歷史事件時空過程描述及其可視化研究

王占剛,莊大方,王 勇

(中國科學院地理科學與資源研究所資源環(huán)境數據中心,北京100101)

歷史事件時空過程描述及其可視化研究

王占剛,莊大方,王 勇

(中國科學院地理科學與資源研究所資源環(huán)境數據中心,北京100101)

結合基于事件的時空數據模型和面向對象的思想,提出一種面向歷史事件的時空數據模型。分析基于事件、變化與狀態(tài)之間的關系,描述和再現重大歷史事件中的時空信息及時空變化。給出一種結合事件鏈表與子事件樹的歷史事件時態(tài)樹結構,有效地將時間、事件及相關時空對象組織起來,動態(tài)追溯、反演和檢索歷史事件的發(fā)展過程與狀態(tài)。利用事件時態(tài)樹結構實現歷史事件時空過程可視化,并以Adobe Flex為工具開發(fā)實現了歷史事件時空過程可視化算法,取得良好效果。

歷史事件;時空數據模型;事件;狀態(tài);時空過程;可視化

1 概述

歷史事件內容紛繁復雜,如何以事件為線索,有效組織并展示歷史信息是一個難題。基于事件的時空模型主要針對事件或單體變化,能夠描述時空變化過程,并對觸發(fā)這種變化的原因和結果進行表達與分析［1］。基于事件的時空模型顯式存儲了與時間相關的變化,該模型能較好地反映空間對象狀態(tài)變化的因果關系,而且支持時間與空間方面的快速檢索與高效存儲［2］。文獻［3］基于事件語義的描述,用事件的＜對象,時間,空間,事件,屬性＞五元組來構建時空數據模型。將基于事件語義的時空模型應用于地籍管理信息系統(tǒng)中,記錄宗地變更過程。文獻［4］從時空語義表達的要求出發(fā),通過分析事件、過程、狀態(tài)三者間相互關系,提出基于事件-過程-狀態(tài)的時空數據模型。該模型能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。傳統(tǒng)基于事件的模型中每個事件用來描述上次事件之后的特征變化和分布,數據結構簡單,缺少對事件之間拓撲關系的描述,時空分析能力較弱;且這些模型多是以土地利用變化、地籍管理等為主［5］,還未見針對歷史上各類事件、對象的時空數據模型研究。

在可視化領域,以時間和空間為主導的時空數據可視化問題已成為一個研究熱點［6-8］。時空數據可視化是將空間、時間與屬性等要素結合,在可視化的基礎上表達時空變化與發(fā)展過程,直觀反映時空對象在不同時間的各個狀態(tài)與動態(tài)演化,時空數據可視化的核心就是時空過程的可視化。時間與空間數據結合可以動態(tài)反映變化的實體與現象,能夠描述時空對象的產生、發(fā)展、演化與消亡的全過程［9］。時空可視化類型包括靜態(tài)可視化和動態(tài)可視化。靜態(tài)可視化通常采用二維圖形圖像法、三維圖形圖像法,動態(tài)可視化通常采用動畫、虛擬現實、時空數據庫的動態(tài)可視化等方法。時空數據可視化可用于對時空對象發(fā)展變化的展示、分析、預測及推演［10］。由于增加時間維之后信息量急劇增加,現有技術難以處理與管理,并且缺乏有效描述模型,時空數據可視化尤其是時空過程可視化方面的研究尚有待深入［11-13］。

本文在對歷史事件中時空特征及對象進行分析的基礎上,結合基于事件的時空數據模型和面向對象的思想,提出以歷史事件為核心的時空數據模型,該模型以變化-狀態(tài)為主線,可以完整描述復雜歷史事件中的時空信息及時空變化,并能記錄不同事件之間的關聯(lián)關系。本文基于歷史事件時態(tài)樹結構,輔助利用符號、圖形序列、高亮、聚焦、動畫、疊加圖等方式對歷史事件進行時空過程可視化。最終開發(fā)實現了相應的歷史事件時空過程可視化算法。

2 歷史事件腳本時空特征

對于歷史事件時空模型及可視化而言,歷史事件腳本需要明確地指出事件發(fā)生的時空對象、時間、位置、范圍、發(fā)展及演化過程。其中時空對象具有空間特征、時態(tài)特征和屬性特征,它不僅描述了對象的瞬間空間狀態(tài)和屬性,而且能夠表現對象的時空變化。歷史事件中的時空對象可以是人、物、群體、地點或區(qū)域,根據其表達需求可以定義為點、弧、面等空間類型。事件發(fā)生時間可以是時刻或時段。事件中的空間范圍可以是某個地點、縣或時,也可以是某州、郡或統(tǒng)治區(qū)域。隨著時間的推移,歷史事件的時空對象不斷發(fā)生變化,即可能發(fā)生位移、形變(合并、分裂、區(qū)域變化)、屬性變化(歸屬變化)及其組合,這種時空變化可以是軍隊行進、人口遷移、疆域拓展、城市變遷等。

歷史事件時空可視化中的一個重要步驟就是對事件腳本進行時空化處理,即基于語義提取事件過程中的對象、位置,以及發(fā)生的時間、范圍、變化與過程。如表1所示,以“李自成進北京-攻破潼關”中一個片段為例,展示歷史事件腳本中蘊藏的時空特征。表中描述的事件腳本為“1643年10月,李自成攻破潼關,殺死督師孫傳庭,占領陜西全省”,共包含5個時空變化過程。其中“李自成由襄陽行進至潼關”中,時空對象為李自成(及其大順軍),發(fā)生時段為1643年10月期間,李自成(及其大順軍)發(fā)生對象位移變化,由襄陽移動至潼關。在此變化中,李自成可以抽象成點,其變化空間范圍為線。潼關被攻破之后,歸屬由明朝改為李自成屬地,發(fā)生屬性變化;孫傳庭被殺死,發(fā)生屬性變化;陜西全省被占領,歸屬由明朝改為李自成屬地,發(fā)生屬性變化;李自成屬地邊界產生變化,發(fā)生對象形變。

表1 歷史事件腳本時空特征

3 面向歷史事件的時空數據模型

結合基于事件的時空數據模型［4,14-15］和面向對象的思想［16］,提出面向歷史事件的時空數據模型(HistoricalEventsOriented Spatio-temporalData Model,HEOSDM),該模型基于事件、變化與狀態(tài),利用該模型能夠描述和再現重大歷史事件中的時空信息及時空變化。模型主要定義如下:

時空數據模型:

HEOSDM=＜Obj,Time,Event,State,Change＞其中,Obj表示時空對象;Time表示時間;Event表示事件;State表示狀態(tài);Change表示變化。

時空對象:

其中,OID表示Obj(i)的序列號;F表示時空對象的空間特征,包含位置、形態(tài);A表示時空對象的屬性特征。

事件:

其中,EID表示Event(i)的序列號,其依據發(fā)生先后排列;SubEvent是子事件的集合;T表示事件發(fā)生的時刻或時段、時間類型;A表示事件屬性信息,包含時間發(fā)生原因、情況等。

子事件:

其中,M表示子事件發(fā)生的若干對象集合;W表示子事件中對象的行為或客觀發(fā)生的情況,在本文中定義為變化;P表示子事件的發(fā)生位置;T表示子事件的發(fā)生時間,可以是時刻或時段;Lf表示子事件間的關聯(lián)結點,包括父結點和兄弟結點;LA表示子事件的屬性。

變化:

其中,CID表示Change(i)的序列號;Obj是事件的對象集合;SubEvent表示子事件對象;Si表示時空對象的初始狀態(tài);Si+1是發(fā)生事件Event后的更新狀態(tài)。

狀態(tài):

其中,SID表示State(i)的序列號,其依據發(fā)生先后排列;Obj是狀態(tài)的對象集合;T表示該狀態(tài)所處的時刻或時段;F表示時空對象的空間特征,包含位置、形態(tài);A表示時空對象的屬性特征。

如圖1所示,該模型以歷史事件為核心,以變化-狀態(tài)為主線。模型將歷史事件中的主要對象抽象成類,包含事件、變化、狀態(tài)3種主體類,以及時空對象、對象快照和時間等輔助類。事件類由時空對象、事件屬性和時間聚合而成;狀態(tài)由對象快照和時間聚合而成;變化類由事件、時空對象和時間聚合而成。時空對象是模型中的主要對象,具有空間特征和屬性特征。時空對象通常由點、弧、面和體構成,它們共同繼承自矢量基類。

時刻和時段繼承自時間基類,時刻、時段和屬性特征聚合成時間類。屬性基類派生出對象屬性、時間屬性和事件屬性。模型中包含矢量、時間和屬性3種基類,主要包含了一些具有公共特征的對象特征和操作方法。事件、變化、狀態(tài)共同構成了歷史事件模型。

圖1 面向歷史事件的時空數據模型

以“李自成進北京-攻破潼關”子事件為例,子事件由時空對象、變化、時間等構成。時空對象涉及“李自成、孫傳庭、潼關、陜西、李自成屬地”,每個時空對象對應一個或幾個時空變化。其中,“李自成”對應發(fā)生“由襄陽移動至潼關”的位移變化,變化由時空對象、子事件、狀態(tài)構成。狀態(tài)由對象快照和時間組合而成,在“由襄陽移動至潼關”的位移變化中,“李自成”的狀態(tài)由“位于襄陽”改為“位于潼關”。可以看出,面向歷史事件的時空數據模型既包含時空對象、屬性及時態(tài)信息,又保留了事件中的時態(tài)拓撲信息,為歷史事件展示、時空回溯奠定基礎。

4 歷史事件時空過程可視化

4.1 歷史事件時態(tài)樹

為實現時空數據的可視化與分析,滿足時空查詢檢索的需求,需要在時間與空間的基礎上提出有效的時空索引［17-18］。本文面向歷史事件中的時空對象及其變化特征,提出一種結合事件鏈表與子事件樹的歷史事件時態(tài)樹結構。該結構采用雙數據結構,有效地將時間、事件及相關時空對象組織起來,可以動態(tài)追溯、反演和檢索歷史事件的發(fā)展過程與狀態(tài)。該方法符合時空數據的表達和人類認知的邏輯思維,為進行歷史事件時空過程可視化奠定了基礎。

文獻［19］用樹結構有效地組織與管理事件,通過樹結構及事件之間相互關聯(lián)來實現地理要素的時空回溯。文獻［20］建立了包含時間特征的時空對象模型和反映時空變化的時態(tài)樹結構,作為時空對象動態(tài)可視化的時態(tài)版本數據源。文獻［21］通過分析事件驅動的特征對象數據存儲與管理機制,提出了一種基于特征和事件雙效機制的時空數據快速索引機制。本文已有研究基礎上,提出基于事件時態(tài)樹結構對歷史事件進行時空回溯。

如圖2所示,事件時態(tài)樹是具有時空特征的索引,是一種包含事件主鏈表與子事件樹相結合的雙數據結構。頂層事件組成了歷史事件的主體線索,如事件_1、事件_2、事件_3和事件_4之間采用雙向鏈表進行組織,而每個事件及其子事件構成了樹形結構。子事件是事件的具體細節(jié),以事件_1為例,其包含子事件_1_1、子事件_1_2和子事件_1_3 3個兄弟子結點,并且3個子事件之間兩兩存在因果關系。在事件_2中,子事件_2_2和子事件_2_3屬于并列關系,其與子事件_2_1是因果關系。在事件_3中,子事件_3_2和子事件_3_3不存在因果關系。事件中詳細記錄各子事件發(fā)生時間,其發(fā)生時間可以是時刻或時段,即t'≥t。在時間軸上各個事件及子事件可以是順序發(fā)生,也可以是同時發(fā)生或重疊發(fā)生,各事件及子事件均以發(fā)生時間為序進行排列。

圖2 事件時態(tài)樹結構

4.2 基于事件時態(tài)樹的歷史事件時空過程可視化算法

4.2.1 算法總體思路

本文提出基于事件時態(tài)樹結構對歷史事件進行時空過程可視化。事件時態(tài)樹是在樹結構基礎上增加了對時態(tài)的描述與處理,比較適合用于復雜的時空數據動態(tài)可視化。在構建事件和子事件模型基礎上,依據各個子事件的時間與時態(tài)拓撲關系,依次加載并可視化相應時空對象及其發(fā)生的變化。

在子事件可視化的過程中,采用特定符號標識歷史事件中的各種元素。通過集成歷史事件中涉及的各種多媒體數據,達到圖文聲情并茂的效果,將視頻、文字、音頻、圖片、動畫等依據時間和位置等信息集成到地圖中顯示播放,實現歷史事件的綜合顯示。綜合顯示主要包括顯示控制、疊加顯示、融合顯示等。其中顯示控制采用時間驅動方式,即各個元素的顯示依據其自身時間對象進行控制;疊加顯示依據對象類型與特征進行疊加;融合顯示是對特定類型數據進行融合。

4.2.2 可視化算法

基于事件時態(tài)樹的歷史事件時空過程可視化算法如圖3所示。

圖3 歷史事件時空過程可視化算法

事件時態(tài)樹的歷史事件時空過程如下:

(1)首先構建事件與子事件,結合事件時態(tài)結構,建立事件模型;

(2)然后加載事件,并加載事件包含的所有子事件;

(3)根據各子事件發(fā)生時間進行時態(tài)排序;

(4)啟動計時器,根據順序與時間啟動各個子事件,并加載相應時空對象、變化與狀態(tài)對象;

(5)對子事件進行可視化,調用相應時空對象符號、動畫,根據位置及屬性進行可視化渲染;

(6)完成所有子事件后檢索是否仍有其他事件未加載,如仍有事件,則返回步驟(2)繼續(xù)執(zhí)行,否則執(zhí)行步驟(7);

(7)事件可視化完成;

(8)結束。

4.3 歷史事件可視化結果與分析

本文通過對歷史事件腳本的時空特征分析,在構建事件、子事件模型及其拓撲結構基礎上,提出了基于事件時態(tài)樹的歷史事件時空過程可視化方法。通過 ArcGIS Server10.0提供地理數據服務,以Adobe Flex 4.6為前臺開發(fā)工具開發(fā)實現了相應的歷史事件時空過程可視化算法。實驗筆記本的CPU為i3-350 2.26 GB,內存4 GB。

如圖4所示,以“明末清初-李自成進北京”的歷史事件為例,將歷史事件中涉及的對象、地理位置、進程及內容隨著時間的發(fā)展變化,以符號、圖形圖像、文字、動畫的形式表現出來,直觀清晰的展示事件發(fā)生過程,以及事件在時空上的移動變化。其中圖4(a)描述的子事件為“李自成攻破潼關,殺死督師孫傳庭,占領陜西全省”;圖4(b)是整個歷史事件的概要圖。

圖4 歷史事件時空過程可視化效果

以圖4(a)為例,歷史事件可視化描述了李自成由襄陽附近行軍至潼關,并發(fā)生激戰(zhàn),最終占領潼關。可視化過程綜合運用多線程、動畫、標簽等技術將歷史事件中涉及的對象、地理位置、進程及內容隨著時間的發(fā)展變化,以符號、圖形、圖像、文字的形式動態(tài)表現出來,直觀清晰的展示事件發(fā)生過程,以及事件在時空上的移動變化。

圖5描述了1643年5月至10月李自成進攻潼關過程中的變化與狀態(tài)。其中圖5(a)描述了“李自成進攻潼關”歷史事件中的變化,在此變化中由李自成代表的軍隊由襄陽向潼關進攻;圖5(b)表達了李自成攻破潼關后的狀態(tài)。

圖5 歷史事件變化與狀態(tài)效果圖

通過歷史事件時空過程可視化實驗及結果,得到以下結論:

(1)通過圖4的結果可以看出,利用本文提出的事件模型和基于事件時態(tài)樹的時空過程可視化方法,賦予歷史事件時間與空間信息,通過符號、標簽、文本、圖像等多種手段,生動形象地描繪中國古代歷史事件的時空發(fā)展過程,初步實現在地圖上講故事的目的。

(2)在歷史事件可視化過程中,需輔助高亮、聚焦、動畫等手段,吸引用戶的注意焦點。例如圖4(a)中通過火焰動畫作為動態(tài)符號標識發(fā)生戰(zhàn)爭,可以有效獲取用戶的視覺焦點,使用戶隨著事件的發(fā)展而不斷轉移興趣點。

(3)歷史事件中的變化可以通過時空對象的移動、形變、合并、拆分等過程來動態(tài)描述,狀態(tài)是變化的結果。例如圖5(a)中,李自成符號通過動畫由襄陽向潼關移動,表達變化的過程,通過閃爍達到聚焦效果,有效獲取用戶視覺焦點,使用戶隨事件的發(fā)展而不斷轉移興趣點。

(4)在表達歷史事件時,由于事件內容復雜,基本的符號、文本、標簽等方式已不能滿足可視化表達需求,需要引入視頻、三維模型等新的可視化媒介,利用集成和融合方式進行整合。

5 結束語

本文結合基于事件的時空數據模型和面向對象的思想,提出面向歷史事件的時空數據模型,該模型基于事件、變化與狀態(tài),能夠描述和再現重大歷史事件中的時空信息及時空變化。文中給出一種結合事件鏈表與子事件樹的歷史事件時態(tài)樹結構。該結構采用雙數據結構,有效地將時間、事件及相關時空對象組織起來,可以動態(tài)追溯、反演和檢索歷史事件的發(fā)展過程與狀態(tài)。最終利用事件時態(tài)樹結構實現了歷史事件時空過程可視化算法。下一步工作將在本文研究成果的基礎上,結合視頻、三維模型等數據,進行多源數據集成可視化方法的研究與探討。

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編輯 索書志

Research on Spatio-temporal Processes Description of Historical Events and Its Visualization

WANG Zhangang,ZHUANG Dafang,WANG Yong
(Resources and Environment Data Center,Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China)

A variety of visual elements are used to comprehensively express historical events,which can demonstrate vividly historical pictures.This paper proposes a Historical Events Oriented Spatio-temporal Data Model(HEOSDM) through combing event-based spatio-temporal data model and object-oriented idea.Considering the event,change and status,this model can describe and reproduce spatio-temporal information and changes in the major historical events.and a temporal tree data structure of historical events combining event list and sub-event tree is proposed.This structure adopts dual data structures which effectively organize spatio-temporal objects and related events so as to dynamically backtrack, reproduce and search the development process and status of historical events.A temporal tree data structure of events is used to realize spatio-temporal processes visualization of historical events.Adobe Flex is selected to develop and realize the corresponding algorithm and it achieves good effects.

historical event;spatio-temporal data model;event;status;spatio-temporal process;visualization

1000-3428(2014)11-0050-06

A

TP391

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.11.010

中國科學院重點部署基金資助項目(KZZD-EW-08)。

王占剛(1977-),男,博士后,主研方向:時空數據模型,三維模擬與可視化;莊大方,研究員、博士;王 勇,助理研究員、博士。

2013-10-22

2014-01-10E-mail:wangzg@lreis.ac.cn

中文引用格式:王占剛,莊大方,王 勇.歷史事件時空過程描述及其可視化研究［J］.計算機工程,2014,40(11):50-55.

英文引用格式:Wang Zhangang,Zhuang Dafang,Wang Yong.Research on Spatio-temporal Processes Description of Historical Events and Its Visualization［J］.Computer Engineering,2014,40(11):50-55.