2005-GIS中的时空数据模型研究

2005年6月ScienceofSurveyingandMappingJun

GIS中的时空数据模型研究

尹章才①②,李　霖②

(①武汉理工大学资源与环境工程学院,武汉430079;②武汉大学资源与环境科学学院,武汉430079)

【摘　要】状态与事件是时态地理信息系统(TemporalGIS,TGIS)的一对基本概念,目前时空数据模型研究侧重于将两个概念相分离,表现为基于状态模型和基于事件模型,无法兼顾两种模型的优点。本文提出了基于状态-事件的时空数据模型,并系统阐述各时空数据模型之间的相互转换条件。【关键词】状态;事件;时空数据模型;时空关系

【中图分类号】P208　　　　【文献标识码】A　　　　【文章编号】1009-2307(2005)03-0012-03

1　引　言

将时间作为与空间同等重要的因素引入到GIS中,便产生了TGIS,其组织核心是时空数据库,概念基础则是时空数据模型[2]。状态与事件是时空数据模型的一对基本概念,目前TGIS研究主要侧重于状态模型与事件模型研究。人为地割裂了两个概念之间的关系,无法兼顾这两个模型的优点,具体表现为:

1)基于状态模型研究。早期提出的时空数据模型,是GIS基本模型:矢量与栅格模型的扩展[10],如时空立体模型、快照序列模型、基态修正模型、时空复合模型[4]、第一范式模型[5]、面向对象的时空数据模型[628]等,时间作为空间对象的一个属性,侧重于状态的描述,对时空表达缺乏支持[1],无法体现状态之间的因果关系。

2)基于事件模型研究。为了能重现地理现象的变化过程,许多基于变化的时空数据模型被提出。其中,基于事件的时空数据模型最具有代表性,该模型显式存储事件序列[10],顾及了状态与因果关系,但不能表达基于矢量的空间图形的变化,如分割、合并等[11]。

3)基于因果模型研究。知道所发生的变化是重要的,同样,知道或试图理解影响这种变化的可能原因也是很重要的[3]。因果关系是要确定的最重要而且是最复杂的时态关系,建立因果关系通常是大多数时空分析的最终目标。一一对应的因果关系可以从先验知识中得到或从前后状态的直接观察中得到,这些因果关系大多数情况下被显式地存储[13]。事件使地理现象由一种状态转变为另一种状态,因此TGIS的时空拓扑关系可以表现为三种:状态之间的关系、事件之间的关系以及状态与事件之间的关系。这些关系可以用图方法的边表示,节点表示状态。如基于图方法的动态多边形对象的时空构模[16]、基于图论的时空数据模型[9]、基于标识符变化的时空数据模型[15]及基于事件与对象方法的二元历史图模型[14]等,这些模型能表达状态与部分时空关系,有的模型还能描述事件,但不能同时兼顾状态、事件与三种时空拓扑关系。

为了满足科学研究的需要,TGIS应显式存储事件与状态间的已知或可能存在的时态拓扑关系[12]。本文首先分析了时空关系的类型,并从概念和逻辑上,探讨了基于状态-事件的时空数据模型,不仅能表示状态与事件,同时能

兼顾三种类型的时空关系。

2　时空模型的基本概念211　时空变化

时空对象的变化有质变和量变。量变是时空对象内部变化,状态表现为不同的版本;质变是时空对象之间的变化,由于时空对象由状态组成,因此质变是不同对象的状态之间的变化,涉及到时空对象的起止两个状态(如图1)。构成时空对象变化序列的元素有状态、事件以及状态与事件之间的关系。

图1　时空变化描述

212　时空关系

时空对象之间存在着空间、时间与语义关系,其中空间

关系表现为空间拓扑关系、空间方向关系和空间度量关系;时间关系类似于空间关系表现为时间拓扑关系、时间方向关系和时间度量关系,语义关系是目前GIS研究的热点之一,主要表现为如“是……一部分”、“属于”等,可以认为是一维的关系。这样时空关系可以表现为七维(如图2)。

图2　时空关系的七维

时空对象可以由状态与事件进行描述,时空关系可以

表现为对象级关系与状态-事件级时空关系。对象间的变化都是质变。213　时空模型

时空模型描述时空对象的状态、事件以及状态与事件

收稿日期:2004-08-21

基金项目:武汉理工大学基金(2003XJJ223),博士点基金(20020486040)

第3期尹章才等　GIS中的时空数据模型研究13

之间的关系,包括状态间的关系、事件间的关系以及状态与事件间的关系(如图3),便于时空分析,主要表现为状态的查询、事件的查询和时空关系的查询。

图3　时空模型的组成

3　基于状态-事件的时空模型

311　概念模型

概念模型描述时空对象的状态、事件以及时空关系,其中时空关系目前主要研究时空拓扑关系(如图4)。时空拓扑关系存在于状态与事件之间、状态之间、事件之间。图4　时空模型

312　逻辑模型

时空分析的速度,但不能表达因果关系。

3)显式表达状态、事件及状态与事件之间的拓扑关系时空数据库是状态、事件及状态与事件之间的拓扑关系的集合。典型的模型有基于Petri网的时空数据模型[17],利用Petri网的库所表示时空模型的状态;Petri网的变迁表示时空模型的事件;Petri网的边表示状态与事件之间的拓扑关系。基于Petri网的时空模型显式表达了状态与事件,及因果关系,但不能表达状态之间的时空拓扑关系与事件之间的拓扑关系。

4)显式表达状态、事件及所有拓扑关系

在基于Petri网的时空数据模型基础上,增加了状态之间的拓扑关系与事件之间的拓扑关系,本文称为基于状态-事件的时空数据模型,能显式表达状态、事件,状态之间的拓扑关系、事件之间的拓扑关系、状态与事件之间的拓扑关系。基于状态-事件的时空模型能进行状态与事件的直接查询,以及各种拓扑关系的之间查询,便于时空分析。对于不同的应用,状态间的关系、事件间的关系、状态与事件间的关系的详细程度可能不同,甚至有的关系没有直接资料提供,该模型可以将没有关系的部分以“空”保存。从逻辑上,该模型可以认为是全显式时空数据库模型,适用于多时空关系的联合分析。由于提供了全显式时空拓扑关系,为时空关系仓库模型设计提供了技术方案。

状态-事件模型将状态与事件作为同等的重要进行描述,避免了人为地将他们分开,兼顾了状态模型与事件模型的优点。

5)显式表达事件及事件之间的拓扑关系

典型的模型是基于事件的时空数据模型(ESTDM),显式表达事件及事件之间的拓扑关系。但不能表达矢量的空间图形的变化,适用于基于栅格模型的空间对象变化的描述。

6)显式表达事件

显式表达事件快照,没有事件之间的拓扑关系。数据结构简单,数据库中记录事件序列,但时空分析能力较弱,适用于工作流中的事件记录模型。

以上各模型之间在状态、事件、状态之间的关系、事件之间的关系、状态与事件之间的关系五个方面各不相同,在表1中提供了典型模型及优缺点,为具体时空应用提供了参考。

)表1　时空模型的数据组成(“y”表示“具有”

类

型

123456

状态

yyyy

事件状态间事件间状态与事关系关系件关系

y

典型

模型快照模型图论模型Petri网模型状态-事件模型ESTDM模型事件快照模型

根据不同的应用,状态、事件与时空拓扑关系在逻辑实现上可以不同。主要表现为显式表达状态、事件与时空拓扑关系中的一种或几种,或时空拓扑关系的一部分。具体表现为:

1)显式表达状态

典型的模型有快照模型。在时空模型中,显式表达状态,隐含表达事件以及状态与事件之间的时空拓扑关系,时空数据库是状态的集合。特点是无显式拓扑,数据结构简单,但不便于时空拓扑关系的分析。

2)显式表达状态及状态之间的拓扑关系

典型的有基于图论的时空数据模型,显式表达状态及状态之间的拓扑关系。用图的顶点表示状态,图的边表示状态之间的拓扑关系。时空数据库是状态及状态之间拓扑关系的集合。便于状态之间时空拓扑关系的查询,提高了

yyyy

y

yy

yy

313　模型之间的转化

基于状态-事件的时空数据模型是全显式的状态、事件及各种拓扑关系的时空数据模型,能便于时空查询和分析。该模型可以通过简化部分成分,转化为其他模型,具体表现为:隐含状态之间的关系和事件之间的关系,可以转化为基于Petri网模型;隐含事件,转化为图论方法模型;隐含事件及状态间关系,转化为快照模型;隐含状态,

14　　　测绘科学第30卷

可以转化为ESTDM模型;在ESTDM模型基础上,隐含事

件间关系,转化为事件快照模型。由此可以看出,状态-事件模型是其他模型的基础,并可以由该模型转化。

同样,其他模型可以显式表达部分时空成分,转化为状态-事件模型(如图5)。

图5　时空模型之间的关系

非TGIS与TGIS之间共同的模型是快照序列模型,只

保存对象的快照;在快照模型的基础上,增加状态间的时空拓扑关系,并用图方法描述,形成了图论模型;事件序列的无拓扑保存是事件快照模型,并在此基础上,增加事件间拓扑关系,形成了ESTDM模型;在图论模型与事件快照模型的基础上,增加状态与事件间关系,形成了PetriNet模型。图论模型、ESTDM模型和PetriNet模型可以形成状态-事件模型。314　数据结构

基于状态-事件的时空模型,可以认为是以PetriNet模型为基础,与图论模型和ESTDM模型进行复合而成的,因此其数据结构是PetriNet和图论的复合,他们都是网状数据模型。这样状态-事件时空模型的数据结构可以采用网状的数据结构。

4　结束语

时空数据模型是描述空间对象随时间所发生的变化,包括变化的状态、事件及状态与事件之间的关系。目前时空数据模型的研究,侧重于状态与事件相分离的表达,表现为基于状态的模型与基于事件的模型,不能兼顾这两种模型的优点。本文以状态、事件及状态与事件之间的关系三者为中心,分析了已有时空数据模型的特点,提出了基于状态-事件的时空数据模型,描述了状态、事件及各种时空拓扑关系,能有效顾及状态模型与事件模型的优点。同时,探讨了各时空模型之间的相互转换条件,为时空模型的一致性描述和表达打下了基础,对完善和丰富时空数据模型提供了参考。

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武汉大学学报(信息版),2004,8.

作者简介:尹章才,男(1972-),武汉理工大学讲师,武汉大学在读博士生,从事时空数据模型与地理信息可视化研究。E2mail:zcyin0769@sina1com

ABSTRACTSOFTHEPRESENTISSUE

Elevationerrorestimationofsatellitephotogrammetrywithoutgroundcontrolpoint

Abstract:Thispaperdeduceselevationerrorestimatingformulaeofthesatellitephotogrammetry,whichisconcernedwithelementsofexteriororientationthatmeasuredbyspacebornesensors.Accordingtotheattitudestabilityoftwo2linearrayCCDpushbroomimageat10-6o/s,orlowerthan10-6o/sandtheattitudestabilityofsocalledLMCCD(line2matrixCCDcamara)pushbroomimagelowerthan10-6o/s,theauthorsdeduceandcalculatefordifferentcasesrespectively,andpresentanexampleforeachestimatingformulafortheapplicationofdesigningsatellitephotogrammetryengineeringsystemwithoutgroundcontrolpoint.

Keywords:satellitephotogrammetry;errorestimation;CCDpush2broomimage

WANGRen2xiang,LIJing,WANGXin2yi,YANGJun2feng

Researchonspatial2temporaldatamodelinGISAbstract:StateandeventisapairofbasicconceptioninTemporalGeographicalInformationSystems(TGIS).Nowmostofspatio2temporaldatamodelsdealwithbothconceptionsseparately,andcannotcombinethemeritsofbothmodels.Inthispaper,anewspatial2temporaldatamodelbasedonstate2eventispresented,andthequalificationsforconversionbetweenspatial2temporaldatamodelsareanalyzed.

Keywords:state;event;spatio2temporaldatamodel;spatio2temporalrelationship

YINZhang2cai①②,LILin②(①SchoolofResourceandEnvironmentProject,WuhanUniversityTechnology,129LuoyuRoad,Wuhan,China430079;②SchoolofResourceandEnvironmentScience,WuhanUniversity,129LuoyuRoad,Wuhan,China430079)

ResearchonautomaticupdatingofGISdata

Abstract:ItisvitaltokeepGISdata“fresh”forapplicationanddevelopmentofGIS.ThispaperdescribesageneralprocessforautomaticdataupdatingofGIS,discussesthreebasicmethodsofchangedetection,andanalysesthecharacteristicofthesemethods.Finally,theoutlookarepresentedforfurtherstudies.

Keywords:GIS;changedetection;orthoimage;vector;raster

FANDa2zhao,ZHANGyong2sheng,LEIRong,GUOHai2tao(InstituteofSurveyingandMapping,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450052)

Researchoninformationextractionandtargetrecognitionfromhighresolutionremotesensingimage

Abstract:Highresolutionremotesensingimagehassomecharacteristicssuchastremendousdata,complexfeaturedetailsanddependenceonscale,sosomenewtechnicaldifficultyisfacedtoresearchersonremotesensing.Basedonsummarizingprevioustechniqueofinformationextractionfromhighresolutionimage(aerialimage),thispaperanalysesthesuperiorityofremotesensingimageprocessandanalysisbasedonparcelunitintheoryandinpractice.Furthermore,amulti2scaletechniqueforinformationextractionandtargetrecognitionfromhighresolutionremotesensingimagebasedonfeatureunitisbroughtforth.Intheend,thispaperexplainsthetechniqueframeand

3

pointsouttheactualresearchdifficultiesandemphasisinthefuture.

Keywords:highresolutionremotesensing;informationextraction;targetrecognition;parcelunit;imagesegmentation;multi2scale

MINGDong2ping,LUOJian2cheng,SHENZhan2feng,WANGMinM,SEHNGHao(TheStateKeyLaboratoryofResourcesandEnvironmentalInformationSystem,IGSNRR,CAS,Beijing100101)

Fractalattenuationanalysisofcartographicobjectoncartographygeneralization

Abstract:Onthecartographygeneralization,theattribute,structuralandshapeofthecartographyobjectwouldbechangedwithvariationofthescalesize,thereby,itresultsinthedecreaseofinformationascalledfractalattenuation.Thispaperusesfractalgeometryasatoolandfractaldimensionasaparametertoanalyzethephenomenaoffractalattenuationofcartographicobjectoncartographygeneralization.Basedonthetheoryoftheextendedfractaldimension,thispaperstudiedtheattenuationlevelofself2similarityofvariousmapobjectswiththevarietyofthemapscale,andresearchedfurthertherelationshipbetweenthescalelevelfactorofmapfeaturesandfractalattenuation.

Keywords:cartographygeneralization;fractalattenuation;self2similarity;theextendedfractaldimension

LIWen2jing,WUHe2hai(SchoolofResourceandEnvironmentScience,WuhanUniversity,Wuhan430079,China)

Geo2spatialdataminingandknowledgediscovering2studyanddevelopmentongeographicalunitdataset

Abstract:Geographyisasciencethatinvestigatesmutualrelationshipsandinteractionsbetweennaturalandhumanelementsontheearth’ssurface.MethodologicalinnovationinGeographyhasbeenacceleratedbytheprocessofadaptationoftheoryandmethodsofmodernsciences.Influencedbythedevelopmentandcontactwithnaturalandsocialsciences,quantitativeandsystematicresearcheshavetransformedthebroadcharacterofgeographicalresearchfromstatic,qualitativedescriptiontodynamic,quantitativeanalysis.Themethodologiesfordataminingandknowledgediscoveringareintroduced,andDEMdataminingforabstractingthedrainagebasinarestudiedasanexample.

Keywords:geo2spatialdataminingandknowledgediscovering;geographicalunit;geo2spatialdata

LILi,WANGHai2qing(NationalGeomaticsCenterofChina,Beijing100044,China)

TheweightdeterminationofthedoubledifferenceobservationinGPScarrierphasepositioning

Abstract:TheweightofthedoubledifferenceobservationinGPScarrierphasepositioningisimportant.Twocommonmethodsoftheweightdeterminationarebrieflyintroducedandtheweightdeterminationofthealtitudeangleisfirstlybroughtforwardinthepaper.Basedonthesurveyingdataofsomelargewaterandelectricitystation,theinfluenceonthebaselinecoordinatecalculationprecisionisanalyzed,andthedataanalysisresultsindicatethattheweightdeterminationofthealtitudeanglecaneffectivelyimprovetheprecisionofbaseline