基于時(shí)空本體的智慧城市交通信息關(guān)聯(lián)一體化管理

徐躍躍 ，李景文，胡泊，陸妍玲

(1.桂林理工大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，廣西桂林 541004; 2.廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(桂林理工大學(xué))，廣西桂林 541004)

1 引 言

時(shí)空數(shù)據(jù)模型作為時(shí)態(tài)地理空間數(shù)據(jù)特征的抽象，是人們認(rèn)識(shí)和表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界地理現(xiàn)象的方法和手段，是GIS 空間數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)［1～2］。隨著智慧城市建設(shè)和城市信息化的快速發(fā)展，時(shí)空數(shù)據(jù)模型對(duì)地理實(shí)體的描述和地理信息的邏輯表達(dá)提出了更高的要求。近年來(lái)，眾多學(xué)者從GIS 語(yǔ)義數(shù)據(jù)模型、面向?qū)嶓w時(shí)空數(shù)據(jù)模型、面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型等方面進(jìn)行了深入的研究，在一定程度上解決了數(shù)據(jù)的組織、存儲(chǔ)及共享問(wèn)題［3～6］。這些模型主要從數(shù)據(jù)及語(yǔ)義模型的存在問(wèn)題出發(fā)，重點(diǎn)突出數(shù)據(jù)的組織存儲(chǔ)研究，但缺乏對(duì)地理實(shí)體的語(yǔ)義及邏輯結(jié)構(gòu)的表達(dá)，不同系統(tǒng)間易造成語(yǔ)義理解誤差甚至錯(cuò)誤，不能很好滿(mǎn)足各行各業(yè)對(duì)地理信息共建共享的需求。基于此，本文以本體為主線(xiàn)，構(gòu)建了基于本體的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，并對(duì)智慧城市交通數(shù)據(jù)的組織管理模式進(jìn)行了研究，為智慧城市建設(shè)、城市空間信息的管理、交換和共享機(jī)制建設(shè)提供了借鑒。

2 時(shí)空本體模型構(gòu)建

基于本體的時(shí)空數(shù)據(jù)模型把地理現(xiàn)實(shí)抽象成地理實(shí)體及實(shí)體間的邏輯關(guān)系，其邏輯模型的構(gòu)建主要包括實(shí)體的組織表達(dá)及本體的建立兩個(gè)方面。

2.1 地理實(shí)體的表達(dá)

地理實(shí)體的構(gòu)成具有多樣性，利用面向?qū)ο蟮幕颈磉_(dá)地理實(shí)體的特征，既可以反映其獨(dú)有的時(shí)間信息、空間信息、屬性信息和操作方法，也可以表達(dá)地理實(shí)體之間的時(shí)空語(yǔ)義關(guān)系。因此，地理實(shí)體對(duì)象可用以下四元組來(lái)表達(dá)［7］:

O={ID，A，R，M}

其中，ID 是地理實(shí)體對(duì)象的唯一標(biāo)識(shí)碼;A 表示對(duì)象的屬性，A={TA，SA，TA}，TA 是時(shí)間屬性，SA 是空間屬性，TA 是專(zhuān)題屬性;R 表示對(duì)象的關(guān)系，R ={TR，SPR，SIR}，TR 是時(shí)間關(guān)系，SPR 是空間關(guān)系，SIR是語(yǔ)義關(guān)系;M 是對(duì)象所具有的操作和方法。

2.2 時(shí)空本體的建立

時(shí)空本體是描述時(shí)空對(duì)象的概念以及概念間關(guān)系的一種形式化規(guī)范體系，是實(shí)現(xiàn)時(shí)空信息共享與重用的一種標(biāo)準(zhǔn)性工具，它可以對(duì)時(shí)空對(duì)象進(jìn)行特征分類(lèi)［8］。時(shí)空本體由時(shí)空對(duì)象(objects)、鄰居(neighbors)、有限的狀態(tài)(stats)以及時(shí)空過(guò)程(process)所構(gòu)成，并且能夠被形式化地表示為四元組的結(jié)構(gòu):

TSO=(Od，N，S，P)

公式中，TSO 是時(shí)空本體的簡(jiǎn)寫(xiě);d 表示時(shí)空對(duì)象具有的維度，取值為正整數(shù);O 表示時(shí)空對(duì)象所處的地理空間;N 表示時(shí)空對(duì)象的鄰居;S 表示時(shí)空對(duì)象具有的狀態(tài)組成的集合;P 表示一種過(guò)程變化的規(guī)則。

時(shí)空本體模型如圖1所示。

時(shí)空本體模型把地理現(xiàn)實(shí)抽象為地理實(shí)體，根據(jù)地理實(shí)體的概念以及概念間的邏輯關(guān)系構(gòu)建地理時(shí)空本體，時(shí)空地理本體模型的核心是由時(shí)態(tài)、空間、屬性三個(gè)方面的特征構(gòu)成的地理要素。時(shí)態(tài)特征的描述采用的是時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間段或者二者相結(jié)合的方式，用圖1中時(shí)態(tài)模型來(lái)表示;空間特征包括實(shí)體所處的地理空間位置及其幾何形狀，如圖1中空間關(guān)系模型和幾何模型所示;屬性特征則是地理實(shí)體的其他非時(shí)空特征，在該模型中用元數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，如圖1中要素模型所示。

圖1 時(shí)空本體模型

在時(shí)空本體模型中，要素模型主要由要素、空間對(duì)象、位置描述以及元數(shù)據(jù)幾類(lèi)組成。其中要素類(lèi)是模型的核心，反映地理要素的概念以及位置和形狀方面的特征。要素的“形狀”反應(yīng)了對(duì)象的空間特征，通過(guò)bounded By 屬性與幾何形狀的類(lèi)(Geometry)關(guān)聯(lián);要素的“位置”描述對(duì)象的地理坐標(biāo)，與描述空間位置的類(lèi)之間的關(guān)聯(lián)通過(guò)location 屬性實(shí)現(xiàn)。要素類(lèi)是由其父類(lèi)空間對(duì)象類(lèi)(Spatial Thing)產(chǎn)生的，空間對(duì)象類(lèi)主要對(duì)空間對(duì)象的屬性特征進(jìn)行了描述，屬性特征與元數(shù)據(jù)類(lèi)的關(guān)聯(lián)通過(guò)metadata 屬性實(shí)現(xiàn)。

時(shí)空本體模型中的幾何模型主要由位置坐標(biāo)、基元圖形中的點(diǎn)、線(xiàn)、面、環(huán)等圖形及它們形成的聚合圖形。幾何模型中的基礎(chǔ)類(lèi)是幾何坐標(biāo)類(lèi)，點(diǎn)圖形的表達(dá)可以采用三種地理位置坐標(biāo)中的任一種。

時(shí)空本體模型中的空間關(guān)系模型的主要作用是為了表達(dá)拓?fù)潢P(guān)系、方位關(guān)系和距離關(guān)系三種空間關(guān)系，它的實(shí)現(xiàn)需要借助于OWL 本體描述語(yǔ)言里面的對(duì)象屬性。

時(shí)態(tài)模型是為了方便對(duì)地理空間信息的時(shí)間屬性進(jìn)行組織表達(dá)，時(shí)間段和時(shí)間點(diǎn)都是構(gòu)成時(shí)間本體的基元。對(duì)時(shí)間信息的描述有基于ISO 8601 標(biāo)準(zhǔn)的、GPS 時(shí)間、UNIX 時(shí)間、描述順序參考系統(tǒng)中某個(gè)時(shí)代參考的URI 值等等。時(shí)間段在時(shí)間上的位置表示用開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)來(lái)描述，它是表達(dá)時(shí)間范圍的一維幾何基元并采用OWL 語(yǔ)言進(jìn)行描述;對(duì)地理實(shí)體的具體數(shù)據(jù)采用對(duì)象封裝的表達(dá)方式分層組織，本體和實(shí)體數(shù)據(jù)最終統(tǒng)一存放在Oracle Spatial 對(duì)象——關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3 城市交通數(shù)據(jù)組織管理

在智慧城市交通系統(tǒng)建設(shè)中，交通數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，面對(duì)海量、時(shí)變、多源、異構(gòu)的交通數(shù)據(jù)，如何對(duì)其進(jìn)行綜合管理，并從中抽取相關(guān)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而形成所需信息以提供特定的應(yīng)用需求，成為充分發(fā)揮交通數(shù)據(jù)資源應(yīng)有作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此迫切需要建立合理的數(shù)據(jù)模型和有效、統(tǒng)一的管理系統(tǒng)［9］。

3.1 城市交通本體構(gòu)建

(1)城市交通實(shí)體的抽象

依據(jù)基于本體的時(shí)空數(shù)據(jù)模型建模方法，本文通過(guò)對(duì)城市道路交通實(shí)體進(jìn)行概念化和抽象分層，如表1所示。

表1 城市道路實(shí)體的抽象

本文將城市交通本體的構(gòu)建分為三個(gè)方面:城市交通實(shí)體類(lèi)本體;城市交通時(shí)空語(yǔ)義關(guān)系類(lèi)本體;城市交通邏輯關(guān)系類(lèi)本體。

(2)城市交通實(shí)體類(lèi)本體構(gòu)建

根據(jù)本文提出的城市道路交通實(shí)體分類(lèi)方法，城市道路的分類(lèi)可用OWL 描述為圖2所示，其他類(lèi)的描述方法類(lèi)同。

圖2 城市道路交通實(shí)體類(lèi)本體的OWL 描述

(3)城市交通時(shí)空語(yǔ)義關(guān)系類(lèi)本體構(gòu)建

時(shí)空語(yǔ)義關(guān)系本體用來(lái)描述道路實(shí)體間復(fù)雜的時(shí)空語(yǔ)義關(guān)系，例如道路實(shí)體間的方位關(guān)系可以描述為:

(4)城市交通邏輯關(guān)系類(lèi)本體構(gòu)建

邏輯關(guān)系是指城市道路實(shí)體之間的相互關(guān)系和城市道路各實(shí)體內(nèi)部要素的關(guān)系，分為kind －of 和part －of 兩類(lèi)。kind－of 類(lèi)用于表示道路和路段、道路交叉口的關(guān)系，在OWL 中采用subClassOf 來(lái)描述;part －of 類(lèi)主要描述路段和車(chē)行道、人行道、盲道、隧道、橋梁、道路附屬設(shè)施之間的關(guān)系，在OWL 中采用union－of 來(lái)描述。

道路與路段、道路交叉口的關(guān)系可以表示為:

路段與車(chē)行道、人行道、橋梁的關(guān)系可以表示為:

3.2 城市交通本體信息的管理

基于本體的時(shí)空數(shù)據(jù)模型將城市道路本體按照模型的要求存儲(chǔ)在Oracle Spatial 對(duì)象——關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，每個(gè)道路實(shí)體占用一條記錄，圖形信息存放在SDO_GEOMETRY 字段中，數(shù)據(jù)庫(kù)表之間通過(guò)對(duì)象標(biāo)識(shí)建立聯(lián)系［10］。

數(shù)據(jù)庫(kù)表主要包括道路表、路段表、道路交叉口表、道路附屬設(shè)施表以及道路實(shí)體關(guān)系表，其中，道路交叉口表和道路部件表存儲(chǔ)簡(jiǎn)單對(duì)象信息;道路表和路段表不存儲(chǔ)對(duì)象的位置信息，只存儲(chǔ)組合對(duì)象信息和簡(jiǎn)單對(duì)象的地址信息;道路實(shí)體關(guān)系表存儲(chǔ)實(shí)體間的邏輯關(guān)系，各表之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 城市道路信息的組織與管理

4 智慧城市交通信息關(guān)聯(lián)一體化管理

4.1 與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)

與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)以后的城市道路數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)具有統(tǒng)一管理多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特征，能夠綜合利用多種數(shù)據(jù)處理方法來(lái)滿(mǎn)足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、分析評(píng)價(jià)、查詢(xún)檢索、輸出表達(dá)等方面的要求。專(zhuān)題數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)分為物理關(guān)聯(lián)和邏輯關(guān)聯(lián)兩類(lèi)。

(1)物理關(guān)聯(lián)

交通數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)間的物理關(guān)聯(lián)即是采用統(tǒng)一的參考平面坐標(biāo)系統(tǒng)，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確地將交通數(shù)據(jù)的位置信息標(biāo)識(shí)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與交通數(shù)據(jù)在物理上的集成。通過(guò)物理關(guān)聯(lián)，交通部門(mén)的管理人員就可以檢索和定位所需路段的位置情況，如圖4所示。

圖4 交通數(shù)據(jù)間的物理關(guān)聯(lián)

從對(duì)象的橫向組織上來(lái)看，由于各種類(lèi)型對(duì)象的數(shù)據(jù)在入庫(kù)以前都經(jīng)過(guò)幾何配準(zhǔn)，這就保證了它們的地理坐標(biāo)和投影系統(tǒng)在空間位置上的匹配性，使所有空間對(duì)象都可以準(zhǔn)確地集成在一起;從對(duì)象的縱向組織上來(lái)看，由于每個(gè)圖層中的空間對(duì)象都是以統(tǒng)一的參考平面坐標(biāo)系統(tǒng)作為基準(zhǔn)，確定并記錄了其坐標(biāo)值，保證了不同圖層中空間對(duì)象相對(duì)位置的客觀性、現(xiàn)實(shí)性與一致性，有效地實(shí)現(xiàn)交通數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在物理上的集成。

(2)邏輯關(guān)聯(lián)

交通數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)間的邏輯關(guān)聯(lián)是指通過(guò)關(guān)聯(lián)屬性這個(gè)橋梁來(lái)連接交通數(shù)據(jù)子庫(kù)和基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)信息，以實(shí)現(xiàn)雙方的信息交流和傳遞。通過(guò)關(guān)聯(lián)，能方便地將交通數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，交通部門(mén)的管理人員可以查詢(xún)和分析所關(guān)心路段的交通信息和周?chē)沫h(huán)境。

例如，交通部門(mén)對(duì)某路段進(jìn)行項(xiàng)目改造時(shí)，需要了解該路段的路面結(jié)構(gòu)、車(chē)道屬性和附屬設(shè)施建設(shè)情況等內(nèi)容，可以通過(guò)該路段對(duì)象的唯一ID(212005001)調(diào)閱路段的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)改造項(xiàng)目設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)辦人將該項(xiàng)目的項(xiàng)目編號(hào)(XT0772)與項(xiàng)目一起提交到交通數(shù)據(jù)庫(kù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中，在上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)審批時(shí)，可以根據(jù)項(xiàng)目編號(hào)直接定位到該路段上，或根據(jù)該路段的屬性信息查詢(xún)其項(xiàng)目編號(hào)。

4.2 與其他專(zhuān)題數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)

在一種類(lèi)型專(zhuān)題數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用過(guò)程中，很多情況下需要用到或參考其他類(lèi)型的專(zhuān)題數(shù)據(jù)，若參考與關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)不符合應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，則需要修改或更新應(yīng)用數(shù)據(jù)，專(zhuān)題數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)只涉及邏輯關(guān)聯(lián)。

以交通類(lèi)信息中的路段為例，當(dāng)交通管理部門(mén)對(duì)一個(gè)路段的信息進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)會(huì)給它分配一個(gè)關(guān)聯(lián)編號(hào)，如301103150，并將其與其他信息一起存入數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)的表中，當(dāng)規(guī)劃部門(mén)對(duì)此路段進(jìn)行規(guī)劃時(shí)需要相應(yīng)的路段類(lèi)型、所屬位置、綠化帶范圍、附屬設(shè)施建設(shè)等信息作為該路段擴(kuò)建、改建或拆除等規(guī)劃的參考，這時(shí)，規(guī)劃管理信息系統(tǒng)就需要取出該關(guān)聯(lián)編號(hào)301103150，并與規(guī)劃的其他信息一起存入數(shù)據(jù)庫(kù)表中。

5 結(jié) 論

隨著信息化進(jìn)程的加快，海量異構(gòu)數(shù)據(jù)不斷積累，不同領(lǐng)域由于觀察背景和視角不同，在空間數(shù)據(jù)的處理中，對(duì)同一地理實(shí)體往往采用不同的命名方法，缺乏統(tǒng)一的語(yǔ)義描述，使得信息的交流與共享產(chǎn)生了障礙，在浪費(fèi)國(guó)家資源的同時(shí)也給智慧城市的建設(shè)帶來(lái)了很大的困難。基于此，本文采用基于本體的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，對(duì)城市交通數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的組織，通過(guò)建立物理上和邏輯上的兩種關(guān)聯(lián)關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)城市交通信息關(guān)聯(lián)一體化的管理。同時(shí)也為解決不同領(lǐng)域間信息共享問(wèn)題提供了新思路。

［1］宋瑋．時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］．水利電力機(jī)械，2005，2，27(1):58 ～60．

［2］吳立新，龔健雅，徐磊等．關(guān)于空間數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)模型的思考［J］．地理信息世界，2005，3(2):41 ～51．

［3］陳常松．地理信息分類(lèi)體系在GIS 語(yǔ)義數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)中的作用［J］．測(cè)繪通報(bào)，1998(8):17 ～20．

［4］陳常松，何建邦．面向數(shù)據(jù)共享目的的GIS 語(yǔ)義數(shù)據(jù)模型［J］．中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，1999，4(1):13 ～18．

［5］葉亞琴，左澤均，陳波．面向?qū)嶓w的空間數(shù)據(jù)模型［J］．地球科學(xué)——中國(guó)地質(zhì)大學(xué)報(bào)，2006，31(5):595 ～560．

［6］李景文，劉軍鋒，周文婷等．基于地理認(rèn)知的空間數(shù)據(jù)模型描述方法［J］．工程勘察，2009(1):59 ～63．

［7］梁艷艷．基于地理本體的面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型及其應(yīng)用研究［D］．桂林:桂林理工大學(xué)，2013．

［8］李德仁，王泉．基于時(shí)空模糊本體的交通領(lǐng)域知識(shí)建模［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2009，34(6):631 ～635．

［9］張可，王笑京，劉浩．交通信息提取計(jì)算理論及其技術(shù)框架與發(fā)展策略［J］．公路交通科技，2007，24(4):134 ～139．

［10］李明，葉曉俊．對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究［J］．計(jì)算機(jī)科學(xué)，2003，30(8):73 ～75．