地理信息的超圖時空數據挖掘探究

賈佳

（河南測繪職業學院，河南 鄭州450000）

由于地理數據需要從多個維度進行數據的分析與處理，數據結構復雜，邏輯關系難以明晰，因此在時空數據挖掘時較為困難。超圖模型在數據挖掘中主要用于進行高維數據聚類問題的解決，其理論較為嚴謹，且具有靈活的結構體系，因此，基于超圖模型而總結出超圖時空數據挖掘法并將之應用于地理信息的數據挖掘可使地理數據信息分析與處理更加高效與精準。

1 超圖模型及其結構分析

1.1 超圖模型

以超圖結構為根本而建立起來的模型就是超圖模型。其以圖論為基礎，將集合論融入其中共同組成了超圖理論。其是將屬性特征一致的對象歸納為一個集合，在集合當中再將具有更高層次共性的集合再次歸類，進而使集合中呈現出層次化的結構。這些集合之間會形成二元關系，一個集合可與其他集合進行映射，同時也被其他集合映射，這種多對多的映射方式就是集合之間關系的重要體現。

1.2 結構組成

類與對象是超圖模型的基本構成元素，類與對象各自的屬性也是其重要的結構之一，同時不同類的鏈接以及不同對象的鏈接也是重要的結構組成內容。超圖模型有多種結構屬性：可以是單一數值也可以是多維數值，某個特定程序或法則也是其屬性之一，此時主要是對某個對象或類所進行的合法操作進行準確描述，這與對某個對象進行的描述具有一致性。同時可以運用超圖進行描述的某個結構也是其結構屬性之一，此時可實現對較為復雜的對象進行描述。基于此，如果所要研究的是較為復雜的對象，那么就可運用結構與其子結構共同進行對象組成的描述，也可對不同對象之間的關系進行分析。在鏈接以及超鏈接模式下，超圖模型可以對不同的類或不同的對象之間的層次關系進行表達，也可描述其非層次的關系，具有一定的靈活性。具體可描述的內容有分類、概括，也可對聚合以及多層次聯系進行闡述，此外，還可描述復合類以及分割等關系。

2 超圖數據模型在地理信息系統領域的應用分析

地理現象可由時間特征、屬性特征和空間特征共同表現。二十世紀七十年代，外國專首次提出超圖數據模型，利用該結構模型可以對現實中的實體物質進行描述，在地理信息系統領域當中應用超圖數據模型尚屬首次。地理時空數據之間的關系有多種表現方式，既有空間、時態以及時空等單一的關系，也可將這些單一的關系進行組成而形成屬性或時間屬性關系，此外還有空間時間以及空間屬性關系。時空數據挖掘正是以這些不同種類的關系為基礎而進行的。在時空數據挖掘時要對這些關系進行分析與考量，否則其與得出的規則分析可能不準確或得到不正確的知識內容，得到的知識內容也可能不具有實用性。在地理信息系統當中，地理、經濟乃至人文等多個不同的地理要素在空間分布方面都各不相同，時間過程也存在較大差異，進而可以實現物質世界層次等級的描述，也可對不同物質之間的關系進行相應的體現，并反映出其具體的網絡結構特征。由簡至繁、從無到有、自低向高是世界變化的規律，地理信息關體也具有層次化的特點，同時也具有非層次化的特征。正是由于地理信息關系的復雜性，將超圖模型應用于地理信息數據的挖掘可以展現出良好的數據挖掘效果。

3 關系- 對象型的地理數據庫分析

關系- 對象型的地理數據庫（Geodatabase）屬于新型的空間數據模型，其是在面向對象技術的基礎上而實現對現實空間世界的抽象化，將之組成數據模型，該模型是多個不同對象類的集合，同時，可在此數據庫中進行面向對象的空間實體的有效存儲，這些對象類都具有各自的屬性，同時行為清晰，規則明確，并且不同對象類之間還會相互關聯與影響。該數據庫在對空間對象的坐標進行存儲時，是以長二進制型數據進行存儲的，且保存于某一字段當中，隨后又將該字段的屬性存儲其中，實現了空間與屬性兩種不同數據的組成，使二者共存于一個數據庫當中，此種存儲方式較為簡便，極大的降低了空間數據存儲的復雜程度，進而使空間數據的查詢粒度得以進一步明確，可以更好的進行空間對象所具備的時空數據的有效表達，也使其組織形式更加清晰。

4 面向屬性歸納的地理信息超圖時空數據挖掘

關系數據庫中存儲了多種方法，如概念泛化，此外還有歸納學習法，這些方法可發現于時間知識拓展過程中。關系型時空數據庫由兩個部分組成，一是空間部分，其屬于二維空間，屬于空間數據結構的組成部分之一。二是非空間部分，其數據屬性為時間，其主要存儲于關系數據庫當中。空間與非空間數據庫采用ID 鏈接而建立關聯。采用概念泛化技術可以實現對空間及非空間數據的有效泛化，在對空間數據進行泛化時，非空間數據也需一同進行泛化，無法單獨對其中之一進行泛化。

關系- 對象型地理信息數據庫中所存儲的空間與屬性數據都位于關系數據庫當中，且存儲位置相同，進而形成了地理空間數據庫。在時間知識提取過程中，可采用概念泛化方法實現空間與非空間數據的有效融合，使之形成整體，進而作為時空數據挖掘實現的根本。時空數據泛化開始前，首先要將關系-對象型數據庫中所存儲的相應要素反映到超圖之上，要求被反映的必須為帶權的超圖，同時也要將各要素之間的關系在超圖上體現出來。在超圖當中，某一要素或某一對象可以點的形式體現出來，其與超圖模型的對象屬性一一對應。同時要素及對象類也可以類的形式體現于超圖模型之上，并且其與超圖模型中所存儲的類的屬性相對應。此外，要素數據的集合也可以超類的形式映射于超圖模型之上。關系類以及規則既可以類的形式映射于超圖模型，也可映射為不同對象間具有賦值的鏈接，還可以映射為具有一定限制或操作要求的鏈接。在關系- 對象型數據庫中可以實現對時間或空間等單一屬性的泛化，也可對專題之中的任一屬性進行泛化。這種單一的屬性可以是超圖中某一對象的特征，也可以其為依據進行對象類別的劃分，進而運用鏈接進行數據結構當中各項數據的有效分離與提取。鏈接的類型可以替代要素或要素類所組成的鏈接，同時要素層次結構可對其進行替代并實現有效處理。也就是說，在超圖鏈接的作用下可以實現時間及空間等各個要素、屬性以及各個要素類的有效傳遞。在此之中，如果所傳遞的類或對象是以具有賦值的弧的形式存在，也可將賦值向端點進行傳送，進而使弧段的賦值轉化為所傳遞端點的值，進而構建出含有類的結構。關系類或規則可以類或對象的形式映射成為超圖模型中具有賦值的鏈接，有時所映射的鏈接具有一定的限制條件，因此，以超圖模型為基礎進行時空泛化時要受到一定條件的限制。然而首次進行某一特定屬性的泛化時，未必可以一次就實現預期的概念泛化，也有可能出現泛化值的數量比預設的泛化數值更多的情況。因此，有時需要將這一泛化結果映射到超圖模型當中，進而通過再次泛化而使之與預期的概念層次相一致。有時甚至需要進行多次有條件的泛化，才可以將之轉化為預期的泛化關系，進而使之形成邏輯公式。

結束語

在國際領域當中時空數據挖掘技術得到了高度重視，然而由于其研究并不深入，與當下社會的應用需求還有一定差距。在時空數據挖掘研究當中，時空信息及數據模型是其研究的核心內容，然而在地理學領域已掌握了一定規模的地理信息數據，因此以此為依據建立地理信息數據模型，可以實現時空數據挖掘的進一步研究與驗證。在空間數據庫系統當中超圖模型具有一定的作用，同時也可應用于地理信息系統當中，其必然也會在時間數據挖掘領域發揮出極為重要的功能價值。