一種基于事件—過程—狀態的時空數據模型應用研究

鄒文娟 ，李景文，王芳

(1.桂林理工大學測繪地理信息學院，廣西桂林 541004;2.廣西空間信息與測繪重點實驗室，廣西桂林 541004)

1 引言

歷史地理空間數據與現實世界的其他數據一樣，會隨著時間的變化而具有不同的變化過程和狀態。傳統GIS只是描述了對象的一個“快照”，它反映事物在某一時刻的狀態，并沒有真正實現信息的空間、時間和屬性這三個要素的整合。而時態GIS通過在系統中增加對時間維的表達、分析能力，具有歷史分析與趨勢分析的功能［1］。時態GIS的核心是時空數據庫，建立時空數據庫的基礎是時空數據模型，目前，無論是以事件為核心，還是基于狀態的時空數據模型，都沒有完全解決時空數據模型的三個關鍵技術問題:數據的冗余、更新，時空一體化，時空分析［2］。本文從時空語義表達的要求出發，通過分析事件、過程、狀態三者間相互關系，同時在分析歷史空間數據的時空特性的基礎上建立了基于事件—過程—狀態的時空數據模型。該模型為歷史信息的有機集成、共享管理以及決策分析提供了有效的時空數據組織方法與管理模式。

2 事件—過程—狀態關聯關系分析2.1 相關定義

(1)事件

事件是空間對象在時間維上從一個狀態到另一個狀態的質變過程，每個事件代表一個狀態變化，事件在時間維上的順序表達了空間對象變化的時空過程。事件序列可表達為［3］:

式(1)中，EID表示事件Event(i)的標識號;ESTi表示事件的發生時刻;EETi表示事件的結束時刻;EAi表示事件的類型如屬性事件、空間事件等;EOi表示對事件其他方面的說明。以歷史政區變革為例，這一事件可分為歷史政區拆置，歷史政區合并以及歷史政區繼承等。

(2)過程

過程是基于分類或抽象所得到的邏輯上相連的事件序列。過程實質上是時間軸上相鄰兩個狀態間的空間對象細化而成的多個具有特殊意義的操作，這些操作導致對象狀態從量的變化到質的變化。過程序列可表達為［4］:

式(2)中，PID表示過程 Process(j)的標識號;{O1，O2，．．．，Om}表示過程變化前的空間對象實體集合;{O1，O2，．．．，On}表示過程變化后的空間對象實體集合;S表示過程的變化類型算子。實體本身的歷史變化，如政區變革、自然環境的變化、人口與民族的發展與沿革、經濟文化的發展、城鎮變遷與規劃等皆為相關實體演變發展的時空過程。

(3)狀態

狀態是在一定的時間下地理實體客觀存在的形式，表達了對象相對恒定的過程?？臻g對象的存在是指在其生命周期內從出生時態到死亡時態之間相對穩定的一個過程。實體的狀態變化可用基態修正模型來表示，該模型將地理實體的最新狀態作為基態，每個歷史狀態都是相對于現在狀態的差值［5］。

圖1 基態修正模型的兩種方式(曹志月，2002)

式(1)將每個歷史時刻的實體狀態都直接與基態進行差運算，并記錄這些差值。式(2)將歷史上每一時刻的狀態與其前一狀態進行比較，記錄各個時刻間的狀態差值。

2.2 事件—過程—狀態之間相互關系

狀態是對事物某一時刻的描述，事件是事物狀態發生變化的原因。事件與事物狀態的關系可由式(3)來表達，在式(3)中，Si是事物的初始狀態，由于事件E的發生，引起事物內部發生變化，使其由其初始狀態Si改變到新的狀態Si+1。

當一個事件開始時，一個過程隨即啟動，經過若干對象參與若干過程變化后，達到質變，這個事件便結束，事件和過程的主體都是空間對象。每一個事件可以看作由若干過程的序列組成［4］:

因此可以得出結論，地理現象的演化過程在現實中表現為事件—過程—狀態的因果關系，事件、過程和狀態之間的關系如圖2所示。

圖2 事件、過程和狀態之間的相互關系

3 基于事件—過程—狀態的時空數據模型設計

3.1 歷史信息變化的時空特性分析

通過對歷史事件變革的分析，我們發現每一個事件都有一定的規律性:一個新的事物狀態(子狀態)的產生，總是伴隨著一個舊的事物狀態(父狀態)的消亡，即父子狀態關系具有空間上的相交性和時間上的相接性。那么歷史事件上的每個點都可以看作是在一個有效時間段(產生時間—結束時間)的空間存在，它具有唯一性。利用這種唯一性，我們便可以很方便的建立同一時間段類，不同空間實體間的屬性關聯，也可以比較父子空間狀態之間的復雜繼承關系。

以某市歷史政區變革為例，通過分析我們得出所有的狀態可以由分、合、繼承、新增等4種基本模式演變而來，如圖3所示。

圖3 歷史政區變革的基本模式

圖4包含了該市歷史政區變革的幾種典型過程變化模式［6］(分、合、繼承、新增)，T1表示歷史政區在 T1時間段政區初始狀態及其空間拓撲關系，Ti表示歷史政區在Ti時間段變化后的狀態及拓撲關系的演變結果，Ti－Ti+1表示歷史政區從Ti時間段到Ti+1時間段演變的過程;Ni表示在Ti時刻該政區的面積。

圖4 政區變革中幾種典型的空間拓撲變化模式

圖4中，從T1到T2歷史政區總體邊界沒有發生變化，但是內部拓撲關系發生了改變，而且變化了的子拓撲可以和父拓撲通過一定的算法進行關聯。只要確定了子拓撲和父拓撲之間的不同演變模式，經過一定的算法轉換即可很容易地在數據庫中關聯他們［7］。從圖 4 可知，N1={01+02+03+04+05+06+07+08+09}，N2={01+02+03+06+07+08+09+10}，由N1=N2即可推出:10=04+05，同理可以推出其他時間段中各個政區的拓撲關系。由于N1和N2是兩個確定的歷史政區拓撲體，內部其他子區域在歷史政區體中的拓撲位置也是可以確定的，那么我們也就可以很方便地建立T1和T2時間中離散的行政區劃之間的聯系。

3.2 基于事件—過程—狀態的時空數據模型設計

從上文可知歷史政區變革也可以看成是幾個事件之間的狀態發生改變的過程。其事件序列如下:

這些事件表現在空間實體上是通過一系列的過程操作完成的，其過程序列如下:

狀態是對事物某一時刻的描述，而事物狀態發生變化是由事件差生的結果，其狀態序列如下:

從事件、過程和狀態在歷史信息中的分析應用可知，基于事件—過程—狀態的時態模型主要包含事件類、過程類、狀態類。事件域和過程域描述時空變化的時間語義，如變化的原因、過程等;狀態域描述空間狀態語義信息，主要包含初始狀態和最終狀態。其中，E-vent Class為事件類，用于描述事件發生的時間、原因等，一個事件由若干過程組成;Process Class為過程類，描述過程類型、過程發生的前后時間等;State Class為狀態類，描述事件發生變化過程前后的狀態，比如空間信息和屬性信息等;Time Class為時間類，描述時間區間信息。

圖5 基于事件—過程—狀態的時態模型邏輯設計

4 基于事件—過程—狀態模型的時空數據組織方法

基于事件—過程—狀態模型的數據管理將空間幾何信息和屬性信息統一存儲到Oracle Spatial的SDO_GEOMETRY字段中。根據對象在整個變化過程中所處的狀態可以建立三個表達不同時態的數據庫:現狀庫、過程庫和歷史庫，如圖6所示。其中過程庫是由事件和過程共同引起的變化前后對象間的記錄數據，主要存儲對象各個變化時段的空間和屬性等數據，過程庫由過程表和事件表等表組成。在物理存儲上，主要通過建立事件表、過程表、狀態表之間的關聯以達到記錄和查詢的目的，如圖7所示。

圖6 地籍時空數據組織流程圖

圖7 基于事件—過程—狀態的時態模型物理存儲表

5 結論

本文從歷史信息在時間軸上的變化特性的角度，通過對引起事物特征變化的時變序列及深層次原因的分析，探討了基于事件—過程—狀態的時空數據模型的描述和表達方法，該模型的構建能夠全面反映時空對象的演變過程以及這個過程中產生的各種因果關系;研究了基于該模型的時空數據組織方法和管理模式，該方法對歷史事件中的變更數據及時存儲，并保存引起事物狀態發生變化的系列事件和過程，不僅可以解決事件變更后的歷史數據和現勢數據的整合問題，而且能夠實現基于時空變化語義的查詢和分析。

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