時間段條件下的時空信息查詢方法研究

劉建東 戚利娜

摘要：提高時空信息的查詢效率可有效提高時空信息的價值。已有的時空查詢方法在構造本體時只構造了時間本體，忽略了時間區間本體的構造，因此導致該方法在查詢某段時間的時空信息時效率有待提高，該文在該方法的基礎上，增加時間區間本體的構造過程，通過對比可知該文方法在一定程度上減少查詢次數，從而提高查詢效率。

關鍵詞： 本體；查詢；時空

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）28-0006-02

1 引言

時空信息是結合時間屬性、空間屬性的數據，主要用于記錄地理等實體的位置屬性隨著時間變化的動態軌跡，為方便研究其變化規律提供數據基礎。目前存儲時空數據的主要以時空數據庫存儲為主，但是該類數據庫雖然保存有大量的時空信息，卻由于存儲結構等原因不利于時空信息的查詢，至少為時空查詢需耗費較大的精力。比如，時空信息查詢涉及時間、空間等屬性，作為用戶不僅需要懂得基本的數據庫查詢語言，而且對于多維度查詢也需有一定了解，這在一定程度上降低了時空信息的價值。因此，有必要改善時空信息查詢不便的情況。

2 相關研究

目前，有較多學者對提高時空信息查詢效率進行了研究，大致可以分成以下幾類：第一類是基于地理信息系統（即GIS）進行查詢，但是這類方法要求用戶掌握基本的有關GIS的概念和知識，可能致使該類方法無法得到普及；第二類是基于數據或者基于元數據進行查詢，但該方法的存在與第一類類似的缺點[1]；第三類即基于空間的知識查詢[2]，一方面該方法具有語義相關性，查詢具有較高的智能，但是另一方面該類方法實現較為困難，也就是說實施難度較高[3]；第四類是基于本體的時空信息查詢[3]，這類方法只需要用戶輸入非形式化的查詢語言即可實現時空信息的查詢，但是該類方法對于適合某個時間點的時空信息查詢，而對于某個時間段的時空信息查詢效率不太高。本文在第四類時空信息查詢方法的基礎上進行加工以達到能支持時空段的時空信息查詢的目的。

3 基于本體的時空信息查詢方法

本節將引用吳孟泉提出的本體驅動的時空數據查詢方法[3]，以便說明該方法對于時間段時空信息查詢的不便之處。

時空信息查詢的方法的基本步驟是首先通過國家頒布的規范文件，構造與用戶查詢相關的語義本體，如用戶查詢農業時空信息，該方法參考相關的文件，構造農業時空信息本體；構造的本體結合保存有大量時空信息的時空數據庫進行改造，從而利用時空數據庫的實際數據豐富構造的本體屬性以及相關實例；通過語法解析用戶輸入的查詢語句，識別出關鍵的類、屬性、實例；利用本體的語義相關性對用戶輸入的類進行擴展，查到符合用戶輸入條件的屬性和實例保存到預先設計好的結構化表中，最終以結構表中的數據為基礎，以分解后的查詢語句為條件，查詢時空信息。該方法即利用了本體的語義相關性，又具有結構化數據查詢的高效性。但是該方法適合某個時間點的時空查詢，對于時間段查詢的效率有待改進。以文獻[3]中提出的案例為例進行說明。

在案例中，用戶需要查詢曲靖市在2005年種植煙草型號為k236的地塊[3]。根據之前提到的步驟，首先構造了農業時空信息本體與種植本體，再利用該市的時空數據庫豐富了本體內容，從已經構造的本體利用語義相關搜索符合2005年、k236等相符的類、屬性和實例后存入結構表中，關鍵的結構表如表1、表2、表3所示：

以案例中的查詢為例，該方法最終首先通過根據“曲靖市”查詢到所在區域X，然后根據種植年份以及種植類型查詢到區域a，將兩個區域取交集即可得到查詢結果R。具體如圖1所示：

然而如果用戶不是以“2005年”為時間查詢條件，而是以“2005年-2012年”為時間段查詢，那么根據前面的步驟可知，最終用戶要想查詢到符合要求的區域，必須分別以2005年、2006年、2007年...2012年為條件查詢8次，得到八個每年符合種植類型的小區域，最終還要將這八個小區域與曲靖市的地理空間取交集從而得到結果。具體如圖2所示：

4 支持時間段查詢的時空信息查詢方法

從以上的討論可知，文獻[3]的時空信息查詢方法對于時間段的查詢條件需要分解多次，執行多次交集運算，因此效率有待提高，為改善上述不足，本節在文獻[3]提出的構造的農業信息本體基礎上，對時間本體增加時間區間本體，以開始時間和結束時間來表示，具體如圖3所示：

由于對時間本體進行了改造，因此對于保存在最終結構表中的數據中應該會包含開始時間和結束時間的兩個字段，具體如表4所示：

由表4可知，種植地塊會根據種植類型保存開始時間和結束時間。因此如果還是以“2005年-2012年”為時間查詢條件，則可先通過“曲靖市”查詢該市的空間，然后分別以開始時間和結束時間、種植類型查詢符合條件的區域，最終取交集得到結果，形式化的查詢語句如下：

Bound_1 =Select 空間區域 where 名字=“曲靖市”；

Bound_2 = Select 空間 where 種植類型=“K236” and 開始時間<=2005 and 結束時間>=2012；

Result= Select 空間 where Intersection（Bound_1，Bound_2）=1。

由查詢條件可知，該時間段的查詢也只查詢三次，遠遠低于之前的方法的查詢次數。

參考文獻：

[1] 杜云艷，周成虎.海岸帶及近海科學數據集成與共享研究[M].北京：海洋出版社，2005.

[2] 王敬貴，蘇奮振.基于Ontology的空間知識查詢方法及其應用[J].地理信息科學，2004，6（4）：93-98.

[3] 吳孟泉，崔偉宏.本體驅動的時空數據查詢方法研究[J].計算機工程與應用，2009，45（11）：154-157.

[4] 劉大有，胡鶴.時空推理研究進展[J].軟件學報，2004，15（8）：1141-1149.

[5] 李霖，王紅.基于形式化本體的基礎地理信息分類[J].武漢大學學報：信息科學版，2006，31（6）.

[6] 虞為，曹加恒，陳俊鵬.基于地理空間語義網的異構地理信息查詢[J].計算機工程與應用，2006，42（30）：6-9.

【通聯編輯：代影】