一种基于地理实体的时空数据模型设计

张 亮，覃俊华，王爱华，戴 腾，赵 鹏

（1.湖北省测绘工程院，湖北 武汉 430074；2.山东省国土测绘院，山东 济南 250013）

基础测绘成果对各行各业高质量发展起到了基础性、保障性和先导性作用[1］，当前基础地理信息仍然以点、线、面等几何图元的方式组织存储。随着我国经济的发展，数据应用的深入，这种组织方式的缺点逐渐暴露，即概念完整的地理实体如河流、道路等被分割成多个对象，难以提取和更新与之相关的经济、社会和人口信息；地理实体属性在时间上的差异未能体现；地理实体的关联信息通过实时计算得到，空间分析效率低下；没能实现对异构数据源的关联管理，不便于联动更新。随着大数据、物联网、云计算、人工智能等技术的兴起，地理信息数据应用逐渐深入，亟待由传统的基于几何图元方式组织向基于地理实体组织方式转变。

国家测绘地理信息“十三五”规划整体思路中也强调，加快推进基础地理信息数据库建设的转型，逐步建立基于最详细的地理实体的成果采集和管理模式[2]。因此，建设地理实体时空数据库具有很强的现实意义。

国内外学者从不同角度对地理实体展开了研究，美国联邦地理数据委员会（FGDC）对地籍、行政管理单元、水系、交通四类标准数据采用了面向实体建模[3]。欧洲议会2007年通过建设欧盟空间信息基础设施（INSPIRE）的决议后，推出了一系列尽可能地采用面向实体的数据建模的地理数据规范[4]。蒋捷[5]等提出将地理信息公服务平台设计成面向对象实体；于天星[5]等设计了“三级空间”和“0～1位置变化序列”的地理实体时空位置的多粒度表达方法；张翼然[7]等研究了地理实体的空间组织与多态特征，以房屋建筑实体为例介绍了数据融合；闾国年[7]等整理了面向“智慧城市”建设的地理实体科学分类与编码体系的构建思路；赵云鹏[9]等从矢量空间数据表达视角对地理实体的语义信息进行分析和描述，提出了基于多特征约束的语义相似性度量模型，并应用于道路实体匹配。

这些研究分别从概念、分类、编码、数据融合等多方面对地理实体进行了阐述和总结，本文基于面向对象思想，设计了一种地理实体时空数据模型，探讨了其在数据库中的组织与存储和具体构建方法，为今后基于地理实体的新型基础测绘地理实体数据生产奠定基础。

1 地理实体时空数据模型设计

针对传统地理数据模型存在的问题，设计了基于地理实体的时空数据模型。地理实体的时空数据概念模型主要由三部分组成：空间信息、属性信息、关联信息，如图1所示。

图1 地理实体时空数据概念模型

空间信息描述地理实体的几何特征和位置信息，以复合几何类型或简单几何类型图形来表示。复合几何类型是简单几何类型的集合，简单几何类型通常为点、线、面、体中的一种。属性信息用以描述地理实体的基本属性，一般包括识别信息、特征信息、状态信息、其他专题信息。关联信息用以描述两个地理实体间的联系，此为传统以图元表示数据模型中缺失的部分，可包括时间关系、空间关系、语义关系、事件关系4个方面。

地理实体间的时间关系用来衔接同一地理位置的不同地理实体，可采用时间谓词来描述，时间谓词有“before”和“after”。

空间关系包括拓扑关系、方向关系和距离关系。拓扑关系包括相离、相接/邻接、重叠/相交、包含等，距离关系包括远、相邻、近等，可根据应用需求进行定义。方向关系有基本方向关系和组合方向关系两类，基本方位关系分为东、南、西、北4个方位，组合方向关系为基本方向关系的组合，如东北、东南等。

语义关系主要包括继承、依赖、组合、聚合等。继承关系是为了指定地理实体的类别。依赖关系旨在把某些地理实体的相关属性关联到其他地理实体的属性上，以实现数据的联动更新，如某省级行政区划的人口依赖于下辖市级行政区划的人口，二者关联可实现同步变化。组合关系描述地理实体和其组成部分的关系，一旦作为整体的地理实体不存在了，作为组成部分的地理实体也不复存在。聚合关系与组合关系的区别在于即使作为整体的地理实体不存在了，作为组成部分的地理实体仍然存在，例如一个街区由多个房屋组成，街区因合并等原因不存在了，但街区中房屋实体仍然存在。事件关系指2个实体之间因为某个事件产生了关联，如2个小区之间进行了一次联谊活动等。

2 地理实体时空数据库的组织

基于以上地理实体数据模型描述，可采用关系数据库，如PostgreSQL来组织和存储，如图2所示。数据库中每类地理实体记录了实体固有属性、实体专有属性、实体构成图元信息和实体间关联关系。

图2 地理实体数据库结构

为避免信息冗余，这些信息被分别存储到“实体固有属性表”、“实体专有属性表”、“二/三维图元表（一个或多个）”、“关联关系表”等多个逻辑关联的结构化数据库表中，各表间以地理实体编码建立关联。

实体固有属性表记录实体的固有属性，字段固定不变；实体专有属性表记录实体的专有属性，根据实体分类的不同，属性字段各异。实际建库中，针对每类实体，可将实体固有属性表和实体专有属性表合并为实体属性表。

二/三维图元表，指一个地理实体可能有一个或多个（点/线/面/体）图元表达。

关联关系表如表1所示，用来记录2个实体之间的关系，建库中不可能将任意实体间的所有关系一一描述，应根据具体应用需求进行定制，选取通用常用的关联关系进行记录，如道路的交汇关系等，并预留可扩展空间，但实体间的组合或聚合关联关系必须给出描述，记录其构成关系。

表1 关联关系表

关联类型（RELATIONTYPE）描述实体A与实体B之间关联类型，0表示时间关联；1表示拓扑关联；2表示方向关联；3表示距离关联；4表示依赖关联；5表示组合关联；6表示聚合关联；7表示事件关联。关联关系（RELATION）填写实体间关联关系的谓词表达，关联关系说明（INSTRUCTION）用于补充说明谓词表达的关联关系。

地理实体的关联描述采用谓词和被关联的其他地理实体组成谓词-实体对方法。规定关联关系的名称是以被描述的实体作为主体的，例如描述楼房A实体时，楼房A实体由房屋B实体构成，关联关系类型填“5”，关联关系填“父实体”。

3 地理实体数据库的构建

对于新采集的地理实体可遵循以上模型设计，直接采集入库。对于已有传统基础地理信息成果数据则需要进行数据处理和转换后入库。

对于传统基础地理信息成果数据，需建立数据转换映射表，数据过滤、数据分类后，按空间数据、属性数据、关系数据等类别进行统一归类，以地理实体为基本粒度进行提取，并进行完整性检查、拓扑检查、空间关系检查，封装成GeoJSON格式[10]数据作为中间成果，对GeoJSON数据进行编辑处理后解析入库，转换入库后可查看地理实体与图元的组成关系。

4 结语

地理实体数据库是一种新型地理信息产品，较传统的基础测绘数据库有着诸多的先天优势，通过全球唯一编码、对象化处理和实体关联融合，可以满足智慧城市建设过程中跨尺度、跨区域、跨部门的多样化应用需求。本文设计了一种地理实体的时空数据模型，探索了地理实体在空间数据库中的存储，通过少量数据入库实验验证了数据模型实现在技术上的可行性，但尚未以大量数据的实际应用验证模型的可靠性与实用性，仍需结合应用实践进行优化和改进。同时，该模型设计尚未涵盖常见的动态目标和地理现象，语义部分描述也未能与机器学习和自然语言处理技术相结合，以实现GIS动态的学习与更新，尚不能动态描述时刻产生的海量时空信息对象的相互关系。这些都是今后需要继续研究和逐步完善的方向，以使得地理实体产品得到更好的推广和应用。