一種基于事件的雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型

劉 飛,何 珍 文，鄭 新 奇

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

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一種基于事件的雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型

劉 飛1，2,何 珍 文2，鄭 新 奇1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

針對現(xiàn)有時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究中存在的諸多不足，特別是基于事件的時(shí)空模型缺乏以空間對象個(gè)體為單位的時(shí)空變化貫穿式表達(dá)能力等缺點(diǎn)，提出一種基于事件的雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型，將狀態(tài)變化與空間對象的變化用雙重序列表達(dá)，用序列存儲對象的變化解決了現(xiàn)有時(shí)空數(shù)據(jù)模型基于空間對象個(gè)體時(shí)空變化信息表達(dá)能力弱的問題。實(shí)驗(yàn)表明，該模型可有效用于時(shí)空數(shù)據(jù)管理。

GIS；時(shí)空數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)模型

0 引言

空間、屬性、時(shí)間是地理實(shí)體的3個(gè)基本特征，空間、屬性特征反映了地理實(shí)體的空間分布、質(zhì)量、數(shù)量等信息，時(shí)間特征則反映了地理實(shí)體及其間在時(shí)間上的尺度關(guān)系[1]。為了表達(dá)復(fù)雜多變的地理現(xiàn)象，需將時(shí)間作為與空間同等重要的要素引入地理信息系統(tǒng)中，即時(shí)空GIS。而時(shí)空數(shù)據(jù)模型作為時(shí)空GIS的基礎(chǔ)和前提，是當(dāng)前的核心研究問題之一。

目前常用的時(shí)空數(shù)據(jù)模型大體可分為兩類。一類是基于空間的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，就是在空間模型的基礎(chǔ)上擴(kuò)展時(shí)間維，將時(shí)間引入空間數(shù)據(jù)之中，它包括基于位置的時(shí)空數(shù)據(jù)模型、基于對象的時(shí)空數(shù)據(jù)模型等。如時(shí)空立方體模型(Space-time Cube Data Model)[2]、時(shí)空復(fù)合模型(Space-time Composite Data Model)[3]、序列快照模型(Sequential Snapshots Data Model)[4]、基態(tài)修正模型(Base State with Amendments Data Model)[2]、多基態(tài)修正模型[5-7]和面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型(Object-oriented Spatio-temporal Data Model)[8-10]等。在這些模型中，時(shí)間大多表現(xiàn)為某一狀態(tài)或?qū)ο蟮膶傩裕瑐?cè)重于對狀態(tài)或?qū)ο蟮拿枋鯷11,12]，對時(shí)空變化的表達(dá)能力較弱。另一類是基于時(shí)間的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，就是以時(shí)間模型為基礎(chǔ)，增加空間維度的數(shù)據(jù)描述，將空間引入時(shí)間變化之中。其中，基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型(Event-Based Spatio-temporal Data Model)[13]最為典型，其在時(shí)序關(guān)系表達(dá)方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，被大量研究者所接納[14-17]，但存在如下缺點(diǎn)：無法將時(shí)態(tài)信息同個(gè)體特征關(guān)聯(lián)，不能表達(dá)空間對象個(gè)體特征的時(shí)空變化，同一空間對象在時(shí)間維度上的變化信息被分解或分隔成多個(gè)片段，對應(yīng)在不同事件中，不能很好地描述空間個(gè)體特征的時(shí)空變化。

本文針對基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型的不足，提出一種優(yōu)化改進(jìn)的模型——雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型，將狀態(tài)變化與空間對象的變化用雙重序列表達(dá)，使時(shí)空變化信息同個(gè)體特征聯(lián)系，更好地反映空間對象個(gè)體變化的因果關(guān)系。

1 傳統(tǒng)基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型分析

1995年P(guān)euquet等從時(shí)間角度提出了基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型[13,18]，按時(shí)間順序把狀態(tài)的時(shí)空變化作為一系列事件組成事件列表，在事件的屬性中加上時(shí)間，新發(fā)生的事件被追加到事件序列的尾部，列表中每一事件與描述事件所引起的一系列空間對象變化的一組記錄相連。目前，基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型主要采用的是柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，描述的是基于位置的時(shí)空變化，空間對象由一系列柵格單元表示，而每一事件記錄的則是基于柵格單元的變化信息，如圖1所示。

圖1 基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型

Fig.1 Event-based spatio-temporal data model

盡管基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究已取得了很多進(jìn)展，但其對空間實(shí)體的延續(xù)性表達(dá)、時(shí)間空間的統(tǒng)一性等問題的處理仍存在不足，具體表現(xiàn)為：1)基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型僅描述了變化后的狀態(tài)，并沒有對變化發(fā)生前后的狀態(tài)進(jìn)行完整地記錄，使時(shí)態(tài)查詢變得困難[9]；2)目前基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型大多是基于柵格位置的，雖然將時(shí)態(tài)信息同位置關(guān)聯(lián)，便于比較基于位置的歷史變化，但無法將時(shí)態(tài)信息同實(shí)體對象關(guān)聯(lián)，不能很好地描述空間實(shí)體的時(shí)空變化；3)基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型在體現(xiàn)空間對象的連續(xù)性與同一性等方面存在不足,同一空間對象在時(shí)間維度上的變化信息被分解或分隔成多個(gè)片段，對應(yīng)在不同事件中，空間上的時(shí)態(tài)查詢效率不高。

針對現(xiàn)有基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型的種種不足，許多學(xué)者提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)。如牛方曲等[14]提出在原有模型記錄發(fā)生變化后的狀態(tài)的基礎(chǔ)上，同時(shí)記錄事件發(fā)生之前的狀態(tài)，使得完整記錄變化過程以便時(shí)態(tài)查詢，但依然無法表達(dá)空間個(gè)體的變化。還有的學(xué)者[11,12]提出，在記錄空間實(shí)體變化的事件序列的基礎(chǔ)上，以空間實(shí)體作為發(fā)生變化的對象，每一事件指向一組發(fā)生變化的對象，分別記錄不同對象發(fā)生變化前后的父對象和子對象，實(shí)現(xiàn)空間對象變化的描述，但每一事件均會將發(fā)生變化的對象以新對象的形式存儲，同一空間實(shí)體在存儲上存在不同一性。

2 基于事件的雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型

2.1 事件與變化

事件引起空間對象狀態(tài)的一次變化，根據(jù)事件引起的變化不同，可以將變化劃分為屬性變化、幾何形態(tài)變化、空間位置變化3種。對于屬性變化而言，發(fā)生變化的是空間對象本身的屬性，如水質(zhì)的變化、所有權(quán)的變更等；對于幾何形態(tài)變化而言，發(fā)生變化的是空間對象的幾何形狀，如植物的生長、道路的拓寬等；而對于空間位置變化而言，發(fā)生變化的則是空間對象的空間位置，如物體的運(yùn)動等。

在現(xiàn)實(shí)世界中幾何形態(tài)的變化和空間位置的變化往往是相伴而生的，幾何形態(tài)的變化導(dǎo)致空間位置發(fā)生變化，而空間位置的變化又包含著幾何形態(tài)的變化。如建筑物的拆除新建，其既改變了建筑物原有的形態(tài)特征，又改變了建筑物的原有空間位置。因而，又可以將幾何形態(tài)變化與空間位置變化共同歸為空間特征變化。

2.2 模型設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文在基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，對其不足加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)新的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，旨在使其實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)：1)完整地記錄整個(gè)空間世界所有實(shí)體對象的變化過程，使得時(shí)態(tài)查詢更易實(shí)現(xiàn)；2)將時(shí)態(tài)信息同地理空間的個(gè)體對象關(guān)聯(lián)，分別記錄每一空間實(shí)體從產(chǎn)生到消亡的整個(gè)變化過程，使得個(gè)體對象自身的時(shí)空變化過程被完整記錄，亦使基于個(gè)體對象的時(shí)態(tài)查詢易于實(shí)現(xiàn)；3)利用空間數(shù)據(jù)模型對空間中實(shí)體對象的描述方式，使時(shí)空數(shù)據(jù)模型在表達(dá)時(shí)態(tài)信息的同時(shí)將地理空間中的實(shí)體作為對象來處理，保存空間中實(shí)體與實(shí)體之間存在空間拓?fù)潢P(guān)系，以實(shí)現(xiàn)空間中實(shí)體對象的空間查詢與分析；4)解決基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型在體現(xiàn)空間對象的連續(xù)性與同一性等方面存在的不足，將同一空間實(shí)體在不同事件中發(fā)生的多次變化都記錄在同一對象對應(yīng)的同一套描述中，變化信息順序存放，使其表達(dá)空間對象在時(shí)間上的連續(xù)性，亦使空間對象在存儲上保持時(shí)空變化前后的同一性，提高基于個(gè)體的時(shí)態(tài)查詢效率；5)嘗試建立不同空間對象變化序列間的聯(lián)系或查詢關(guān)系，使基于空間實(shí)體的時(shí)空一體化分析成為可能。

2.3 概念模型設(shè)計(jì)

針對當(dāng)前基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型缺乏描述空間實(shí)體對象個(gè)體時(shí)空變化能力的缺點(diǎn)，本文提出一種新的基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型——雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型，雙重序列的概念如圖2所示。

圖2 雙重序列概念設(shè)計(jì)

Fig.2 Conceptual design for dual-list

該模型使用基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型作為原型，以空間實(shí)體對象作為時(shí)空信息記錄與描述的樞紐，通過雙重的變化序列記錄空間實(shí)體對象的時(shí)空變化信息。雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型首先將空間實(shí)體狀態(tài)的每一次變化按發(fā)生的先后順序排列，每一次狀態(tài)的變化對應(yīng)于一個(gè)事件，并將所有變化通過一個(gè)事件變化序列來記錄，即第一重變化序列，事件序列中的每一事件分別對應(yīng)一組發(fā)生變化的若干個(gè)空間實(shí)體對象，空間實(shí)體對象采用空間數(shù)據(jù)模型來表達(dá)，依據(jù)事件可引起的兩種變化(即屬性變化與空間特征變化)，每個(gè)空間實(shí)體對象又分別連接各自僅有的兩個(gè)變化序列表，分別用于記錄每一實(shí)體對象各自的屬性變化和空間特征變化，即構(gòu)成了模型的第二重變化序列。對于同一空間實(shí)體對象的多次屬性變化而言，按發(fā)生的先后順序，將不同事件導(dǎo)致的屬性值變化記錄在該空間對象所連接的唯一屬性變化序列中，從而描述個(gè)體特征屬性的時(shí)空變化歷史；而對于同一空間對象的多次空間特征變化而言，同樣按發(fā)生的先后順序，將不同事件導(dǎo)致的空間特征變化記錄在該空間對象所連接的唯一空間位置變化序列中，從而描述空間對象各自空間位置的時(shí)空變化歷史，如圖3所示。

圖3 基于事件的雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型

Fig.3 Event-based dual-lists spatio-temporal data model

2.4 邏輯模型設(shè)計(jì)

參仿類UML建模語言面向?qū)ο蟮慕７椒ǎ瑢谑录碾p序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)(圖4)。圖中EventList為事件序列，即第一重序列；Event為某一次事件，記錄了事件的發(fā)生時(shí)刻等事件的屬性；每一事件又分別對應(yīng)若干發(fā)生變化的對象Object，其變化對應(yīng)于不同的類型，即Location Alteration或Attribute Alteration；每一對象除靜態(tài)記錄各自生命周期的起始事件與終止事件外，分別關(guān)聯(lián)各自的兩個(gè)變化序列，即Location AlterationList與Attribute AlterationList，構(gòu)成了雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型的第二重序列。

事件序列表達(dá)為：

Event(i) =f(EIDi,ETi,SOIDi,EOIDi,EAi)

(1)

式中:EIDi表示事件的標(biāo)識號，ETi表示事件的發(fā)生時(shí)刻，SOIDi表示空間對象發(fā)生變化前對象的標(biāo)識號，EOIDi表示空間對象發(fā)生變化后對象的標(biāo)識號，EAi表示事件的屬性。

空間對象表達(dá)為：

Object(i) =f(OIDi,OAi,SEIDi,EEIDi)

(2)

式中：OIDi表示空間對象的標(biāo)識號，OAi表示空間對象的屬性，SEIDi表示引起空間對象產(chǎn)生的事件標(biāo)識號，EEIDi表示導(dǎo)致空間對象消亡的事件標(biāo)識號。

空間對象的屬性變化序列表達(dá)為：

圖4 基于事件的雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型邏輯設(shè)計(jì)

Fig.4 Logic design for event-based dual-lists spatio-temporal data model

Attribute(OID,i)=f(OID,EIDi,ACi)

(3)

式中:OID表示發(fā)生屬性變化的空間對象的標(biāo)識號，EIDi表示引起屬性變化的事件標(biāo)識號，ACi表示屬性的變化值。

空間對象的空間位置變化序列表達(dá)為：

Location(OID,i)=f(OID,EIDi,LCi)

(4)

式中:OID表示發(fā)生空間特征變化的空間對象的標(biāo)識號，EIDi表示引起空間特征變化的事件標(biāo)識號，LCi表示空間位置的變化值。

利用UML面向?qū)ο蟮慕７椒ㄔO(shè)計(jì)雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2.5 時(shí)空變化的表達(dá)

對于空間實(shí)體的屬性變化而言，模型中對象的屬性變化序列記錄了空間實(shí)體屬性的時(shí)空變化信息，通過對象的ID可以方便地查詢或更新某一空間對象的變化歷史。用SQL語言可以表示為：

SELECT*FROM"Event" a,"Attribute(OID)" bWHEREa.EID=b.EID;

對于空間實(shí)體的空間特征變化而言，模型中對象的空間特征變化序列記錄了空間實(shí)體邊界或占據(jù)位置的時(shí)空變化信息，通過對象的ID方便查詢或更新某一空間對象邊界或占據(jù)位置的變化歷史。用SQL語言可以表示為：

SELECT*FROM"Event" a,"Location(OID)" bWHEREa.EID=b.EID;

對于空間狀態(tài)的歷史變化而言，模型中的第一重事件列表將空間狀態(tài)的時(shí)空變化作為一系列事件來記錄，每一事件又分別記錄了發(fā)生變化的對象信息。依據(jù)事件發(fā)生的時(shí)間，可以在事件列表中查詢事件引起的變化信息，并通過發(fā)生變化的對象ID和事件ID定位到發(fā)生變化實(shí)體的屬性變化信息和空間特征變化信息。用SQL語言可以表示為：

SELECTSOIDASOIDFROM"Event"WHEREETiBETWEENETfirstandETlast;

SELECT*FROM"Event","Attribute(OID)","Location(OID)"WHEREEIDIN(SELECTEIDFROM"Event"WHEREETiBETWEENETfirstandETlast);

當(dāng)空間狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，則需要在模型的第一重事件列表中將空間狀態(tài)的變化作為一個(gè)新事件來追加，事件中記錄發(fā)生變化的所有對象的ID及事件的發(fā)生時(shí)間等屬性信息，并依據(jù)發(fā)生變化的對象ID定位到發(fā)生變化對象的屬性變化序列或空間特征變化序列，以向其中分別添加事件的ID和相應(yīng)的變化信息作為序列新的記錄。用SQL語言表示為：

INSERTINTO"Event"VALUE(EIDnew,ETnew,SOIDnew,EOIDnew,EAnew);

INSERTINTO"Attribute(SOIDnew)"VALUE(SOIDnew,EIDnew,ACnew);

INSERTINTO"Location(SOIDnew)"VALUE(SOIDnew,EIDnew,LCnew);

若有新空間對象的產(chǎn)生，則應(yīng)創(chuàng)建新的對象：

INSERTINTO"Event"VALUE(EIDnew,ETnew,NULL,EOIDnew,EAnew);

INSERTINTO"Object"VALUE(EOIDnew,OAnew,EIDnew,NULL);

INSERTINTO"Attribute(EOIDnew)"VALUE(EOIDnew,EIDnew,ACnew);

INSERTINTO"Location(EOIDnew)"VALUE(EOIDnew,EIDnew,LCnew);

若有舊空間對象的滅亡，則應(yīng)結(jié)束舊的對象：

INSERTINTO"Event"VALUE(EIDnew,ETnew,SOIDnew,NULL,EAnew);

UPDATE"Object"SETEEID=EIDnewWHEREOID=SOIDnew;

INSERTINTO"Attribute(SOIDnew)"VALUE(SOIDnew,EIDnew,ACnew);

INSERTINTO"Location(EOIDnew)"VALUE(SOIDnew,EIDnew,LCnew);

3 模型的有效性分析

本文設(shè)計(jì)了基于事件的雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型(表1)，通過反映狀態(tài)變化的事件序列(即第一重變化序列)完整地記錄了整個(gè)空間世界所有實(shí)體對象的變化過程，同時(shí)，每一對象所對應(yīng)的兩個(gè)變化序列(即第二重變化序列)又分別記錄了每一空間實(shí)體從產(chǎn)生到消亡的整個(gè)變化過程。既記錄了整個(gè)空間的實(shí)體變化，又記錄了實(shí)體自身的時(shí)態(tài)變化，時(shí)空變化過程完整，時(shí)態(tài)查詢易于實(shí)現(xiàn)。

模型在基于時(shí)態(tài)表達(dá)的同時(shí)將空間實(shí)體作為對象來處理，空間中的每一實(shí)體均對應(yīng)于模型中的一個(gè)空間對象，對象與對象之間存在空間拓?fù)潢P(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)空間實(shí)體的空間查詢與分析。

模型采用雙重的變化序列，在把狀態(tài)的變化組成事件列表的基礎(chǔ)上，使每一對象又分別對應(yīng)各自的一套變化序列，將時(shí)態(tài)信息同每一空間個(gè)體相關(guān)聯(lián)，可以很好地描述每一空間實(shí)體的時(shí)空變化。

模型將同一空間實(shí)體在不同事件中發(fā)生的多次變化都記錄在同一對象對應(yīng)的同一套變化序列中，變化信息順序存放，有利于表達(dá)空間對象在時(shí)間上的連續(xù)性，可以保證空間對象存儲在時(shí)空變化前后的同一性，提高基于個(gè)體的時(shí)態(tài)查詢效率。同時(shí)，通過事件序列中發(fā)生變化的空間對象與各自的變化序列，可以建立不同空間對象變化序列間的聯(lián)系或查詢關(guān)系，使基于空間實(shí)體的時(shí)空一體化分析成為可能。

表1 雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型的優(yōu)越性對比

Table1Thesuperioritycomparisonofdual-listsspatio-temporaldatamodel

視角基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型在時(shí)空變化表達(dá)的尺度上時(shí)間序列記錄的是基于時(shí)間軸的整體狀態(tài)的變化第一重變化序列完整地記錄了整個(gè)空間世界整體的變化過程，第二重變化序列又分別記錄了每一空間實(shí)體從產(chǎn)生到消亡的整個(gè)變化過程，時(shí)空變化過程完整，時(shí)態(tài)查詢易于實(shí)現(xiàn)在空間實(shí)體變化的表達(dá)上大多是基于柵格位置，將時(shí)態(tài)信息同位置關(guān)聯(lián)，便于比較基于位置的歷史變化，不能很好地描述空間個(gè)體的時(shí)空變化將空間實(shí)體作為對象來處理，空間中的實(shí)體對應(yīng)于模型中的對象，對象與對象之間存在空間拓?fù)潢P(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)基于空間實(shí)體的空間查詢與分析在時(shí)空變化表達(dá)的層次上僅用單一時(shí)間軸線記錄空間世界整體狀態(tài)的時(shí)空變化采用雙重變化序列，既將狀態(tài)變化組成一套事件序列，又使每一對象對應(yīng)各自的一套變化序列，將時(shí)態(tài)信息同每一空間個(gè)體相關(guān)聯(lián)，可以很好地描述每一空間實(shí)體的時(shí)空變化在時(shí)空變化信息的分布上同一空間實(shí)體在不同事件中發(fā)生的多次變化信息被分解或分隔成多個(gè)片段對應(yīng)在不同事件中同一空間實(shí)體在不同事件中發(fā)生的多次變化都記錄在同一對象對應(yīng)的同一套變化序列中，變化信息順序存放，可保證空間對象在存儲上的同一性，提高基于個(gè)體的時(shí)態(tài)查詢效率

4 模型的實(shí)例驗(yàn)證

4.1 應(yīng)用背景

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)是對地質(zhì)災(zāi)害信息的描述，包括災(zāi)害的屬性信息、空間信息及時(shí)態(tài)信息等。地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)的取得是通過安裝在野外監(jiān)測點(diǎn)的傳感器，連續(xù)記錄災(zāi)害體的空間位置或是測量災(zāi)害體的屬性狀態(tài)而獲得的，而監(jiān)測數(shù)據(jù)沿時(shí)間軸的動態(tài)記錄則恰好反映了地質(zhì)體的動態(tài)過程，因此，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)具有時(shí)空數(shù)據(jù)的基本特征。

長期以來，為預(yù)測滑坡的發(fā)展趨勢，地質(zhì)災(zāi)害 GPS 監(jiān)測體系逐漸建立(圖5)，研究人員根據(jù)具體的地質(zhì)條件及相對位置在滑坡體上離散布置了多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)分別布置了GPS定位傳感器，GPS基站通過分布在不同監(jiān)測點(diǎn)的傳感器對滑坡體位移進(jìn)行監(jiān)測，通過無線傳輸將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳入基地服務(wù)器并將數(shù)據(jù)存入原始數(shù)據(jù)庫中，研究人員依據(jù)傳感器獲得的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以對各監(jiān)測點(diǎn)的位移變化進(jìn)行監(jiān)測，從而為滑坡體位移的預(yù)測及地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)判提供基礎(chǔ)依據(jù)。本研究以某滑坡體GPS傳感器位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，通過時(shí)空數(shù)據(jù)模型在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用，以驗(yàn)證其有效性。

圖5 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測E-R模型

Fig.5 E-R model in geo-hazards monitoring

4.2 時(shí)空數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

在滑坡位移監(jiān)測中，時(shí)空關(guān)系具體為監(jiān)測點(diǎn)間的空間關(guān)系、監(jiān)測點(diǎn)本身在時(shí)間軸上的時(shí)態(tài)關(guān)系，這其中監(jiān)測點(diǎn)間的空間拓?fù)潢P(guān)系基本保持不變，而時(shí)態(tài)關(guān)系則主要由事件序列來表達(dá)。

根據(jù)滑坡GPS位移監(jiān)測的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，本研究將每一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)視作一個(gè)地理實(shí)體對象，監(jiān)測點(diǎn)的每一次監(jiān)測行為都可以被視作是一次事件，事件的發(fā)生就意味著新監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲得，而新獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)描述了地理實(shí)體對象在事件發(fā)生后的空間位置狀態(tài)，相對于上一狀態(tài)地理實(shí)體對象的空間位置信息則發(fā)生了變化。不僅如此，由于一次監(jiān)測行為可能會帶來多個(gè)地理實(shí)體的變化，數(shù)據(jù)庫將不同對象的狀態(tài)分別存放為空間和屬性兩類變化，使個(gè)體的變化信息相互獨(dú)立且連續(xù)。在綜合考慮了滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)及其時(shí)空關(guān)系表達(dá)的基礎(chǔ)上，對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測時(shí)空數(shù)據(jù)庫的概念設(shè)計(jì)采用如圖6所示的思路。

圖6 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測時(shí)空數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計(jì)

Fig.6 Conceptual design for spatio-temporal database in geo-hazards monitoring

根據(jù)時(shí)空數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計(jì)，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測時(shí)空數(shù)據(jù)庫采用雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型，基于Oracle+ArcSDE構(gòu)建時(shí)空數(shù)據(jù)庫(圖7)。在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建4個(gè)表達(dá)監(jiān)測點(diǎn)不同信息的數(shù)據(jù)集：事件數(shù)據(jù)集、對象數(shù)據(jù)集、空間特征變化數(shù)據(jù)集、屬性特征變化數(shù)據(jù)集，分別對應(yīng)雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型中的主事件序列、對象集、空間位置變化序列、屬性特征變化序列。對象數(shù)據(jù)集通過一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)表記錄所有監(jiān)測點(diǎn)，每一條記錄對應(yīng)一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的現(xiàn)狀信息，每一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)被作為一個(gè)點(diǎn)對象。事件數(shù)據(jù)集通過一張事件序列表將每一次監(jiān)測行為作為一次事件加以記錄，表中的每一條記錄均對應(yīng)一次事件信息，而每一條事件的信息都會記錄其所引起變化的監(jiān)測點(diǎn)的標(biāo)識。變化數(shù)據(jù)集則是監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲的核心，通過建立不同的變化序列表分別存放不同監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，每一監(jiān)測點(diǎn)有且僅有兩張變化序列表分別存放空間和屬性的變化數(shù)據(jù)。

圖7 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測時(shí)空數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Fig.7 Logic design for spatio-temporal database in geo-hazards monitoring

4.3 平臺實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證本研究提出的雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型的可行性和有效性，本文利用Visual studio 2010開發(fā)環(huán)境，采用C#編程語言，基于ArcEngine平臺對其進(jìn)行了二次開發(fā)，設(shè)計(jì)了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測時(shí)空數(shù)據(jù)管理平臺，在建立時(shí)空數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)時(shí)空數(shù)據(jù)的查詢，基于監(jiān)測點(diǎn)的時(shí)空數(shù)據(jù)查詢可分為3種方式：1)現(xiàn)勢監(jiān)測點(diǎn)的可視化瀏覽，這種查詢方式就像普通的地圖瀏覽一樣，對時(shí)空數(shù)據(jù)庫中的地理實(shí)體對象的空間位置進(jìn)行可視化查詢；2)時(shí)間段式時(shí)空數(shù)據(jù)回溯，針對某一監(jiān)測點(diǎn)，選擇一個(gè)時(shí)刻和一個(gè)查詢時(shí)間單位，查詢并顯示出以此時(shí)刻為終點(diǎn)最近一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的所有監(jiān)測事件記錄及空間狀態(tài)記錄；3)圖形化時(shí)空變化表達(dá)，針對某一監(jiān)測點(diǎn)，選擇一個(gè)時(shí)刻和一個(gè)查詢時(shí)間單位，通過位移變化曲線動態(tài)顯示以此時(shí)刻為終點(diǎn)最近一個(gè)時(shí)間段內(nèi)該監(jiān)測點(diǎn)空間位置相對于原始安裝坐標(biāo)的相對變化形勢。

根據(jù)空間位置的時(shí)態(tài)查詢，以監(jiān)測點(diǎn)為地理實(shí)體對象，通過空間位置的時(shí)態(tài)變化，反映其實(shí)體的時(shí)空變化過程，研究人員可根據(jù)其歷史變化過程，依據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)或?qū)I(yè)計(jì)算，判斷并預(yù)測滑坡的發(fā)展趨勢。

本實(shí)例通過可視化的形式，直觀地展示滑坡體的時(shí)空變化，驗(yàn)證了雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型的可行性和有效性。

5 結(jié)語

本文提出的基于事件的雙序列時(shí)空數(shù)據(jù)模型既可以將時(shí)態(tài)信息同個(gè)體特征關(guān)聯(lián)，描述空間對象個(gè)體特征的時(shí)空變化，又可以將時(shí)態(tài)信息同空間位置聯(lián)系，描述基于位置的變化歷史。該模型雖然實(shí)現(xiàn)了對空間對象個(gè)體特征時(shí)空變化和空間位置變化歷史的同時(shí)描述，但對于基于位置的時(shí)態(tài)查詢而言，由于該模型將空間實(shí)體作為對象來處理，需要依次檢索每一對象的空間位置序列，并將出現(xiàn)在同一空間位置的不同對象按時(shí)間順序排列，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)查詢，查詢效率總體偏低，有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

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An Event-Based Dual-Lists Spatio-Temporal Data Model

LIU Fei1,2,HE Zhen-wen2,ZHENG Xin-qi1

(1.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083;2.ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Spatio-temporal data model is one of the focuses as well as difficult issues in the spatio-temporal database and spatio-temporal GIS research.To overcome the shortage of existing spatio-temporal data models,especially the event-based model lacking the ability to describe the spatio-temporal changes on spatial entities,the paper present an event-based dual-lists spatio-temporal data model.The model will express the spatio-temporal changes by double lists to solve the problem of lacking the ability of spatial entities individual spatio-temporal changes expression that is existing in spatio-temporal data model.The experimental results show that the model presented in this paper is valid in managing spatio-temporal data.

GIS;spatio-temporal data;data model

2014-01-22；

2014-11-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41101368)；國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA121401)；985優(yōu)勢學(xué)科平臺建設(shè)項(xiàng)目

劉飛(1989-)，男，博士研究生，研究方向?yàn)橥恋匦畔⒓夹g(shù)及應(yīng)用。E-mail：liufei@escience.cn

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.03.001

P208

A

1672-0504(2015)03-0001-06