基于改进的基态修正模型时空数据组织方法

杨海兰，李景文，张利恒，邹文娟

(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)

基于改进的基态修正模型时空数据组织方法

杨海兰1，2∗，李景文1，2，张利恒1，2，邹文娟1，2

(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)

针对传统地籍时空数据库管理中基态距与时间相关性较弱及历史检索效率低的问题，本文提出了一种复合型的基态修正时空数据模型。引用动态变粒度基态距因子来优化基态距，并通过改进超图模型空间关系理论来简化时空对象间的空间关系，更好地实现基态的动态更新，提高历史检索效率。

基态修正模型；时空对象；超图模型；事件；过程

1 引 言

时态地理信息系统(TGIS)是能够跟踪和分析随时间变化的空间与非空间信息的地理信息系统，相对传统GIS系统，TGIS在对待空间数据上效率更高，时间内聚性更强，同时还方便于历史回溯、变化监测和预测分析。本文所探讨的地籍时空数据库系统是时态地理信息系统(TGIS)的一个典型应用。目前为止，国内外有许多学者就地籍时空数据组织方面做出了大量的研究，比如:罗年学等探讨了地籍信息系统中的时间问题[1]；刘义仁等研究了时空数据模库基态修正模型的扩展[2]；李军等利用继承关系表和变更信息表来记录宗地变化[3]。以上研究都有各自的适用范围，但是建设更加高效的、用来回答和处理与时间相关问题的地籍时空数据库，是目前形势所趋。本文提出一种复合型的基态修正模型，通过引入动态变粒度因子来优化基态距，同时将超图模型空间关系理论做出改进，用以简化时空对象间的空间关系，前者解决时空数据存储问题，后者解决时空数据组织问题，两者的结合将更好地实现基态的动态更新和提高历史回溯效率。

2 传统基态修正模型的局限性

基态修正模型首先是由Peuquek和Duan[4]提出的，是时空数据库模型的一种，它按照事先设定的时间间隔采样，且只存贮某个时间的数据状态(称基态)和相对于基态的变化量(差文件)，这个过程不仅提高了时态分辨率，同时也减少了数据冗余量，如图1所示。

在进行时空数据库设计时，基态修正模型能够较好的采用关系数据库来记录对象变更的亲缘继承关系[5]，并且能够通过基态和基态距的动作关系在对历史数据进行检索时恢复任意时刻的历史。然而，传统基态修正模型很难处理给定时刻的时空对象间的空间关系，同时，在将整个地理区域作为处理对象时，采用传统基态修正模型的处理方法难度较大，而且回溯效率低。因此，如何减少数据冗余及提高时空数据历史查询和分析效率，已成为许多学者研究的问题所在。

图1 基态修正模型

3 基态修正数据模型的改进

在分析原有基态修正模型的基础上，提出了复合型基态修正模型，分别利用动态变粒度基态距因子，来优化基态距，并确定基态矩阀值；同时对超图模型空间关系理论进行改进，简化时空对象间的空间关系，并更好地实现了基态的动态更新。

3.1 动态变粒度基态距因子

要改进传统基态修正模型中历史回溯效率低下的不足，一个关键的问题就是确定基态矩阀值。而阀值太小与太大都不可取，要想在数据记录过程中不产生太多冗余，且提高历史回溯效率，则需要根据数据变化量和查询频率来确定基态距阀值，同时适当记录对象在变化过程中产生的若干个基态。基于动态变粒度的时空数据存储模型正是基于这一思想设计而来的，如图2所示。

动态变粒度基态距因子是指距离现在时刻越远的基态之间的基态距越大，反之越小。因此，决定基态矩阀值的关键因素是数据变化更新数量和离现在时刻的远近。要实现基态的动态更新，需要考虑的是动态基态矩阀值Ki及Ki与总差文件数Q之间的相关性。

图2 动态变粒度基态修正模型新旧基态的更新过程

在此引入等比系数a(a＜1)，有公式:K2/K1=K3/ K2=K4/K3……=a，且Q=Ki/(1-a)，总差文件数Q值已知，通过取小样本来确定a值，由此再得出动态基态矩阀值为:K1=Q×(1-a)，K2=Q×(1-a)×a，K3=Q×(1 -a)×a×a，…，等比系数a的引入实现了基态的自动更新。图2所示的新旧基态更新过程中，总差文件数由Q值增大到Q1，q基2时的基态变成q′基2时的基态，它们之间的文件差便是旧基态变化成新基态的过程[6]。

3.2 时空对象的空间关系处理

时空对象的空间关系主要包括:相邻、相接、相交、包含、相离等[7]。传统基于基态修正时空数据模型的地籍管理中，数据存储方式得以不断优化，而基于时空对象空间关系的数据组织方法却一直不能同步更新。根据时空对象的变化特征:产生→存在→消亡，可以将时空对象看做是一个事件对象从一种新生状态到死亡状态的过程，而基态就是时空对象的变化积聚到一定量的时候所产生的新事件对象，在发生变化这一时间段所经历的过程定义为过程对象。

(1)事件、过程和时间的关系

事件是空间对象在时间轴上从一个状态到另一个状态的质变过程，且在时间轴上的顺序表达了时空对象变化的时空过程；过程是通过分类或者抽象所得到的，是在逻辑上相连的事件序列。事件和过程产生作用的主体都是时空对象，它们在时空对象的生命周期中相互联系和促进，当一个事件开始发生时，一个过程也随即启动，当时空对象经历了若干个变化过程之后，对象状态达到质变，这个事件便结束，因此每一个事件都可以看作由若干过程序列组成，事件与过程之间的关系可由公式(1)和图3来表示[8]。

Event(i)={Process(1)，Process(2)，∧，Process (j)}，i=(1，2，∧，n)(1)

图3 事件与过程的关系示意图

(2)基于超图模型的改进模型

将超图模型引入时空数据模型已不是新概念，本文针对已有超图模型空间关系理论对时空对象做出进一步定义:Os={基态码、ID-t、对象属性、关系、事件、过程}。

其所包含参数描述如下:

①ID-t是对象在整个变化过程中的唯一标识号；

②对象属性包括空间属性、非空间属性和时间属性。空间属性对象的关系主要包括拓扑关系、方位关系和度量关系，它与非空间属性有着存在和描述关系；空间属性与时间属性之间的关系指的是实体的空间属性随时间的变化而变化；时间属性本身有方向和拓扑两种关系，非时空属性内部之间对事件信息进行描述，非时空属性随着时间的变化而变化，因此，这三者之间的关系直接影响时空对象的表达；

③关系直接用来记录时空对象的空间关系；

④事件和过程用来记录所做的操作过程及发生的事件，通过将事件和过程结合，来表达时空数据变化前后对象之间的关系和所发生的事件关联关系，同时反映引起对象变化的时变序列及因果关系。

经过改进的超图模型空间关系理论不仅描述了对象变化的基本信息，并且通过记录变化的对象、事件和过程表达了变化前后对象之间的关系和所发生的事件关联关系，同时反映了引起对象变化的时变序列及因果关系。模型的这几个要素既概括了地理实体的空间特性、时间特性和属性特性，又涵盖了地理对象的空间、时间和属性三个基本特征。

3.3 复合型基态修正时空数据模型

复合型基态修正模型的提出，目的是对传统基态修正模型的不足进行改进:数据的历史检索效率低以及与时空对象的空间关系处理不好。改进后的模型作为一种存储方法，通过建立动态变粒度基态距因子优化基态距的方法来设计存储模型，并采用改进后的超图模型来实现基态的动态更新，进一步解决传统模型中存在的数据历史检索效率低和基态距与时间相关性较弱等问题。经改进的基态修正时空数据模型数据结构主要包括索引、空间对象和变更处理三部分，如图4所示。

图4 基于改进的基态修正模型数据结构框架

4 模型的时空数据组织方法

以地籍时空数据为例，根据地籍时空数据特征与地籍信息变化过程中的时态关系建立分级索引，首先建立基态库与差文件库，并在此基础上建立四种地籍信息时空数据库:现势库、事件库、过程库和历史库，如图5所示。

图5 基于改进的基态修正模型的地籍时空数据库逻辑结构

①现势库是宗地信息处理过程中，更新确认后的时空信息数据，它反映的是操作对象的现状时态的空间位置和属性，是数据库的当前操作对象，现势库中的对象一般作为基态；

②事件库中保存地籍变更的事件，地籍变更事件发生时，事件库就会记录该事件的类型以及事件标识码，事件的状态与变化过程相互联系和促进；

③过程库存放的是两目标基态之间的变化量，即差文件数。地籍时空数据库中只保存对象的空间位置及属性现状，即随后一次更新的数据状态；

④历史库是当变更宗地数据入库时的原宗地信息，也可以说是变化前的现势库信息。

现势库、事件库、过程库和历史库都通过宗地号和变更时间相联，历史库和现势库存储于基态库中，事件库和过程库作为数据的变化量存储在差文件库中。基态库与差文件库用宗地号相连。

5 结 语

通过复合基态修正模型建立地籍时空数据库，使系统在有效管理地籍数据变更的同时，又能更好地解决传统地籍管理系统中的数据冗余问题，进一步实现数据更新和提高历史回溯效率。该模型作为一种存储方法，可以很好地提高系统的查询效率。

[1] 罗年学，潘正风.动态地籍信息系统中时态地籍数据库的研究[J].测绘通报，2002(2):45～47.

[2] 刘仁义，刘南，苏国中.时空数据库基态修正模型的扩展[J].浙江大学学报·理学版，2000，27(2).

[3] 李军，苏国中，倪玲.地籍时空数据模型与宗地变更[J].测绘科学，2008，33(1):221～223.

[4] PeuquetD J，Duan N.An Event-Based Spatio-Temporal Data Model(ESTDM)for Temporal Analysis of Geographical Data[J].International Journal of Geographical Information System，1995，9(1):7～24.

[5] 刘仁义，刘南.基态修正时空数据模型的扩展及在土地产权产籍系统中的实现[J].测绘学报，2001，30(2):168～172.

[6] 李勇，陈少沛，谭建军.基于基态距优化的改进基态修正时空数据模型研究[J].测绘科学，2007，32(1):26～29.

[7] 舒红，陈军，杜道生等.面向对象的时空数据模型[J].武汉测绘大学学报，1997，22(3):229～233.

[8] 邹文娟.基于事件—过程的时空数据模型构建方法研究[D].桂林:桂林理工大学，2012.

Design of Cadastral Database of Time and Space Based on Improved Ground State Correction M odel

Yang Hailan1，2，Li Jingwen1，2，Zhang Liheng1，2，Zou Wenjuan1，2
(1.College of Geomatic Engineering and Geoinformatics，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China；2.Guangxi Key Laboratory of Spatial Information and Geomatics(Guilin University of Technology)，Guilin 541004，China)

This article in view of the problem of the weakness between distance of base state and time within traditional cadastral spatio-temporal databasemanagement and the low history retrieval efficiency，puts forward the composite ground state fixed space time datamodel.Referencing dynamic variable size ground state distance factor to optimize the distance of base state，and simplify the spatial relationship between time and space objects by improving space relation theory of hypergraph model，so it will be better to realize dynamic renewal of the ground，and improve the efficiency of searching the history.

base state with amendments；distance of base state；hypergraph model；event；process

1672-8262(2013)04-9-03

P208.2

A

2012—11—07

杨海兰(1987—)，女，硕士研究生，主要从事GIS理论和应用方面的研究。

广西空间信息与测绘重点实验室主任基金项目(2012年桂科能1103108-03)；广西自然科学基金重点项目(桂科自2011GXNSFD018003)。