薛存金,周成虎,蘇奮振,董 慶,謝 炯

1.中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心中國科學(xué)院數(shù)字地球科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100191;2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境信息國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100101

面向過程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究

薛存金1,2,周成虎2,蘇奮振2,董 慶1,謝 炯2

1.中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心中國科學(xué)院數(shù)字地球科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100191;2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境信息國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100101

根據(jù)近20年來時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究現(xiàn)狀、存在問題及其原因剖析,以連續(xù)漸變地理實(shí)體的表達(dá)、組織和存儲為研究對象,提出面向過程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。根據(jù)連續(xù)漸變地理實(shí)體的內(nèi)在特性,將其分級抽象為過程對象系列,進(jìn)一步探討過程對象及過程對象間邏輯關(guān)系,并設(shè)計(jì)其UML模型結(jié)構(gòu)及物理存儲結(jié)構(gòu)。通過抽象的過程對象隱式地記錄地理實(shí)體動(dòng)態(tài)變化機(jī)制,及自定義的過程對象存儲表提供演變機(jī)制的函數(shù)接口模式,實(shí)現(xiàn)連續(xù)漸變地理實(shí)體的過程化組織、存儲與動(dòng)態(tài)分析。最后,以海洋數(shù)據(jù)的過程化組織與分析為例,構(gòu)建時(shí)空過程模型原型系統(tǒng)(海洋過程對象—關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與功能分析平臺),驗(yàn)證和評價(jià)該模型的實(shí)用性。

時(shí)空過程模型;過程對象;連續(xù)漸變;原型系統(tǒng)

1 引 言

時(shí)空數(shù)據(jù)模型(spatio-temporal data model, STDM)是時(shí)空信息系統(tǒng)的核心[1],也是時(shí)空 GIS的理論基礎(chǔ)。根據(jù)對空間、時(shí)間、屬性的處理能力,近20多年發(fā)展起來的STDM可歸納為:基于時(shí)間的[2-5]、基于空間的[6-8]與基于空間、時(shí)間、屬性集成的時(shí)空數(shù)據(jù)模型[9-12]?；跁r(shí)間的與基于空間的時(shí)空數(shù)據(jù)模型無法同時(shí)處理實(shí)體的空間信息與時(shí)態(tài)信息,因?yàn)樵诘厍蛐畔⒖茖W(xué)領(lǐng)域,缺少空間與時(shí)間的基本集成理論;基于空間、時(shí)間、屬性集成的時(shí)空數(shù)據(jù)模型盡管在概念層次上較好地解決了三者的一致性表達(dá)、存儲與時(shí)空分析,卻對模型物理存儲結(jié)構(gòu)缺乏深入探討。從表達(dá)與組織地理實(shí)體類型上分析,目前的STDM能科學(xué)地刻畫狀態(tài)的或間隔變化的地理實(shí)體,但卻無法有效表達(dá)與組織空間與屬性信息綜合連續(xù)變化的地理實(shí)體,其根本原因是在模型內(nèi)部缺少連續(xù)漸變表達(dá)與存儲的機(jī)制。

從科學(xué)本質(zhì)問題處理能力上分析,目前大多數(shù)STDM 發(fā)展于靜態(tài)空間處理[6,13]、離散事件[2-3,14]、離散過程[9]等,能較好地描述地理實(shí)體或現(xiàn)象的狀態(tài)與時(shí)刻變化,但對連續(xù)變化的地理實(shí)體或現(xiàn)象的建模與表達(dá)還面臨許多新挑戰(zhàn)。然而,GIS科學(xué)的本質(zhì)是解決地理過程與現(xiàn)象在時(shí)空上的分布狀態(tài)與時(shí)空變化過程特性、時(shí)空變化的預(yù)測預(yù)報(bào)及時(shí)空演化機(jī)制[15-16]。以過程思想為核心構(gòu)建的時(shí)空數(shù)據(jù)模型,在實(shí)現(xiàn)屬性、功能與關(guān)系連續(xù)變化地理實(shí)體的組織、存儲與動(dòng)態(tài)分析方面具有優(yōu)越性。

2 面向過程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型

2.1 面向過程的時(shí)空建模理論

從數(shù)據(jù)庫建模的角度,時(shí)空建模包括概念設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)[17],分別對應(yīng)以應(yīng)用目的的語義描述、對象表達(dá)與組織和對象存儲[18]。因而,面向過程的時(shí)空建模理論主要包括:概念層次上的過程語義、邏輯層次上的過程對象表達(dá)與組織和物理層次上的過程對象對象—關(guān)系的擴(kuò)展存儲。

在過程語義描述方面,基于地理實(shí)體(現(xiàn)象)自身演變特性,對其進(jìn)行分級抽象,并把層次結(jié)構(gòu)的順序關(guān)系、序列關(guān)系、關(guān)聯(lián)關(guān)系及各種地理事件抽象為連續(xù)漸變機(jī)制;在過程對象表達(dá)方面,基于產(chǎn)生地理數(shù)據(jù)的過程模式,把連續(xù)漸變的地理實(shí)體表達(dá)為過程對象序列,利用連續(xù)漸變機(jī)制實(shí)現(xiàn)過程對象→狀態(tài)對象的遞推和狀態(tài)對象→過程對象的遞歸;在過程對象組織方面,利用過程對象間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,連接過程對象序列,實(shí)現(xiàn)過程對象的過程化表達(dá)與組織;在過程對象存儲方面,利用抽象數(shù)據(jù)類型(abstract data type,ADT)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)過程對象、對象屬性和對象行為的一體化存儲。

2.2 過程語義

在地球信息科學(xué)領(lǐng)域,時(shí)空過程(spatio-temporal process,STP)沒有明確統(tǒng)一的概念。從不同的研究角度,時(shí)空過程被界定為:實(shí)體的演變序列[15]、系列事件及其算子[19]、時(shí)空動(dòng)態(tài)現(xiàn)象[20]、時(shí)空動(dòng)態(tài)現(xiàn)象的突變性整體演變[9]等,上述概念在其應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要的科學(xué)意義。本文結(jié)合Clarmunt與蘇奮振的時(shí)空過程思想,定義連續(xù)漸變的時(shí)空過程語義為:基于時(shí)空過程—生命周期階段—演變序列—原子單元的分級結(jié)構(gòu),如圖1所示。

連續(xù)漸變的時(shí)空過程語義表達(dá)能滿足:①刻畫實(shí)體的連續(xù)漸變特性;②記錄實(shí)體的連續(xù)漸變機(jī)制;③實(shí)現(xiàn)過程各個(gè)階段的空間、時(shí)態(tài)、時(shí)空與過程操作。這是面向過程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型與基于演變序列、系列事件、突變性演變過程等數(shù)據(jù)模型的本質(zhì)差異。

圖1 時(shí)空過程語義的分級結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchical structure of STP

過程對象生命演化歷程包括對象產(chǎn)生、擴(kuò)展、穩(wěn)定、消弱與消亡,分別抽象為時(shí)空過程和生命周期階段(產(chǎn)生、擴(kuò)展、穩(wěn)定、消弱與消亡階段)。由于過程對象在不同的生命周期階段具有不同的演變機(jī)制,因而,在生命周期階段隱式地記錄地理實(shí)體的演變機(jī)制,來實(shí)現(xiàn)演變序列的連續(xù)漸變表達(dá)。原子單元是演變序列的載體,記錄某一時(shí)刻狀態(tài)的空間與屬性信息。

2.3 過程對象表達(dá)

根據(jù)過程對象的自身演變特性及語義分級結(jié)構(gòu),把其分級抽象為:過程對象、過程階段對象、過程序列對象與過程狀態(tài)對象。這些過程對象間具有倒金字塔結(jié)構(gòu)特性(圖2(a))。過程對象的分級抽象結(jié)構(gòu),一方面易于實(shí)現(xiàn)過程對象的分級存儲與分析(圖2(b)),另一方面易于實(shí)現(xiàn)過程對象的分級表達(dá)(圖2(c))。結(jié)合過程演變機(jī)制在過程階段對象內(nèi)部的隱式記錄,從而實(shí)現(xiàn)過程對象的連續(xù)漸變表達(dá)及進(jìn)一步挖掘地理實(shí)體的演變模式與變化規(guī)律。

圖2 時(shí)空過程對象表達(dá)結(jié)構(gòu)Fig.2 Representation structure of STP

2.4 面向過程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

時(shí)空過程對象(spatio-temporal process objects,STPOs)是對現(xiàn)實(shí)世界連續(xù)漸變實(shí)體或現(xiàn)象的抽象概括,面向過程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型不僅包括過程對象自身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),而且還包含過程對象內(nèi)部及對象間關(guān)聯(lián)關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),圖3(a)與圖3(b)分別給出過程對象和過程對象關(guān)系UML模型(UML模型只給出主要對象及其關(guān)系)。

圖3 面向過程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型UML結(jié)構(gòu)Fig.3 UML framework of process-oriented STDM

過程對象UML模型結(jié)構(gòu)刻畫了過程對象(STPObject)、過程階段對象(STPProduceObject、STPExpandObject、STPStableObject、STPShrinkObject、STPDestroyObject)、過程序列對象 (STPSequneceObject)與過程狀態(tài)對象(StateObject)之間的層次關(guān)系。過程對象間的連接關(guān)系利用圖3(b)中的SequneceRelationship實(shí)現(xiàn),過程對象連續(xù)漸變的存儲與分析利用圖3(b)中的STPRules與Events實(shí)現(xiàn)。

上述過程對象與底層存儲的過程對象對象—關(guān)系表一一對應(yīng)。過程對象的空間、時(shí)態(tài)與屬性信息采用ADT結(jié)構(gòu)存儲,不同過程對象具有不同的ADT數(shù)據(jù)類型結(jié)構(gòu)。圖4中定義了四種ADT類型結(jié)構(gòu):ProcessObjectADT、ProcessStageObjectADT、ProcessSequenceObjectADT 和ProcessStateObjectADT。過程對象間關(guān)系采用關(guān)系表(RelationshipOfSTPObject)存儲,并以過程對象 ID(PID、StageID、SequenceID)實(shí)現(xiàn)過程對象間的連接。圖4給出面向過程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型存儲結(jié)構(gòu)。

圖4 過程對象及其關(guān)系的存儲結(jié)構(gòu)Fig.4 Storage structure of STPOs and its relationship

2.5 連續(xù)漸變機(jī)制

地理實(shí)體的連續(xù)漸變表達(dá)是面向過程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一,它與目前的STDM有較大差異。過程對象的分級抽象與逐級包含刻畫過程對象內(nèi)部的層次結(jié)構(gòu)與序列關(guān)系,是過程內(nèi)部的關(guān)聯(lián)關(guān)系與事件設(shè)計(jì)的前提,為設(shè)計(jì)連續(xù)漸變表達(dá)的模型奠定基礎(chǔ)。過程對象內(nèi)部的關(guān)聯(lián)關(guān)系與事件則隱式地記錄其連續(xù)漸變表達(dá)機(jī)制,而過程對象的ADT存儲類型結(jié)構(gòu)中的時(shí)空算子則是實(shí)現(xiàn)連續(xù)漸變表達(dá)機(jī)制的函數(shù)接口。因而,面向過程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型利用過程對象的分級抽象與逐級包含的思想和過程內(nèi)部的關(guān)聯(lián)關(guān)系與事件隱式地記錄實(shí)體或現(xiàn)象的連續(xù)漸變表達(dá),并在底層物理存儲結(jié)構(gòu)中提供地理實(shí)體動(dòng)態(tài)變化的函數(shù)接口,從而實(shí)現(xiàn)地理實(shí)體的連續(xù)漸變地組織、存儲與分析。

3 海洋數(shù)據(jù)的時(shí)空組織與分析

鑒于連續(xù)漸變地理實(shí)體或現(xiàn)象在海洋與大氣領(lǐng)域普遍存在,以衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)(提取海洋渦旋過程對象)與模擬數(shù)據(jù)(提取海洋鋒與渦旋過程對象)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),采用對象—關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(GeoDatabase 9.2)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)海洋時(shí)空過程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(MarineSTPDMGDB),實(shí)現(xiàn)海洋鋒和海洋渦旋時(shí)空過程對象的擴(kuò)展存儲,并構(gòu)建原型系統(tǒng)平臺(MDMProto TypeSystem),實(shí)現(xiàn)海洋過程對象的查詢與分析等功能。

3.1 面向過程的海洋數(shù)據(jù)組織

基于衛(wèi)星影像的海洋渦旋過程對象(Swirl-ProcessObject)是從 1990—2006年的 NOAA AV HRR衛(wèi)星影像中挑選并提取出來的,具有完整的生消演變特性,模擬的海洋過程對象包括5個(gè)基本時(shí)空過程對象:1個(gè)海洋鋒時(shí)空過程(OceanFrontProcess)、2個(gè)海洋冷渦過程(Cold-SwirlProcess_1和ColdSwirlProcess_2)與2個(gè)海洋暖渦過程(WarmSwirlProcess_1和 Warm-SwirlProcess_2)。根據(jù)過程對象的分級抽象及其關(guān)聯(lián)關(guān)系,過程對象及其關(guān)系的存儲視圖結(jié)構(gòu)如圖5所示。

過程對象表(ProcessObject Table)存儲過程對象的元數(shù)據(jù)信息,包括過程名稱及其時(shí)態(tài)信息,而過程對象的空間與屬性信息存儲在過程對象存儲表(ObjectStorageTable)中,兩者通過過程 ID關(guān)聯(lián)。過程階段對象表(StageObject Table)存儲過程階段對象的元數(shù)據(jù)信息,包括過程階段對象ID及前一階段與后一階段 ID、過程階段對象的時(shí)態(tài)信息與過程階段的特性標(biāo)識。過程階段對象的空間與屬性信息存儲在 ObjectStorageTable中,兩者通過過程階段ID關(guān)聯(lián);過程對象關(guān)系表(ObjectRelatedTable)通過過程 ID與過程階段ID關(guān)聯(lián)過程對象表與過程階段對象表,保證了過程對象的連續(xù)漸變性;狀態(tài)時(shí)間表(StateTimeTable)通過過程 ID與過程階段對象 ID關(guān)聯(lián),存儲過程對象與過程階段對象的時(shí)態(tài)信息;對象標(biāo)識表(Object TagTable)關(guān)聯(lián)ObjectStorageTable與過程ID或過程階段ID,保證了過程對象或過程階段對象的空間、屬性與時(shí)態(tài)信息地一體化存儲與分析;ObjectStorageTable是過程對象或過程階段對象的存儲載體,存儲過程對象的屬性與空間信息。

圖5 過程對象及其關(guān)系的存儲視圖Fig.5 Storage views of STPOs and its relationship

在MarineSTPDMGDB中,過程存儲對象包括過程對象或過程階段對象,且與 ObjectStorageTable一一對應(yīng)。在ObjectStorageTable中,基于衛(wèi)星影像的海洋渦旋過程對象以柵格模型(RasterDatasets)存儲,模擬的海洋時(shí)空過程對象以矢量模型(FeatureClass)存儲。

此外,過程階段對象表隱式地存儲過程對象的連續(xù)漸變表達(dá)機(jī)制實(shí)現(xiàn)接口,即海洋動(dòng)態(tài)變化(事件、動(dòng)力模型與時(shí)空插值)的函數(shù)接口,而外部應(yīng)用程序負(fù)責(zé)連續(xù)漸變機(jī)制的具體實(shí)施。

3.2 面向過程的海洋時(shí)空查詢

MarineSTPDMGDB是對象—關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),底層的存儲過程對象是某時(shí)刻的快照狀態(tài),因此,標(biāo)準(zhǔn)化查詢語言(SQL)無法對過程對象的時(shí)態(tài)信息、空間形態(tài)和屬性的動(dòng)態(tài)信息和過程對象等進(jìn)行直接查詢。要想實(shí)現(xiàn)連續(xù)漸變海洋現(xiàn)象的過程化查詢,首先要對查詢語句進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分解,然后再在上層對查詢結(jié)果進(jìn)行過程化封裝。為便于查詢語句的標(biāo)準(zhǔn)化分解,根據(jù)時(shí)空過程對象查詢類別,定義了4大類11種對象查詢,分別為基于空間對象Position、Geometry、Shape的查詢;基于時(shí)態(tài)對象 TimeInstant、TimeInterval的查詢;基于屬性對象Attribute、AttributeSequnce的查詢和面向過程對象 ProcessObject、ProcessStageObject、ProcessSequenceObject和 ProcessStateObject的查詢。

由于MarineSTPDMGDB支持屬性與空間條件語句查詢,從條件語句的角度分析,語句的標(biāo)準(zhǔn)化分解只需對時(shí)態(tài)條件語句分解即可;從過程對象的角度分析,語句的標(biāo)準(zhǔn)化分解還包括對過程對象或過程序列對象的整合。時(shí)態(tài)條件語句的標(biāo)準(zhǔn)化本質(zhì)是對時(shí)態(tài)謂詞的標(biāo)準(zhǔn)化,主要包括At(t)、Fromt1Tot2、Within(t1,t2)與 Contain (t1,t2)等4種時(shí)態(tài)謂詞的標(biāo)準(zhǔn)化;過程對象或過程序列對象的整合要按照過程對象內(nèi)部的演變機(jī)制進(jìn)行。表1給出基于屬性與時(shí)態(tài)條件語句綜合查詢過程對象的示例。

表1 海洋時(shí)空過程對象查詢示例Tab.1 A case of marine STPOs inquiry

圖6是滿足綜合查詢條件下的3個(gè)海洋渦旋過程對象:暖渦過程對象2(WarmSwirlProcess_ 2)、冷渦過程對象1(ColdSwirlProcess_1)和冷渦過程對象2(ColdSwirlProcess_2),在其穩(wěn)定階段的可視化結(jié)果。

圖6 海洋時(shí)空過程對象查詢結(jié)果Fig.6 Inquiry results of marine STPOs

3.3 面向過程的海洋時(shí)空分析

原型系統(tǒng)平臺(MDMProto TypeSystem)的海洋時(shí)空過程功能包括海洋過程對象的交、并、差等運(yùn)算、過程對象拓?fù)浞治黾斑^程對象的連續(xù)漸變表達(dá)等。

3.3.1 過程對象拓?fù)浞治?/p>

過程對象是占據(jù)特定空間結(jié)構(gòu)與時(shí)態(tài)結(jié)構(gòu)的時(shí)空對象抽象,其空間結(jié)構(gòu)抽象為實(shí)體在各個(gè)時(shí)刻占據(jù)的空間區(qū)域并集,時(shí)態(tài)結(jié)構(gòu)抽象為過程的整個(gè)生命周期或生命周期階段,因而,過程對象、過程階段對象、過程序列對象與過程狀態(tài)對象可看作為不同時(shí)空尺度的時(shí)空對象,過程拓?fù)淇苫跁r(shí)空拓?fù)溲芯砍晒治?。過程拓?fù)浞治龅暮瘮?shù)原型如式(1)所示,圖7給出海洋暖渦過程對象1 (WarmSwirlProcess_1)在t9時(shí)刻的狀態(tài)對象與海洋冷渦過程對象1(ColdSwirlProcess_1)的消亡階段對象之間的拓?fù)浞治鼋Y(jié)果。

圖7 海洋時(shí)空過程對象拓?fù)浞治鍪纠鼺ig.7 A case of marine STPOs topological analysis

其中,CProcessObject為過程對象系列,可以是過程對象、過程階段對象、過程序列對象或過程狀態(tài)對象;Topo TypeEnum為時(shí)空拓?fù)涿杜e類型,共包括64種時(shí)空拓?fù)漕愋蚚21]。

3.3.2 過程對象的連續(xù)漸變表達(dá)

過程對象的內(nèi)部演變機(jī)制包括:事件、動(dòng)力模型與時(shí)空插值等。但無論是何種類型的演變機(jī)制,其外部程序?qū)崿F(xiàn)接口相同。本研究以時(shí)空過程插值為例,探討過程對象內(nèi)部演變機(jī)制程序接口的實(shí)現(xiàn)。在不同的生命階段,海洋現(xiàn)象具有不同的演變機(jī)制,需采取不同的模型進(jìn)行模擬。如前所述,模型內(nèi)部(過程對象存儲表)隱式地記錄演變機(jī)制類型,外部程序負(fù)責(zé)連續(xù)漸變表達(dá)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)。表2給出ObjectStorageTable存儲的演變機(jī)制類型與外部程序?qū)崿F(xiàn)的時(shí)空函數(shù)功能的對應(yīng)關(guān)系。圖8給出基于衛(wèi)星影像的冷渦過程對象(SwirlProcessObject)在穩(wěn)定階段(部分)的連續(xù)演變,其中圖8(a)與圖8(c)分別是2002年第6周和第7周衛(wèi)星影像,圖8(b)是基于第6周與第7周插值后的渦旋狀態(tài)信息。

表2 過程對象的演變類型與其實(shí)現(xiàn)函數(shù)Tab.2 Evolution types and their functions of STPOs

圖8 時(shí)空過程對象的連續(xù)漸變表達(dá)示例Fig.8 A continuity and gradual represention case of STPOs

4 結(jié)束語

針對目前存在的時(shí)空數(shù)據(jù)模型對連續(xù)漸變的地理實(shí)體表達(dá)、組織、存儲與分析時(shí)存在的問題及其原因的剖析,我們提出以過程思想為核心的時(shí)空數(shù)據(jù)模型,主要做了以下幾方面的工作:①針對地理實(shí)體內(nèi)在演變特性,把其分級抽象為過程對象、過程階段對象、過程序列對象與過程狀態(tài)對象;②在探討過程對象及對象間關(guān)系的基礎(chǔ)上,給出面向過程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型UML模型結(jié)構(gòu)與物理存儲結(jié)構(gòu);③通過過程階段對象隱式地記錄演變機(jī)制與過程階段對象存儲表中演變機(jī)制接口的實(shí)施,探討地理實(shí)體連續(xù)漸變表達(dá)的機(jī)制實(shí)現(xiàn);④以海洋鋒和海洋渦旋為例,構(gòu)建面向過程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型原型系統(tǒng),對模型的實(shí)用性進(jìn)行了驗(yàn)證。

盡管面向過程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型能較好的對連續(xù)漸變的地理實(shí)體進(jìn)行表達(dá)、組織、存儲與分析,但由于地學(xué)現(xiàn)象及其時(shí)空關(guān)系的復(fù)雜性,該模型還存在以下不足:①模型的設(shè)計(jì)針對連續(xù)漸變的地理實(shí)體,在表達(dá)與分析狀態(tài)變化、突發(fā)事件或離散過程的地理實(shí)體或現(xiàn)象時(shí)具有一定的應(yīng)用局限性,比如:利用模型的演變機(jī)制表達(dá)離散過程的變化可能得到不符合客觀規(guī)律的結(jié)果;②面向過程一體化時(shí)空集成的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論薄弱;③模型只是實(shí)現(xiàn)實(shí)體連續(xù)漸變表達(dá)機(jī)制的程序接口,對連續(xù)漸變表達(dá)機(jī)制的研究有待今后進(jìn)一步探索。

[1] J IN Peiquan,YUE Lihua.A Spatio-temporal Data Model Based on History Topology and Descriptors[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2004,33(3):274-279. (金培權(quán),岳麗華.基于歷史拓?fù)浜兔枋鲎拥臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型[J].測繪學(xué)報(bào),2004,33(3):274-279.)

[2] PEUQUET D J,DUAN N.An Event-based Spatio-temporal Data Model(ESTDM)for Temporal Analysis of Geographical Data[J].International Journal of Geographical Information Systems,1995,9(1):7-24.

[3] LIN Guangfa,FENG Xuezhi,WANG Lei,et al.An E-vent-centric Object Oriented Spatio-temporal Data Model [J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2002,31 (1):72-76.(林廣發(fā),馮學(xué)智,王雷,等.以事件為核心的面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型[J].測繪學(xué)報(bào),2002,31(1): 72-76.)

[4] CHEN Xiuwan,WU Huan,LI Xiaojuan,et al.Study on Event-based Spatio-temporal Data Model for Land Use Change[J].Journal of Image and Graphics,2003,8(8): 957-963.(陳秀萬,吳歡,李小娟,等.基于事件的土地利用時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究 [J].中國圖象圖形學(xué)報(bào),2003,8 (8):957-963.)

[5] MENG Lingkui,ZHAO Chunyu,LIN Zhiyong,et al.Research and Implementation of Spatio-temporal Data Model Based on Time-varying Sequence of Geographical Events [J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2003,28(2):202-207.(孟令奎,趙春宇,林志勇,等.基于地理事件時(shí)變序列的時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究與實(shí)現(xiàn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2003,28(2):202-207.)

[6] CUI Weihong,SHI Wenzhong,LI Xiaojuan.Development of a Feature Based Spatial-temporal Data Model for Land Use Change Dynamic Monitoring[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2004,33(2):138-145.(崔偉宏,史文中,李小娟.基于特征的時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究及在土地利用變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪學(xué)報(bào),2004,33(2): 138-145.)

[7] GONG Jianya.An Object-oriented Spatio-temporal Data Model in GIS[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,1997,26(4):289-298.(龔健雅.GIS中面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型[J].測繪學(xué)報(bào),1997,26(4):289-298.)

[8] LU Feng,LI Xiaojuan,ZHOU Chenghu,et al.Featurebased Spatio-temporal Data Model:State of Art and Problem Discussion[J].Journal of Image and Graphics,2001, 6(9):930-935.(陸鋒,李小娟,周成虎,等.基于特征的時(shí)空數(shù)據(jù)模型:研究進(jìn)展與問題探討[J].中國圖象圖形學(xué)報(bào),2001,6(9):830-835.)

[9] XIE Jiong,LIU Renyi,LIU Nan,et al.A Spatio-temporal Process Trapezoid Multi-level Description Framework and Its Modeling Case[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2007,36(3):321-328.(謝炯,劉仁義,劉南,等.一種時(shí)空過程的梯形分級描述框架及其建模實(shí)例 [J].測繪學(xué)報(bào),2007,36(3):321-328.)

[10] PEUQUET D J.It’s about Time:A Conceptual Framework for the Representation of Temporal Dynamics in Geographic Information Systems[J].Annals of the Association of American Geographers,1994,84(3):441-446.

[11] MAY Y.Use of a Three-domain Representation to Enhance GIS Support for Complex Spatio-temporal Queries [J].Transaction in GIS,1999,3(2):137-159.

[12] REITSMA F,ALBRECHT J.Implementing a New Data Model for Simulating Processes[J].International Journal of Geographical Information Science,2005,10(19):1073-1090.

[13] RAPPER J,LIVINGSTONE D.Development of a Geomorphological Spatial Model Using Object-oriented Design [J].International Journal ofGeographical Information Systems,1995,9(4):359-384.

[14] LI Yong,CHEN Shaopei,TAN Jianjun,et al.A Study of Event-driven Spatio-temporal Data Model for Urban Public Traffic[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2007,36(2):203-209.(李勇,陳少沛,譚建軍,等.事件驅(qū)動(dòng)的城市公共交通時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究 [J].測繪學(xué)報(bào),2007,36(2):203-209.)

[15] CLARAMUNT C,PARENT C,THéRIAUL T M.Design Patterns for Spatio-temporal Processes[C]∥STEFANO S,FRED M.Data Mining,Reverse Engineering: Searching for Semantics.New York:Chapman Hall, 1997:415-428.

[16] LONGLEY P A,GOODCHILD M F,MAGUIRE D J,et al.Geographical Information Systems,Volume 1,Principles and Technical Issues,Second Edition[M].Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2004:82-93. (LONGLEY P A,GOODCHILD M F,MAGUIRE D J,等.地理信息系統(tǒng):原理技術(shù).2版[M].唐中實(shí),黃俊峰,尹平,等,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2004:82-93.)

[17] CHEN Jun.Key Issues and Rearch Directions in GIS’s Spatial Data Models[J].Acta Geographica Sinica,1995, 50(Supplement):24-33.(陳軍.GIS空間數(shù)據(jù)模型的基本問題和學(xué)術(shù)前沿[J].地理學(xué)報(bào),1995,50(增刊):24-33.)

[18] XUE Cunjin,SU Fenzhen,ZHOU Chenghu.Featurebased Line Process Spatio-temporal Data Model[J]. Geo-Information Science,2007,9(5):50-57.(薛存金,蘇奮振,周成虎.基于特征的海洋鋒線過程時(shí)空數(shù)據(jù)模型分析應(yīng)用[J].地球信息科學(xué),2007,9(5):50-57.)

[19] TACIANA D,GILBERTO C,FREDERICO F,et al. Bottom-up Development of Process-based Ontologies[C]∥Proceedings of the Third International Conference on Geographic Information Science.California:the University of California,2004:64-67.

[20] SU Fenzhen,ZHOU Chenghu.A Framework for Process Geographical Information System[J].Geographical Research,2006,25(3):477-484.(蘇奮振,周成虎.過程地理信息系統(tǒng)框架基礎(chǔ)與原型構(gòu)建[J].地理研究,2006,25 (3):477-484.)

[21] XUE Cunjin,SU Fenzhen.Research on Spatio-temporal Topologies Based on Cartesian Operations[J].Computer Enginerring and Applications,2008,44(21):20-24.(薛存金,蘇奮振.基于笛卡爾運(yùn)算的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2008,44(21):20-24.)

Research on Process-oriented Spatio-temporal Data Model

XUE Cunjin1,2,ZHOU Chenghu2,SU Fenzhen2,DONG Qing1,XIE Jiong2
1.Laboratory of Digital Earth Science,Center for Earth Observation and Digital Earth,CAS.Beijing 100191,China;2.State Key Lab of Resources and Environment Information System,Institute of Geographical Science and Natural Resources,CAS,Beijing 100101,China

According to the analysis of the present status and existing problems of spatio-temporal data models developed in last 20 years,this paper proposes a process-oriented spatio-temporal data model(POSTDM),aiming at representing,organizing and storing continuity and gradual geographical entities.The dynamic geographical entities are graded and abstracted into process objects series from their intrinsic characteristics,which are process objects,process stage objects,process sequence objects and process state objects.The logical relationships among process entities are further studied and the structure of UML models and storage are also designed.In addition,through the mechanisms of continuity and gradual changes impliedly recorded by process objects,and the modes of their procedure interfaces offered by the customized ObjcetStorageTable,the POSTDM can carry out process representation,storage and dynamic analysis of continuity and gradual geographic entities.Taking a process organization and storage of marine data as an example,a prototype system(consisting of an object-relational database and a functional analysis platform)is developed for validating and evaluating the model’s practicability.

spatio-temporal process model;process object;continuity and gradual;prototype system

XUE Cunjin(1979—),male,PhD,majors in spatio-temporal data models and marine geograpyhical information system.

1001-1595(2010)01-0095-07

P208

A

國家973計(jì)劃(2009CB723903);國家自然科學(xué)基金(40901194,40676096,40801162);國家863計(jì)劃(2009AA-12Z102-10)

(責(zé)任編輯:郭新新,雷秀麗)

2008-04-02

2009-06-26

薛存金(1979—),男,博士,研究方向?yàn)闀r(shí)空數(shù)據(jù)模型與海洋地理信息系統(tǒng)研究。

E-mail:cjxue@ceode.ac.cn