基于時空基態修正的三維電子地圖設計與實現

黃麗娜，闞子涵， 李冬琳

（1.武漢大學 資源與環境科學學院，湖北 武漢 430079）

基于時空基態修正的三維電子地圖設計與實現

黃麗娜1，闞子涵1， 李冬琳1

（1.武漢大學 資源與環境科學學院，湖北 武漢 430079）

在分析幾種基態修正模型特點的基礎上，研究一種適合于表達時空信息回溯與演變的三維時空數據模型。首先建立初始時期的基態三維模型，再按照預先設置的時間粒度由遠及近建立各歷史時期的基態修正模型,并將其應用于三維場景的組織和管理，進行校園三維電子地圖原型系統的設計與開發，實現校園時空信息的回溯與演變。初步實驗表明，本研究提出的基態增量模型具有存儲三維數據冗余量小、數據組織和管理較為高效的特點。

三維地圖；時空數據模型；基態增量；時態GIS

目前，廣泛應用于生產生活的地理信息系統可分為靜態GIS與時態GIS兩類[1,2]。靜態GIS只能反映某一地區的瞬時地理情況，不能反映歷史的發展和變遷，也不能預測未來的發展情況。時態GIS是一種采集、存儲、管理、分析與顯示地理實體隨時間變化信息（或時空信息）的計算機系統[2]。時態GIS的核心是時空數據模型[3]，即將地理實體的時間特征、空間特征、屬性特征恰當地組織起來，準確反映地理實體的狀態和演變過程。

1992年，Gail Langran提出文件系統支持下的時空立方體模型、連續快照模型、基態修正模型、時空復合模型4種時空數據模型[4]，標志著GIS時空數據建模的正式開始[5]。隨后國內外很多學者都做了這方面的嘗試。例如，Raafat以一個交通網為例，提出一種符合第一范式關系的時空數據模型，并闡述了歷史GIS空間拓撲關系[2]；閆宏斌利用歷史庫、過程庫、現實庫對時空過程和時空關系進行描述、模擬，擴展了基態修正模型[6]；曹偉、花向紅等采用面向對象的時空模型，將時態GIS應用于地籍管理信息系統[3]；薛存金、周成虎等以連續漸變地理實體的表達、組織、存儲為研究對象，提出了面向過程的時空數據模型[7]。這些理論豐富了時空數據模型以及時態GIS的內涵，推進了時態GIS的發展。但是，以上研究多停留在二維平面數據的時空組織上，如今更需要一種適合于三維模型的時空數據組織方案來反映某一地區三維場景的時空變化。

在現有的時空數據組織模型中，基態修正模型具有存儲量小、易于進行時態變化分析的特點[6]。基于此，本文在分析基態修正的時空數據模型特點的基礎上，設計一種適用于三維模型的時空數據組織方法，通過對三維模型的基態修正信息進行增量式存儲與調度，實現三維GIS中時空變化信息的有效表達。

1 基于基態修正的時空數據組織

1.1 基態修正模型的基本原理

基態修正模型的基本思想是把某一地理區域的當前狀態作為基態，將其歷史狀態作為對基態的修正。實現過程為：首先存儲某一區域地理現象的初始狀態（基態），再按照一定的時間間隔存儲發生變化的地理現象，即新舊狀態的信息差。那么，某個時刻的地理現象，理論上應該是通過對之前所有時間段地理現象進行邏輯累加的結果。這種存儲方式由于沒有單獨存儲每個時間點的完整的地理現象，而是只存儲部分變化的現象，具有數據冗余較少、便于數據傳輸、能表述地物目標的時空變化過程等優勢[8]。

目前，時空數據模型主要有5種基態修正方式[9-11]，如圖1所示。

圖1a中，將當前狀態設為基態，將每個歷史時間點相比于基態的變化數據存儲為一個文件。圖1b為圖1a的改良，即每個歷史時期存放的是相比于上個歷史時期的變化數據。顯然，圖1b比圖1a減少了數據的冗余，但是由于把當前狀態存儲為基態，所以當追溯的歷史時期較為久遠時，檢索所需的時間復雜度將大大提高。圖1c和圖1d分別用分級索引的方法，將中間點也存為基態，這樣調用后面的歷史時期時，可以降低檢索的時間復雜度，但是數據的存儲量也會增加。圖1e為動態多級檢索方法[11]，即在檢索過程中，動態創建多個基態，可大大縮減索引的時間。但是動態基態的創建同樣會增加數據的存儲量，當創建多個基態時，將會造成大量的數據冗余。

圖1 5種基態修正模型

1.2 基于基態修正的數據組織方法

若需要再現地理目標或現象隨時間的變化過程，且這種變化可以抽象為目標的增加或減少時，采用基態修正模型可有效地進行時空數據組織。將地理目標或現象最原始的狀態作為基態，再存儲每一時期相對于上一時期的修正數據，以此降低數據文件的存儲量。

在三維GIS的時空信息可視化表達中，為了降低三維數據模型存儲的復雜性，可以將三維模型的變化抽象為增加過程。對于作為基態的三維數據模型，當新空間目標出現時，對應于新三維模型的正增加；當原空間目標消失時，對應原三維模型的負增加；若空間目標發生變化，則對應于三維模型的變化經歷了先負增加再正增加2個階段。對圖1b中模型進行改進，三維時空數據的基態修正組織模型如圖2所示。

圖2 三維時空數據的基態修正組織模型

圖2將歷史時期分為6個時間段，以“1930年以前”這一時期作為基態，“1930年”文件存儲相比于“1930年以前”增加的數據，“1950年”文件存儲相比于“1930年”增加的數據。依此類推，每個時間文件存儲的都是相比于上一個時間的“增量”。在圖2中，“增量”一行為當前文件實際存儲的數據，“增量累加后的結果”一行表示的是當前時期的實際數據。這樣每個時間文件只需存儲相比上一時間的“增量”，大大降低了數據量。三維模型增量數據調度流程如圖3所示。

圖3 三維模型調度流程圖

2 時態三維電子地圖的設計與實現

為驗證本文提出的基于基態修正的三維時空數據組織方案的可行性，以武漢大學文理學部校園為實驗樣區，利用ArcGIS 9.3和Google SketchUp 6的相關功能模塊制作校園三維時態電子地圖，對武漢大學文理學部自1930年至今的校園場景變化過程進行再現。

2.1 三維模型的基態增量組織

我們將武漢大學最原始的狀態作為基態，建立校園地物三維模型，然后將不同歷史時期的增量變化信息進行三維建模和存儲。當對某一時期的校園三維場景進行可視化表達時，相當于對前一歷史時期的基態三維場景進行修正。

從可操作性的角度出發，我們根據校園歷史建筑的不同發展時期設立顯示時間節點，然后建立對應時間圖層分別存儲在對應的增量數據集中，如表1所示。

2.2 動態三維電子地圖的實現效果

本文在VS2008環境下，通過ArcEngine二次開發，編寫C#程序開發應用界面并加載ArcScene中的模型數據，通過圖層管理不同時期的增量數據。三維電子地圖場景的時態變化信息顯示如圖4所示。

表1 基于基態修正模型的數據組織情況

圖4 武漢大學校園三維電子地圖時態信息變化顯示效果

3 結 語

本文將基態增量數據模型用于三維模型的數據組織，并通過基態增量的方式將三維GIS與時態GIS結合起來，進行武漢大學校園時空信息變化的可視化，為動態三維電子地圖的數據組織研究提供實證。實驗表明，在三維GIS的環境下，本文所使用的基態增量模型所存儲的數據量為最小，數據組織和管理更為高效。但是當數據量增大時，數據的調度效率就會降低。如何將本文的基態增量模型進行完善以適合大數據量的組織和管理，是本模型需要繼續研究的問題。

[1] 吳信才，曹志月.時態GIS的基本功能、概念及實現方法[J].地球科學：中國地質大學學報，2002,27(3):241-245

[2] 王家耀，魏海平，成毅，等.時空GIS的研究與進展[J].海洋測繪，2004,24(5):1-4

[3] 曹偉，花向紅，許躍民.時態GIS及其應用[J].地理空間信息，2005,3(6):31-38

[4] Langrang G. Time in Geographic Information Systems Technical Issues in GIS [M].London : Taylor & Francis Ltd1 ,1992

[5] 王賀封.時空數據模型及TGIS研究[J].測繪與空間地理信息，2006,29(4):11-13

[6] 閆宏斌.時態GIS數據模型及基態修正時空數據模型的擴展[J].三晉測繪，2002,9(3-4):41-45

[7] 薛存金，周成虎，蘇奮振，等.面向過程的時空數據模型研究[J].測繪學報，2010,39(1):95-101

[8] 林艷，劉萬增，韓剛.基態修正的GIS數據庫增量更新建模[J].測繪科學，2012,37(4):199-201

[9] Langran G,Chrisman N R. A Framework for Temporal Geographic Information [J].Cartographica,1988,25:1-14

[10] 張祖勛，黃明智.時態GIS數據結構的研討[J].測繪通報，1996(1):19-22

[11] 曹志月，劉岳.一種面向對象的時空數據模型[J].測繪學報，2001,31(1):87-92

P208

B

1672-4623（2015）01-0165-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.055

黃麗娜，博士，講師，主要從事地理信息可視化研究。

2013-11-11。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41101448、51008138）；國家基礎科學人才培養基金資助項目（J1103409）。