文 娜，張英卓，陳 達

（1. 信息工程大學 地理信息工程學院，河南 鄭州 450001；2. 西雅圖城市大學 管理學院，西雅圖 98121；3. 31682部隊，甘肅 蘭州 730020）

0 引 言

多粒度時空對象[1]的概念源自于全空間信息系統(tǒng)[2]的提出，通過時空參照、空間位置、空間形態(tài)、組成結(jié)構(gòu)、關聯(lián)關系、認知能力、行為能力和屬性特征8項描述內(nèi)容[3]實現(xiàn)對現(xiàn)實世界各種實體具體的抽象，彌補了傳統(tǒng)GIS基于地圖的間接建模方法難以有效地分析和表達各種時空實體的動態(tài)變化和復雜關系的不足。對于多粒度時空對象而言，對象之間的關聯(lián)關系是其重要特征之一，它不僅是維護全空間信息聯(lián)動的紐帶，還是開展時空大數(shù)據(jù)關聯(lián)分析、預測分析和決策支持的基礎。具體來講，多粒度時空對象關聯(lián)關系是指現(xiàn)實客觀實體之間，由于空間位置、空間形態(tài)、屬性特征等而產(chǎn)生的關聯(lián)、約束及作用關系，通過對象之間廣義關系的抽象表達，進而模擬客觀現(xiàn)實世界的聯(lián)動[4]。它是對象與對象之間的外部關系的關聯(lián)表達和對象的各個屬性之間的內(nèi)部關系的關聯(lián)表達[5]的總合。

GIS研究前沿方向之一是發(fā)展大數(shù)據(jù)的空間解析理論與方法，在理論分析方面需要著力研究物理空間、人類經(jīng)濟社會空間以及信息空間的本質(zhì)及其可能的相互映射關系[3]，因此除了包含傳統(tǒng)GIS中所側(cè)重描述的空間關聯(lián)關系、時間關聯(lián)關系和時空關聯(lián)關系以外，全空間信息系統(tǒng)還描述了由于對象屬性特征而存在的屬性關聯(lián)關系。屬性關聯(lián)關系的描述將擴展全空間信息系統(tǒng)中關聯(lián)關系的分析與應用擴展到社會空間、信息空間等多維空間中，是多粒度時空對象關聯(lián)關系中的重要內(nèi)容。與時間、空間、時空關聯(lián)關系相比，屬性關聯(lián)關系含義、組成的內(nèi)容不同，在關聯(lián)關系構(gòu)建過程中由于相對穩(wěn)定且變化頻率較低，因此關聯(lián)關系的構(gòu)建方式也有所不同?？臻g、時間、時空關聯(lián)關系和屬性關聯(lián)關系的對比見表1。

表1 空間、時間、時空關聯(lián)關系與屬性關聯(lián)關系的區(qū)別Tab.1 The diあerences between spatial, temporal, spatial-temporal associative relationship and attributive associative relationship

本文以全空間信息系統(tǒng)為研究背景，針對多粒度時空對象的屬性關聯(lián)關系，闡述屬性關聯(lián)關系的基本概念和組成內(nèi)容，分析了屬性關聯(lián)關系構(gòu)建的目的與原則，在此基礎上具體提出了一種屬性關聯(lián)關系的交互式構(gòu)建方法。

1 多粒度時空對象屬性關聯(lián)關系的概念與組成

1.1 多粒度時空對象屬性關聯(lián)關系的基本概念

多粒度時空對象屬性關聯(lián)關系(Ra)指多粒度時空對象及其屬性特征之間的關系，如上下級關系、指揮關系、連通關系等[4]。從本質(zhì)上講，屬性關聯(lián)關系是用于描述現(xiàn)實世界中實體之間由于其本身的屬性特征而存在無法用空間或時間關系來描述的關聯(lián)關系，如箱式變壓器可以為多個建筑物供電，但是，除非繪制出第二條線來建立一組建筑物與對其供電的變壓器之間的聯(lián)系，否則它們之間沒有明確而清晰的空間關聯(lián)。

現(xiàn)實世界中實體的屬性特征，一些可以被抽象成為GIS中對應的對象的屬性項和屬性值[6]來描述，還有一些存在于人們固有的認知[7-9]中。人們確定對象之間存在某種關聯(lián)關系，就是根據(jù)真實實體的屬性特征的不同表現(xiàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及人類固有的認知，通過科學思維方法、統(tǒng)計學方法、社會學方法、情報學方法等進行信息分析[10]而得到。由于這些決定屬性關聯(lián)關系生成的數(shù)據(jù)并不能全部存儲在全空間信息系統(tǒng)中，并且屬性關聯(lián)關系生成的方法大多需要復雜的分析與推理而得到，因此，無法在系統(tǒng)中進行實時自動構(gòu)建而得到，而是需要進行人工指定關聯(lián)關系的組成內(nèi)容，完成屬性關聯(lián)關系的構(gòu)建。

1.2 多粒度時空對象屬性關聯(lián)關系的組成內(nèi)容

多粒度時空對象的屬性關聯(lián)關系的組成內(nèi)容主要包括兩方面，如圖1所示，一方面是對需要的屬性關聯(lián)關系信息的記錄，包括關聯(lián)對象、關系類型、關系名稱、關聯(lián)強度、生命周期，另一方面是屬性關聯(lián)關系的自身功能，主要體現(xiàn)在關聯(lián)對象的對象約束、屬性約束以及關聯(lián)對象間的行為傳導。其中，關系記錄可以通過對應的基于網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)模型進行表達和存儲，將關聯(lián)對象映射成為關系節(jié)點，關系本體的信息（關系類型、名稱等）映射成為關系邊，構(gòu)建成為關系網(wǎng)絡。關系功能可以通過對關系注冊相應的規(guī)則而實現(xiàn)，針對不同類型的功能，設置不同的約束規(guī)則，形成關系規(guī)則集合。

圖1 屬性關聯(lián)關系的組成內(nèi)容Fig.1 The composition of attributive associative relationship

2 多粒度時空對象屬性關聯(lián)關系的構(gòu)建要求

多粒度時空對象屬性關聯(lián)關系的構(gòu)建，是對屬性關聯(lián)關系進行存儲、管理、可視化顯示以及分析等應用的基礎，因此，在全空間信息系統(tǒng)中，如何能夠高效、精細地構(gòu)建對象間的關聯(lián)關系，顯得尤為重要。屬性關聯(lián)關系的產(chǎn)生完全依賴于對應的多粒度時空對象，因此，構(gòu)建屬性關聯(lián)關系一方面需要顧及到多粒度時空對象本身的多維動態(tài)特征[1]，一方面需要考慮屬性關聯(lián)關系的組成與自身特點，另一方面還需要符合關聯(lián)關系構(gòu)建的應用需求，本文從這三方面出發(fā)，對屬性關聯(lián)關系的構(gòu)建要求進行了探討，下面進行詳述：

1）滿足對象共現(xiàn)的關聯(lián)關系構(gòu)建的條件。在全空間信息系統(tǒng)中，多粒度時空對象的動態(tài)特征導致并不是任意兩個對象之間都可以構(gòu)建關聯(lián)關系，它們必須滿足兩個對象的生命周期有重疊的條件，即對象必須共現(xiàn)（處于同一時間范圍內(nèi)），才可以構(gòu)建關聯(lián)關系，數(shù)學表達為：設對象A的生命周期為Ta，對象B的生命周期為Tb，若Ta∩Tb≠ ，則A與B之間可以構(gòu)建關聯(lián)關系。關聯(lián)對象的構(gòu)建需滿足此條件方可進行。

2）實現(xiàn)快速、精準的關聯(lián)關系構(gòu)建。全空間信息系統(tǒng)是面向大數(shù)據(jù)[3]的，在需要對海量屬性關聯(lián)關系進行構(gòu)建時，如何使得用戶以最少的操作完成關聯(lián)關系構(gòu)建的任務目標，如何以更加智能的方式進行關系的構(gòu)建，是關聯(lián)關系構(gòu)建方法研究的關鍵。

3）支持不同情況下，多種類型的關聯(lián)關系構(gòu)建。屬性關聯(lián)關系構(gòu)建在構(gòu)建過程中，根據(jù)源對象與目標對象數(shù)量的不同，可能會存在一對一、一對多、多對一、多對多不同類型的關聯(lián)關系的構(gòu)建；在目標對象生命周期不相同的情況下，可能存在一個對象與多個共現(xiàn)對象的關系構(gòu)建或者一個對象與多個不共現(xiàn)對象的關系構(gòu)建，因此針對不同的需求和應用情況，應提供多種關聯(lián)關系的構(gòu)建方式。

4）以更加直觀的、符合人類認知習慣的方式完成關聯(lián)關系構(gòu)建。在現(xiàn)有的GIS軟件（如ArcGIS、MapGIS）中，可以通過構(gòu)建關系類來存儲屬性關聯(lián)關系的集合[11-12]，但是在構(gòu)建過程中，源對象與目標對象的選取基于對象的文本描述而進行，無法了解對象的形態(tài)與地理分布，不夠直觀。因此，如何讓用戶通過更加直觀的、符合人類認知習慣的方式完成關系的構(gòu)建，也是系統(tǒng)友好性設計的體現(xiàn)。

3 多粒度時空對象屬性關聯(lián)關系的交互式構(gòu)建

對于多粒度時空對象屬性關聯(lián)關系而言，關聯(lián)關系的主體（即源對象與目標對象，本文中統(tǒng)稱為關聯(lián)對象）是決定關聯(lián)關系性質(zhì)的根本。在全空間信息系統(tǒng)中，需要基于關聯(lián)對象的時空動態(tài)特征，完成關聯(lián)對象快速、精確的確定，這是關聯(lián)關系構(gòu)建的關鍵。本文針對多粒度時空對象屬性關聯(lián)關系構(gòu)建的要求，提出一種多粒度時空對象屬性關聯(lián)關系的交互式構(gòu)建方法，該方法通過可視化界面將原始對象集合篩選成共現(xiàn)的對象集合，使其滿足關聯(lián)關系的構(gòu)建條件，且用戶在選取過程中可直接觀察到所有對象的形態(tài)、屬性以及對象的空間分布，是一種符合人類認知習慣的關聯(lián)對象確定方法。除此之外，還支持一對一、一對多、多對一、多對多4種類型屬性關聯(lián)關系的構(gòu)建，滿足了不同情況下的關聯(lián)關系構(gòu)建需求。

3.1 交互式構(gòu)建的基本流程

多粒度時空對象屬性關聯(lián)關系的交互式構(gòu)建的過程，大體上主要分為兩個部分，一個部分是關聯(lián)對象的確定，另一個部分是關系信息的輸入。其中，關聯(lián)對象的確定需要以多粒度時空對象的動態(tài)可視化顯示為基礎，通過用戶限定可視化顯示的時空范圍，確定共現(xiàn)對象集合，在此基礎上進行人機交互選取以及手動篩選，進行關聯(lián)對象集合的確定；關系信息的輸入需要人工自定義完成，用于實現(xiàn)關聯(lián)對象與關系本體到關系網(wǎng)元素的映射。多粒度時空對象屬性關聯(lián)關系的交互式構(gòu)建基本流程如圖2所示。

圖2 多粒度時空對象屬性關聯(lián)關系的交互式構(gòu)建基本流程Fig.2 The basic process on interactive construction of multi-granularity spatial-temporal objects attributive associative relationship

3.2 關聯(lián)對象的選取方法

1）可視化時空范圍確定

時空范圍是時間范圍和對應的空間范圍的聯(lián)合范圍[13]，對于關聯(lián)對象的選取而言，由于每一次選取操作都是在某一時間點對應的靜態(tài)可視化界面上完成的，因此，關聯(lián)對象選取的可視化界面的時空范圍即為多個時間點上對應可視化界面所在空間范圍的集合，即

其中，t為一個時間點，Sv為t時刻下對應的可視化界面對應的空間范圍，(t,Sv)為一個時間點對應的時空范圍要素，TSv為可視化界面對應的時空范圍集合?？紤]多粒度時空對象的動態(tài)特征，面向關聯(lián)對象選取的可視化界面時空范圍限定時存在兩種情況：

①一個對象可以和某一時刻同時存在的多個對象建立關系，如總公司與其2017年成立的分公司之間建立隸屬關系；或某一時刻同時存在的多個關聯(lián)對象之間互相建立關系，如建立2017年A市所有建材公司之間的貿(mào)易關系。此時需要限定一個時間點t0，在此時間點對應的可視化界面上進行縮放漫游或指定顯示范圍的坐標位置，選取所有的源對象和目標對象，如圖3所示。

圖3 一個對象和某一時刻多個對象建立關系Fig.3 An object with a number of objects to establish relations at a certain time

②一個對象和不同時刻出現(xiàn)的對象建立關系，如總公司與2010～2017年之間每年成立的分公司之間建立隸屬關系，此時需要指定多個時間點t0，t1，…，tn，在每個時間點對應的可視化界面上進行縮放漫游或指定顯示范圍的坐標位置，為一個源對象在多個時間點對應的可視化界面上選取多個目標對象。需要注意的是，此種類型源對象必須存在于選取的每個時間所對應的可視化界面上方可進行，如圖4所示。

圖4 一個對象和多個時刻多個對象建立關系Fig.4 An object with a number of objects to establish relations at multiple moments

2）關聯(lián)對象的人機交互選取與手動篩選

可視化界面的時空范圍的限定為關聯(lián)對象的選取提供了基礎，在此之上，用戶通過操作鼠標等交互設備，對指定時間點的可視化界面中的對象進行點選、框選、圓選、線選等方式，完成對象單個或者批量選取的任務，得到關聯(lián)對象的待選集合。根據(jù)源對象與目標對象數(shù)量的不同，交互選取可以分為一對一，一對多，多對一、多對多4種類似關聯(lián)關系的選取，其中，一對一、一對多、多對一選取需分別選取源對象和目標對象待選集合，待選集合進行進一步的手動篩選，得到最終的源對象與目標對象集合，相互之間建立關聯(lián)關系；多對多分為兩種情況，第一種是分別選取源對象和目標對象待選集合，在此基礎上，進行進一步的手動篩選使得源對象與目標對象數(shù)量相等，根據(jù)順序建立相互之間的關聯(lián)關系，第二種是批量選擇多個對象得到關聯(lián)對象的待選對象集合，然后對其進行手動篩選，得到一個關聯(lián)對象集合，集合中對象之間兩兩構(gòu)建關聯(lián)關系。選取示意圖如圖5所示。

圖5 4種類型關聯(lián)關系示意圖Fig.5 The schematic diagram of four types of relationships

3.3 關聯(lián)關系信息的輸入

在關聯(lián)對象獲取的結(jié)果上，關系信息的輸入需要設計關聯(lián)關系構(gòu)建的向?qū)Ы缑鎭磔o助用戶完成操作，任何需求的關聯(lián)關系都可通過此方法來完成構(gòu)建。關聯(lián)關系的構(gòu)建根據(jù)關系信息的類型不同，向?qū)Ы缑娣譃殛P聯(lián)關系基本信息、關聯(lián)關系生命周期、關聯(lián)關系強度信息、關聯(lián)關系約束規(guī)則4個頁面，關聯(lián)關系信息輸入的步驟如圖6所示。

圖6 關聯(lián)關系信息輸入步驟Fig.6 The process on correlation information input

關系信息的輸入分別針對一對一、一對多、多對一、多對多4種類型關聯(lián)對象選取的結(jié)果進行，一對一類型的信息輸入可以詳細設置一條關聯(lián)關系的所有信息，但是構(gòu)建的效率較低，適用于關聯(lián)關系具有詳細設置需求或小型的關系網(wǎng)的構(gòu)建情況；一對多、多對一、多對多類型的信息輸入，關聯(lián)關系的基本信息、生命周期、強度信息、約束規(guī)則都是批量構(gòu)建的，即對應值是相同的，無法一一設置，構(gòu)建時精細程度較低，適用于中大型的關系網(wǎng)中批量創(chuàng)建性質(zhì)相同的關聯(lián)關系情況。4種類型關聯(lián)關系的手動構(gòu)建各有利弊，表2從精細程度、靈活程度、構(gòu)建效率、應用場景4個方面對4種類型關聯(lián)關系的手動式信息輸入進行了對比。

表2 4種類型關聯(lián)關系的信息輸入對比Tab.2 The contrast on four types of correlation information input

4 實驗與結(jié)果

目前空中遠程機動作戰(zhàn)中，預警機類似于飛機隊伍的大腦，負責空中指揮和發(fā)現(xiàn)敵對目標，因此需要構(gòu)建作戰(zhàn)過程中同一方軍隊預警機與其他飛機之間的指揮關系，以保證命令信息的正確發(fā)送。作戰(zhàn)過程中，飛機的位置是隨時變化的，并且由于作戰(zhàn)過程中飛機的打擊隕落、以及新飛機的支援，因此需要在不同時刻，不同空間區(qū)域下構(gòu)建預警機與其他新出現(xiàn)的飛機之間的指揮關系。本文采用c++語言在Visual Basic2010上基于QGIS進行二次開發(fā)，搭建了面向多粒度時空對象屬性關聯(lián)關系原型實驗系統(tǒng)，以某支空軍中隊一次作戰(zhàn)演習過程為例，構(gòu)建了預警機與整個過程中其他飛機的指揮關系。原型系統(tǒng)構(gòu)建的界面以及構(gòu)建的關聯(lián)關系結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 原型系統(tǒng)中指揮關系的構(gòu)建界面Fig.7 The interface of command relationship in prototype system

圖8 指揮關系構(gòu)建結(jié)果部分信息展示Fig.8 The partial results of command relationship construction

5 結(jié)束語

全空間信息系統(tǒng)力求全面地反映現(xiàn)實世界中實體間存在的各種關系，用以滿足更多領域?qū)Χ喾N關系應用的需求，多粒度時空對象模型中，屬性關聯(lián)關系的描述將在關系主體、關系類型、關系屬性上進行擴充，為系統(tǒng)功能從基礎的關系計算分析和查詢檢索轉(zhuǎn)向時空大數(shù)據(jù)下關聯(lián)分析、深度關聯(lián)挖掘和關系決策支持等應用提供信息支撐。針對多粒度時空對象的特點以及屬性關聯(lián)關系的相關應用需求，提出屬性關聯(lián)關系的構(gòu)建需求，研究適合多粒度時空對象屬性關聯(lián)關系的構(gòu)建方法，是關聯(lián)關系的屬性關聯(lián)關系的存儲與管理技術、分析和可視化表達等方面的基礎。

另外，現(xiàn)有的社會學、經(jīng)濟學等領域已對現(xiàn)實世界中人、組織、國家等實體間社交、貿(mào)易等多種屬性關聯(lián)關系基于復雜網(wǎng)絡進行了詳細的描述，因此，全空間信息系統(tǒng)需要容納已有的屬性關聯(lián)關系的信息，支持已有關聯(lián)關系數(shù)據(jù)的批量轉(zhuǎn)換與生成。下一步研究將考慮如何將現(xiàn)有基于復雜網(wǎng)絡的屬性關聯(lián)關系的相關信息進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)多粒度時空對象的屬性關聯(lián)關系批量構(gòu)建，使得多粒度時空對象之間包含更加豐富種類的屬性關聯(lián)關系。