基于时空数据模型的历史地图集编制研究

张伟,梁寒冬,刘彬

(宁波市测绘设计研究院,浙江宁波 315042)

基于时空数据模型的历史地图集编制研究

张伟∗,梁寒冬,刘彬

(宁波市测绘设计研究院,浙江宁波 315042)

针对历史地图集中编制对象的时空变化，探讨了时空数据模型的构成要素，建立基于时间、位置和对象的历史地图集的时空数据模型，并从时间关系、空间关系、对象关系三方面对历史地图集的编制进行设计，促成了图集编制工作的科学、合理、高效。以宁波历史地图集编制为例，通过地图表达制图区域的编制对象信息，又反映历史时空变化信息，展现了宁波区域历史上各朝代的疆域范围及社会发展状态。

时空数据模型；历史地图集；时空对象

1 引 言

宁波历史悠久,是具有7 000多年文明史的“河姆渡文化”发源地。宁波文人荟萃,涌现了四明学派、阳明学派、浙东学派等文化名流。宁波的藏书文化深厚,天一阁是国内现存最古老的藏书楼,已有400多年的历史,是亚洲现有最古老的图书馆和世界最早的三大家族图书馆之一。宁波以港兴市,历来是中外闻名的港埠。唐时已是与日本、朝鲜及东南亚国家通商的主要港口。但宁波却没有一部权威地图集对这些内容进行全面反映。经宁波市政府批准立项,在“十一五”期间编制的《宁波市地图集》,是第一部全面反映宁波市情的图集。《宁波市地图集》共分上中下三册,其中中册部分为历史地图集(以下简称图集),是以地图为载体,全面阐述了宁波历史沿革、港口变迁、重大历史事件、古迹遗珍、古蕴沿袭和名人等,上起先秦,末至今日,以地图形式再现了宁波城市的历史变迁。

目前各省市编制的历史地图集主要侧重于从计算机制作的技术路线及对图集中图幅等属性进行设计编制,并没有将图集作为一个时空系统进行研究,弱化图集的时空特点,导致图集资料整理与编制的工作效率低,数据管理水平低,重用性和移植性低。而历史图集的内容不仅和空间位置有关,还和时间有关,其编制对象会随着时间的变化而变化。而时空数据模型是一种有效组织和管理时态数据、空间、专题、时间语义完整的数据模型,它不仅强调研究对象的空间和专题特征,而且强调这些特征随时间的变化,既时态特征。为此,本文研究建立历史地图集编制的时空数据模型。

2 图集的模型设计

2.1 时空数据模型

时空数据模型通常由数据结构、数据操作和完整性约束三部分组成[张祖勋等,1996]。传统的时空数据模型强调对象的静态描述,通常采用矢量或栅格的方式来描述空间数据。这种机制限制了如位移、变迁等动态信息的表达,不便于管理和表达图集的历史变化数据。所以,建立合理、完善、高效的时空数据模型是实现科学、合理编制历史地图集的关键。

时空数据建模的发展和计算机科学领域时态数据建模的发展是并行的,从时态成分和关系模型的结合,发展到和面向对象数据模型的结合。在这个发展过程中,国内外学者针对不同问题提出了很多时空数据模型。目前,典型的模型有时空立方体模型(Space-time Cube Mode1)、序列快照模型(Sequential Snapshots Mode1)、基态修正模型(Base State with Amendment Mode1)[3]、时空复合体模型(Space-time Composite Mode1)[3]、基于事件的时空数据模型(Event-Based STDM)、基于图论的时空数据模型(Graph-based STDM)[6]、面向对象的时空数据模型(0bject-oriented STDM)[7]、多版本时空对象进化数据模型[4]、基于Petri Net的时空数据模型[5]、图谱数据模型、基于特征的时空数据模型等。上述提出的各种时空数据模型在建模需求方面既各有优势,又存在不足,学术上暂时没有一个成熟的通用模型。这就需要我们根据现实世界中的时空对象具有其自身的特点以及时空变化具有其内在的因果联系,选择符合本图集中时空对象变化的模型。

2.2 时空对象表达

本图集是以时间为线索,以朝代为章节,各个专题为分节,详细叙述了宁波本区域内自河姆渡以来的变化,重点表达了宁波历史沿革变化(概况),港口变迁,历史事件发生,古迹遗珍与古蕴沿袭的由来以及名人描述等,图集结构如表1所示。

图集结构 表1

从表1可以看出,本文要设计编制的历史地图集具有以下特点:①现实世界是连续性,编制的表达是离散的。文中是以朝代为章,事物的连续性以朝代为断点；②一个编制对象存在前后因果关系,跨越几个朝代甚至更多。如保国寺至汉以来,一直经过变化,保存至今；③无论朝代还是内容里的编制对象,都会以地图为载体,以一个时间点表达出来。

因此,图集中时空对象连续动作建模、多时间表达和复杂时空行为查询都是时空数据建模时需要重点研究的问题。时空数据模型的设计不仅需要考虑模型的表达,还需要考虑时态数据的统一性等方面。尽管时空数据模型研究已取得了长足的进展,但在模型对象的表达、数据的统一性及模型的移植性等方面仍存在问题。本文设计编制的历史地图集时间跨度大,空间位置也在不断变化,涵盖的内容丰富多样,可见单独采用上述哪种时空模型进行图集设计是不太确切,不完全的,因此,本文在面向对象的基础上结合图集的特点建立一种基于位置、对象和时间的时空数据模型。

图集中各个章节的编制对象成为时空数据模型中的基本时空对象,根据时空对象的特点,每一个编制对象同样具有时间属性,空间属性,相互关系以及非时空属性等四要素,如图1所示。

图1 时空对象的变化过程

时空对象在历史时间的逐步演变过程中,其所包含的要素信息也会呈现时空特点,为构造时空一体化数据模型,进而有效地组织和管理图集中的编制对象,引入一个表达式,确切地对历史图集所含描述时空对象的属性,空间和时间的语义等进行更完整的信息数据表达。因此,我们认为时空对象都是由空间(Space)、时间(Time)、属性(Attribution)和关联关系(Relation)四个基本要素构成的,可以用下面的式子进行表达:

其中E代表时空对象；S代表时空对象的空间体系,由空间尺度,空间坐标(X,Y,Z)和空间关系构成；T是时间体系,由时空对象的时间尺度,时间坐标和空间目标随时间发展的关系构成；A为时空对象的属性体系,由时空对象在给定空间范围和时间下的数量、大小和质量等描述构成；R为时空对象之间的关联性,指空间体系、时间体系、属性体系之间的密切联系。从而,本文认为应从时间,空间和对象三方面考虑,建立基于时间、位置和对象的历史地图集的概念数据模型。

2.3 图集模型建立

上述表达式形象地反映了图集中编制对象的时空特点,所谓图集中的编制对象是指如图集中港口、古迹遗珍、古蕴沿袭、人物等在历史时空中真实存在的物体。建立的基于位置、对象和时间的时空数据模型记录这些对象随着时间变化的不同的状态,把每一个编制对象理解为一时空对象,随着时间的变化不断改变该对象空间结构的状态通过地图表达出来；此外,时空对象的空间结构和属性都随之变化,并自上而下地传递着相应的空间结构和信息。因此,本文建立基于位置、对象和时间的历史地图集的时空数据模型,如图2所示。

图2 基于时间、位置和对象的历史地图集的时空数据模型

模型中假定时空对象在Ti时刻和Ti+1时刻均存在且发生了变化,所对应的状态在相应的地图中表达出来。在该模型中一个时空对象从出现到消亡只用一个对象进行描述,并不需要每次变化都用一个新的对象,这样大大减少了编制该对象时所要花费的时间。同时,对象的描述以时间轴为中心,对象的空间结构的变化记录在时间轴的某一个点上,从该点开始到下一个空间变化点为止的时间段内,该空间结构被认为是该对象的有效空间结构,属性改变的描述同样发生在某个时间点上。

3 图集编制

依据本文建立的基于位置、对象和时间的历史地图集的时空模型,结合图集所要编制的图集结构和图集内容,将分别从时间关系、位置关系、对象关系三方面对图集进行编制。

3.1 基于时间编制

本文编制的历史地图集上下跨度七千多年,上自河姆渡时期,下至新中国成立后。时间上既有连续的时间变化,也有断代的时间间隔。根据宁波地方志记录的信息,再结合编制图集的需要,从时间上共设置11章,并用时间事件TimeEvent(TimeID、TimeRange、ChaoDaiShiQi)来控制图集编制中时空对象在时间上变化的表达,如表2所示。

时间关系约束 表2

3.2 基于空间编制

图集编制中,对于编制对象的空间变化,主要体现在地图上时空对象的位置标注,通过空间事件SpaceEvent(EID,MapID,X,Y,Z)来控制图集编制中时空对象在空间变化上的表达,其中Map ID由时间TimeID和图集中ChaoDaiShiQi的地图类别LbMap ID组成,如表3所示。

地图类别对照 表3

因而时空对象在空间上的约束表达如表4所示。

空间关系约束 表4

在图集编制时,时空对象必须相应地归为对应的ChaoDaiShiQi和LbMap,所以在实际编制过程中,要割断事物的连续性,选取时空对象起源时或发展最高时,进行离散性表达,以保国寺为例,保国寺起源于东汉。EID为46,是第46个时空象；Map ID为34(TimeID为3,LbMap为4),意为在秦汉时期时的古迹遗珍示意图上表达,其宁波本地空间坐标为X46,Y46,Z46。

3.3 基于对象编制

图集中对象的表达,除了上述中EID标记外,还有其属性信息、图片等多媒体信息,通过对象事件EntityEvent(EID,AttributeID,PictureID)控制时空对象的表达,如表5所示。

对象关系约束 表5

综上所述,图集中编制对象作为模型中的时空对象通过基于时间关系,空间关系,对象关系三个方面的约束表达(如图3所示),由整体到局部都规范了图集的编制过程。因而在图集编制的实例过程中,在本文建立的时空数据模型上将图集所需要编制的对象,作为一个实体的时空对象,沿着时间这条主线变化,建立图集编制时态示意图(如图4所示),完成图集所有章节的编制工作。在此指导下图集的编制工作大大缩短了编制时间,达到了预期目的,同时,验证了本文建立模型的可行性。

图3 编制对象的表达

图4 图集编制时态示意图

4 结 论

历史地图集的编制是一项繁杂、浩大的工作,如何使图集的编制工作科学、高效、合理一直是地图编制工作者们的探讨和研究的重点课题。本文通过描述图集对象的时空状态的变化,建立了基于时间、位置和对象的时空数据概念模型,并在模型的框架下,将图集的编制工作分别从时间关系、空间关系、对象关系三方面进行编制控制,从而将时空对象及其附属信息准确地在相应的示意地图上表达出来,节省了图集的编制时间,达到了预期的效果,也为后期图集的电子信息化提供了必要的模型支持。但是,本文中历史地图集通过时空模型来表达只是针对宁波区域的研究,要建立通用模型还有很多的因素要考虑。

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Research on Compile Historical Atlas of Spatio-temporal Data M odel

Zhang Wei,Liang Handong,Liu Bin
(Ningbo Institute of Surveying＆Mapping,Ningbo 315042,China)

In this paper,the temporal and spatial variation of the concentration of objects for historical atlas to explore the elements of the temporal datamodel,and establish spatio-temporal datamodel based on time,location and objects.Then from time,spatial relationships,object-relational to design historical atlas,contributed to atlas for the preparation of scientific,rational and efficient.As compiling ningbo historical atlas,both the objectof representing the drawing area,and the changes in historical time and space,to show the territory of the dynasties in the history of the ningbo area range and social development of the state by the expression of themap.

spatio-temporal datamodel；historical atlas；spatio-temporal object

1672-8262(2013)06-122-04

P285.2+1

A

2013—05—08

张伟(1986—),男,助理工程师,主要从事于地图学与地理信息系统的研究与开发。