基于对象一事件的文物时空数据模型构建研究

高劲松 陈雅倩 付家炜

关键词：文物数据;时空数据模型;事件;面向对象

文物是人类在社会活动中创造并遗留下来的具有历史、文化、艺术和科学价值的遗物和遗迹。文物是历史的证明，直接或间接反映特定时期和特定地区的文化习俗、生活习惯、工艺技术和社会经济水平，具有明显的时间特征和空间特征。对于文物的记录和管理十分重要，不仅可以保存文物所展示的历史，也能为后续的知识研究和历史探索提供更多的参考资料。

近年来，随着科学方法和技术的发展，例如数据库技术、3D技术、VR技术等，在文物发掘、管理和保护过程中产生了大量与文物相关的数据，其中包含着丰富的时间数据和空间数据。文物在发掘、管理和保护的过程中是动态变化的，与其相关的时空信息也是动态变化的，例如文物损伤和修复可能带来文物形态的变化.文物展出会带来文物空间的变化等，所以传统的基于纸张的静态方式无法很好的描述文物的变化，也无法记录和管理动态的文物信息，更无法实现对于文物状态以及引起文物变化的事件及原因的查询。因此，更好的组织文物的时间数据和空间数据.建立能表现文物时空数据的时空数据模型来展示文物的时空演变、文物之间的时空联系以及促进文物保护，为文物知识发现研究以及知识服务研究从时空角度人手提供一定的基础，具有一定的研究意义。

1相关研究

1.1文物时空数据相关研究

时空数据是指同时具有时间和空间属性的数据。时空数据涉及各式各样的数据，如地理实体的数量、形状、纹理、空间分布特征、内在联系及规律等的数字、文本、图形和图像等，不仅具有明显的空间分布特征，而且具有数据量庞大、非线性以及时变等特征。在目前的研究中多把时空数据表述为具有时间、空间、属性等多维特征的数据，而时空数据模型是在时间、空间和属性语义方面更加完整地模拟客观地理世界的数据模型。国内外将时空数据模型直接运用于文物领域的研究成果相对较少，国外更多关注时空数据在历史遗迹、历史建筑以及考古方面的运用等.国内文物时空数据研究更注重GIS在考古、文物管理等方面的运用，另外地理信息系统（GIS）在数字人文领域的应用是目前很受欢迎的研究方向。

Hallot P在考虑存在状态与不存在状态的文化遗产对象关系的情况下，提出STS时空信息模型对文物信息进行建模，考虑文化遗产丰富的时空关系增加对信息的组织和提取：Belussi A等提出Star模型管理考古中的时空数据.充分考虑考古时间的模糊性，并定义了从两个发现之间的拓扑关系和地层关系中推导时间知识的规则，为考古时空信息管理系统的实现奠定理论基础;Eero Hyyone用便于管理的局部变化来表示空间本体的时间序列，自动生成语义丰富的时间序列本体，然后将该本体用于索引及时空区域和名称的相互映射，作为验证.对芬兰历史名城进行建模，生成语义丰富的时间序列和本体发布到Web上供服务使用：时空可视化分析也是文化遗产信息服务的重要方式，芬兰的文化遗产语义项目BiographvSampo在地图系统基础之上，实现基于时间轴的人物一事件的可视化展示，显示人物在不同时间、不同地点发生的事件的分布情况。

国内，随着GIS技术被引入到历史地理的研究中，随之建设起一批大型历史地理系统及历史地理平台，例如复旦大学历史地理研究所和哈佛大学等机构合作建立的中国历史地理信息系统（CHGIS）、中国台湾地区台湾中央研究院发布的“中华文明之时空基础架构（CCTS）”和“台湾历史文化地图（THCTS）”两个平台、中科院东北地理所建设的在线地图网站地图云集Maplet等，使得地理系统与人文研究的结合更加深入：夏翠娟提出基于本体的时空模型，将地名分为地点和地名，并引入“事件”表现地名的变化情况，提出中国历史地理开发应用的技术框架。地理信息系统技术的引入为人文学科的研究带来新的热点，也为丰富的文化资源提供了新的数字化组织和应用的技术手段。

1.2时空数据模型研究

国外时空数据模型的研究最早开始于20世纪70年代.至今经历了近50年的发展.可以分为3个阶段：20世纪70年代的萌芽阶段，80年代的摸索阶段，90年代至今的爆发式发展阶段。

20世纪70年代是时空数据模型研究的萌芽时期。该时期的主要研究集中于各种传统学科，研究者开始在地理实体空间及属性变化的研究中考虑时态信息，该阶段的研究主要提出了一些时空数据模型最原始的基础概念。20世纪80年代是时空数据模型研究的摸索时期。在数据库技术发展的大背景下.该时期时空数据模型研究的发展方向是将时态技术和数据库技术相结合.提出了非第一范式模型、时间关系模型、对象历史模型等。

20世纪90年代是时空数据模型研究的爆发式发展时期。Langran C在对时态数据库及其在GIS中的应用的研究中，将现有的时空数据模型归类为时空立方体模型、序列快照模型、基态修正模型及时空复合模型4种，自此.掀起了时空数据模型研究的热潮：Peuquet D J等提出基于事件的时空数据模型（ESTDM）。用事件来表示某一区域的状态变化，旨在明确表示相对于时间的空间变化。Yuan M提出了基于事件一过程一状态的时空数据模型，增强了对于事件、过程以及关系的复杂时空查询：Worboys M F等最早利用面向对象的思想扩展了基于实体关系的建模方法.提出面向对象的数据建模方法，之后.众多研究人员将面向对象的技术运用到时空数据模型的研究中。这一阶段产生了时空复合模型、基于事件的时空数据模型、面向对象的时空数据模型以及扩展等多种时空数据建模方式。

国内时空数据模型的研究主要开始于20世纪90年代.研究主要集中在對于国外理论研究的扩展和完善以及时空数据模型在专业领域的运用。

理论完善和扩展方面，黄明智等讨论了空间对象的非第一范式关系表达和操作.并在此基础上建立面状地理要素的时空数据模型。舒红等、龚健雅、李春葆等进一步研究面向对象的时空数据模型，提出了多种建模逻辑和规则。林广发等提出以事件为核心的时空数据模型，认为事件导致状态的变化.进而驱动时空变化，为满足效率和冗余的平衡，确定了时态数据管理的对象粒度。

专业领域运用方面.很多研究人员对于时空数据在不同专业领域的应用进行了探索，近年来也有研究人员就历史地名、历史事件、史前聚落、非物质文化遗产文化空间、家谱等进行时空数据建模，探索时空数据模型在更多领域的适用性。于靖在分析城市历史地名时态特征和空间特征的基础之上，以六朝建康地名为例构建城市历史地名时空数据模型：谈国新等在分析非物质文物遗产文化空间的时空特征、载体类型以及时空表达的基础之上.构建非物质文化遗产文化空间时空数据模型，并以孝感雕花剪纸为例进行实例研究，开辟时空数据模型在非物质文化遗产领域的应用。

近年来，地理信息系统与数字人文研究的结合在国内开展得如火如荼，众多研究单位和人员就家谱、地名等进行时空建模和共享平台的开发，不仅赋予了原有文化资源新的生命力，同时也促进了文化资源的共享与利用，在这种背景下，文物时空数据的研究显得更为必要和迫切，文物时空数据模型的构建有利于从时间、空间等角度客观地描述和组织文物数据，为文物时空数据的进一步应用和开发提供基础，因此构建针对文物数据的时空数据模型具有重要的应用价值和现实意义。

2面向时空特征的文物时空数据模型构建

2.1文物数据的时空特征分析

1）时间特征。文物是人类在社会活动中遗留下来的遗物和遗迹，本身就具有时间属性，例如：文物形成时间、出土时间、损坏时间、修复时间等，都表现了文物的时间特征;时间属性在文物数据的收集和管理中至关重要.例如文物形成时间的确定可能影响到文物价值的评估.也能帮助研究人员研究相关时期的文化、政治和经济特征;文物的时间属性具有模糊性，例如某文物形成时间、破坏时间等因缺乏明确的资料记载而不能得到确切的时间描述，只能通过相关研究得出模糊的时间描述。

2）空间特征。文物的形成、发现、出土、管理、展示过程中不可避免会涉及空间信息，不可移动文物具有相应的地理位置.例如莫高窟坐落于河西走廊西端的敦煌，可移动文物除了出土位置之外，还涉及管理单位、展示场所等空间信息，例如，越王勾践剑出土于湖北省荆州市江陵县望山楚墓群，现收藏在湖北省博物馆中，曾在香港、北京、苏州、台北、浙江等多地的博物馆展出。不可移动文物的位置信息除销毁外一般不发生变化，但其空间形态会随着损坏、修复、重建、改造等事件的发生产生相应的变化，可移动文物的收藏位置会随着管理、展示、流转等发生变化，物理实体形态也会随着损坏、修复等发生变化，其空间特征更好地反映了文物的移动轨迹。

3）属性特征。属性特征是除时间特征、空间特征以外的描述性信息，例如文物名称、类型、类别、质地、价值、功用、颜色、纹饰等，与时间、空间无关的任何属性都可以归于此类。屙l生特征包含信息丰富，为文物赋予了意义，同时也是文物研究的重要内容，在文物研究、管理和保护的过程中，文物属性特征会随着时间、空间的变化而发生属性增加、减少或者变更等变化。

2.2文物数据的时空变化分析

文物的时空变化主要表现文物空间、属性随时间的变化。具体来看有3种情况：空间变化、属性不变;空间不变、属性变化;空间和属性均发生变化。这里空间变化主要包括地理实体位置、几何形状以及两个实体之间的空间关系发生变化，不可移动文物一般情况下不改变其空间位置，可能因文物修复或者重建等事件的发生改变其几何形态，但在特殊情况下，比如为保护不可移动文物而进行不可移动文物迁移会改变不可移动文物的空间位置及与其他实体的空间关系。文物的空间变化形态主要总结为出现、消失、合并、分裂、位置移动等。导致文物变化的事件多种多样，例如常见的出土、流转、展览、维护、修复、破坏、毁灭等，事件形成的原因主要分为人为原因和自然原因，人为原因包括人为破坏、损伤、流转等，自然原因包括自然灾害、风化、雨水侵蚀等。

2.3基于对象一事件的文物时空数据模型构建

在对时空数据模型的梳理研究中发现，时空数据模型的常见建模方法主要有基态修正模型、基于事件的模型、面向对象的模型以及混合时空数据模型等，本文参考混合模型的思路，结合基于事件和面向对象的方法构建文物时空数据模型。

面向对象的思想是将所研究的实体看作一个对象.并规范对象之间的共性和相互之间的操作，使复杂的建模过程简化和便于实现。本文将每个文物实体当作一个包含时间特征、空间特征和属性特征的对象，并抽象出时间类（Time）、空间类（Space）和属性类（Attribute）。在本文的研究中还引入“事件”的概念用于对文物的变化情况进行建模，事件是引起文物状态、空间分布以及属性变化的根本原因，基于事件的时空数据模型可以更好地描述实体的变化。

在过去的研究中，事件不仅被看作是实体对象发生变化的开端或者结束.也被看作是实体状态变化的原因，事件的产生、发展和结束导致实体对象的状态不断发生变化，这种变化涉及实体对象的方方面面，包括实体对象状态变化、属性变化、空间位置变化、空间大小变化等。每个实体对象的产生、变化和消亡都有直接原因，单个事件或者多个事件集合是导致实体对象变化的直接原因。任何领域的一个动作、一个操作都可以被称为事件，例如在文物领域，文物发掘使得文物出现在公众视野，为文物带来后续更多的研究、管理和保护，是导致文物空间位置、属性状态等变化的原因，文物发掘从宏观上来看是导致文物状态变化的单个事件.但从微观上来看，文物发掘又可以看作是多个事件的集合，例如文物发掘过程中的其他操作流程调查、探沟、记录、清理等均是导致文物状态变化的直接原因，也就是导致文物状态变化的事件。因而，事件的范围界定是相对的，既可以指單个事件，也可以指多个事件的集合。

如图1所示，本研究中抽象出文物对象类、时间类、空间类、属性类和事件类。文物对象作为一个类将时间、空间、属性和事件联系在一起，这种时空数据模型有利于描述文物各方面的信息，使得各方面信息既相互独立又相互联系，既能以空间信息为主线查询某一文物的变化情况，也能以时间为主线查询某一时刻或某一时段存在的文物对象以及它们之间的关系，同样可以追溯文物对象的历史演变过程。

文物对象类（Obiect）主要包括文物实体，既可以是作为不可移动文物的古文化遗址、古墓葬、古建筑、石窟寺、石刻、壁画，也可以是作为可移动文物的历史上各时代重要实物、艺术品、文献、手稿、图书资料、代表性实物等，每个文物实体有一个唯一的对象标识（O biect_ID）;时间类（Ob-iect）描述与文物相关的时间信息，例如文物形成时间、发掘时间、变化时间、损毁时间等，记录文物从产生到消亡的历程，表现为时间点和时间段;空间类（Space）描述与文物相关的空间信息，例如文物的空间位置、表现几何特征的图片或者3D模型、空间关系等，其中馆藏位置、出土位置均以点的形式表示;属性类（Attribute）描述文物除时（Event）主要描述引起文物变化的事件信息，主要包括事件主体、事件描述、事件发生时间（开始时间、结束时间）、事件发生地点以及事件引起的变化，事件与文物的属性类和空间类相关联，事件的开始和结束导致文物空间和属性的变化。

3青铜器时空数据建模及可视化

3.1案例选择

青铜器是我国文物中的一大类，其制作精美.在世界青铜器中都享有极高的声誉和艺术价值，代表着我国发展了5000多年的青铜器制作的高超技术。青铜器又分为炊器、食器、酒器、乐器、车马饰、兵器、工具和度量衡器等，在我国古代使用范围广泛，从新石器时代至2000年前，多个朝代和地区制作不同类别的青铜器以供生活和生产使用，因而青铜器的发展变化状况从时空角度来看可以反映不同时期不同地区的政治、经济、文化等多种特征。青铜器在发掘、管理和保护的过程中，可能会经历出土、管理对象的变更、破坏、修复、多地展览等多种事件，对于各种事件过程及产生的结果的记录有利于加强对青铜器状态的管理.也有利于后续管理者在需要的时候查询到相关的信息。本文选取青铜器作为主要研究对象.搜集部分青銅器的时间数据和空间数据，从时间特征、空间特征、属性特征等多个维度对青铜器数据进行组织，构建时空数据模型，研究青铜器的时空变化状态，进而为后续的知识发现、知识服务以及可视化提供支撑。

3.2数据采集与处理

本研究选取3批禁止出国（境）展览文物中的35个青铜器作为主要实验对象，表2展示禁止出国（境）展览文物中的部分青铜器。从百度百科以及各青铜器馆藏博物馆官方网站抓取青铜器相关时间数据、空间数据、属性数据以及事件数据。随后，对数据进行清洗和规范化处理，其中事件数据需进行事件提取，提取后从事件主体、事件对象、事件描述、事件地点、事件带来的变化5个角度进行描述，最后形成青铜器的规范化数据作为后续实验的数据。所收集的信息如图2所示。

3.3青铜器时空数据组织

本文在收集青铜器相关数据的基础之上，基于所构建的文物时空数据模型.借助对象关系数据库——PostgreSQL，来完成青铜器时空数据库的构建。青铜器时空数据的具体组织情况如图3所示。

青铜器时空数据的组织主要从时间、空间、属性、事件4个方面来进行，基本包含文物大部分信息.图中表字段的设置可以根据实际数据情况进行调整，图4、图5简单展示了青铜器时空数据库数据的组织情况。青铜器时空数据通过青铜器对象的唯一标识符（obiet_id）关联起来，文物属性、空间位置、几何形态等会随事件的发生而变化，因而与事件类相关联。青铜器时空数据库可进行添加文物、添加事件、属性变更、空间变更等时空操作，便于对文物信息进行动态地管理.更便捷地掌握文物及其信息资源的变化情况。

青铜器时空数据的查询主要是以时间为约束的，包括基于时间点的查询，例如查询某个时间点，特定青铜器所在位置、所发生的事件以及属性特征等;基于时间段的查询，例如查询某个时间范围内青铜器的形成状况、馆藏状况以及出土情况、某个时间段范围内青铜器相关事件等。

3.4基于时空数据的青铜器文物变化路径可视化

本文在构建青铜器时空数据模型、青铜器时空数据库的基础之上，对青铜器进行时空分析，利用ArcGIS软件对部分青铜器时空数据进行可视化展示，如图6、图7所示。

图6是禁止出国（境）展览的10个青铜器的出土位置分布图以及馆藏位置分布图，青铜器的馆藏情况基本符合出土地就近收藏的原则，但是也可以看出，图中西周大克鼎、商后母戊鼎、西周太保鼎等出土位置与馆藏位置较远，可以从与文物相关的事件中探析原因。例如，图7所示是西周大克鼎的位置变化图，西周大克鼎出土于陕西省扶风县，后流转至天津、苏州等多地，由柯劭态、潘祖荫两位收藏家经手，且民国初年经历战争，西周大克鼎被当时的收藏家潘祖荫再次埋入地下，抗战胜利之后再次出土并被赠与上海博物馆.上海博物馆收藏至今。对于文物空间信息及事件信息的把握有利于更好地掌握文物时空的动态变化，探寻时空变化的原因，以及发现文物背后的故事与历史，更有利于为文物知识发现提供数据支持。

文物从被创造、埋藏、出土、馆藏、展览等过程中，相应事件的发生.其所处位置会发生相应的变化，相应的数据也是在动态变化的，对文物数据进行动态把握有利于加深对于文物本体及其信息资源的认识。例如文物出土后基于展览事件的空间变化可以直观的展示出文物位置及相应的事件的联系，可以进一步挖掘相关文物的价值。越王勾践剑在20世纪曾送往国家博物馆、东京国立博物馆、香港等地进行展览，21世纪送往国家博物馆、苏州博物馆、台湾博物馆以及浙江省博物馆进行展览，结合展览事件的具体时间和事件描述可以探索越王勾践剑在我国的重大意义，同时后续可以进一步挖掘与越王勾践剑有关的事件、人物、时间、地点的关联关系，进一步发现更多与越王勾践剑相关的知识，为文物知识服务提供更多的内容。

4结语

文物天然自带的时间属性和空间属性决定了对于文物的管理不能是静态模式的.不论是有关文物本体的时空数据，还是文物管理和保护过程中所产生的时空数据，都能很好地展示文物的现状以及变化状态。对文物时空数据的组织和管理，不仅利于管理人员查询文物状态和相关事件，也利于研究人员获取更全面的、动态的信息资源。只有把握文物及其相关信息动态变化的过程，才能对文物进行更完善地管理和保护，才能对文物信息进行更全面、完整地记录。结合面向对象的思想和基于事件的方法.提出面向文物的时空数据模型，围绕对象发生的事件、时空信息、属性信息等进行数据地组织，可以有效地将文物的时空信息组织起来.便于日后进行时空数据的可视化、时空分析、知识发现和博物馆知识服务等应用的实现。由于存在文物管理过程数据获取不够完整、分析操作过程中人工程度高、可视化分析角度等不够全面等问题，下一步工作将在本文研究方法的基础上，进一步完善数据和内容.并结合相关时空分析方法和技术进行文物时空信息可视化展示与分析的研究与探讨。