态到死亡时态之间相对稳定的一个过程。实体的状态变化可用基态修正模型来表示，该模型将地理实体的最新状态作为基态，每个历史状态都是相对于现在状态的差值［5］。

图1 基态修正模型的两种方式(曹志月，2002)

式(1)将每个历史时刻的实体状态都直接与基态进行差运算，并记录这些差值。式(2)将历史上每一时刻的状态与其前一状态进行比较，记录各个时刻间的状态差值。

2.2 事件—过程—状态之间相互关系

状态是对事物某一时刻的描述，事件是事物状态发生变化的原因。事件与事物状态的关系可由式(3)来表达，在式(3)中，Si是事物的初始状态，由于事件E的发生，引起事物内部发生变化，使其由其初始状态Si改变到新的状态Si+1。

当一个事件开始时，一个过程随即启动，经过若干对象参与若干过程变化后，达到质变，这个事件便结束，事件和过程的主体都是空间对象。每一个事件可以看作由若干过程的序列组成［4］:

因此可以得出结论，地理现象的演化过程在现实中表现为事件—过程—状态的因果关系，事件、过程和状态之间的关系如图2所示。

图2 事件、过程和状态之间的相互关系

3 基于事件—过程—状态的时空数据模型设计

3.1 历史信息变化的时空特性分析

通过对历史事件变革的分析，我们发现每一个事件都有一定的规律性:一个新的事物状态(子状态)的产生，总是伴随着一个旧的事物状态(父状态)的消亡，即父子状态关系具有空间上的相交性和时间上的相接性。那么历史事件上的每个点都可以看作是在一个有效时间段(产生时间—结束时间)的空间存在，它具有唯一性。利用这种唯一性，我们便可以很方便的建立同一时间段类，不同空间实体间的属性关联，也可以比较父子空间状态之间的复杂继承关系。

以某市历史政区变革为例，通过分析我们得出所有的状态可以由分、合、继承、新增等4种基本模式演变而来，如图3所示。

图3 历史政区变革的基本模式

图4包含了该市历史政区变革的几种典型过程变化模式［6］(分、合、继承、新增)，T1表示历史政区在 T1时间段政区初始状态及其空间拓扑关系，Ti表示历史政区在Ti时间段变化后的状态及拓扑关系的演变结果，Ti－Ti+1表示历史政区从Ti时间段到Ti+1时间段演变的过程;Ni表示在Ti时刻该政区的面积。

图4 政区变革中几种典型的空间拓扑变化模式

图4中，从T1到T2历史政区总体边界没有发生变化，但是内部拓扑关系发生了改变，而且变化了的子拓扑可以和父拓扑通过一定的算法进行关联。只要确定了子拓扑和父拓扑之间的不同演变模式，经过一定的算法转换即可很容易地在数据库中关联他们［7］。从图 4 可知，N1={01+02+03+04+05+06+07+08+09}，N2={01+02+03+06+07+08+09+10}，由N1=N2即可推出:10=04+05，同理可以推出其他时间段中各个政区的拓扑关系。由于N1和N2是两个确定的历史政区拓扑体，内部其他子区域在历史政区体中的拓扑位置也是可以确定的，那么我们也就可以很方便地建立T1和T2时间中离散的行政区划之间的联系。

3.2 基于事件—过程—状态的时空数据模型设计

从上文可知历史政区变革也可以看成是几个事件之间的状态发生改变的过程。其事件序列如下:

这些事件表现在空间实体上是通过一系列的过程操作完成的，其过程序列如下:

状态是对事物某一时刻的描述，而事物状态发生变化是由事件差生的结果，其状态序列如下:

从事件、过程和状态在历史信息中的分析应用可知，基于事件—过程—状态的时态模型主要包含事件类、过程类、状态类。事件域和过程域描述时空变化的时间语义，如变化的原因、过程等;状态域描述空间状态语义信息，主要包含初始状态和最终状态。其中，E-vent Class为事件类，用于描述事件发生的时间、原因等，一个事件由若干过程组成;Process Class为过程类，描述过程类型、过程发生的前后时间等;State Class为状态类，描述事件发生变化过程前后的状态，比如空间信息和属性信息等;Time Class为时间类，描述时间区间信息。

图5 基于事件—过程—状态的时态模型逻辑设计

4 基于事件—过程—状态模型的时空数据组织方法

基于事件—过程—状态模型的数据管理将空间几何信息和属性信息统一存储到Oracle Spatial的SDO_GEOMETRY字段中。根据对象在整个变化过程中所处的状态可以建立三个表达不同时态的数据库:现状库、过程库和历史库，如图6所示。其中过程库是由事件和过程共同引起的变化前后对象间的记录数据，主要存储对象各个变化时段的空间和属性等数据，过程库由过程表和事件表等表组成。在物理存储上，主要通过建立事件表、过程表、状态表之间的关联以达到记录和查询的目的，如图7所示。

图6 地籍时空数据组织流程图

图7 基于事件—过程—状态的时态模型物理存储表

5 结论

本文从历史信息在时间轴上的变化特性的角度，通过对引起事物特征变化的时变序列及深层次原因的分析，探讨了基于事件—过程—状态的时空数据模型的描述和表达方法，该模型的构建能够全面反映时空对象的演变过程以及这个过程中产生的各种因果关系;研究了基于该模型的时空数据组织方法和管理模式，该方法对历史事件中的变更数据及时存储，并保存引起事物状态发生变化的系列事件和过程，不仅可以解决事件变更后的历史数据和现势数据的整合问题，而且能够实现基于时空变化语义的查询和分析。

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