沈敬偉,溫永寧,閭國(guó)年,吳明光,張紅平

(南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210046）

時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系描述及其推理研究

沈敬偉,溫永寧,閭國(guó)年,吳明光,張紅平

(南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210046）

空間目標(biāo)處于一定的時(shí)間與空間中,時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系和空間拓?fù)潢P(guān)系經(jīng)常交織在一起,形成時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系,因此有必要在統(tǒng)一框架下研究時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系。基于A llen對(duì)時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系和 Egenhofer對(duì)空間拓?fù)潢P(guān)系的研究,對(duì)時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系和空間拓?fù)潢P(guān)系分別采用3×3的矩陣進(jìn)行描述,將時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系表示為3×6的矩陣,并描述了簡(jiǎn)單面/面之間的104種時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系。在研究時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系推理和空間拓?fù)潢P(guān)系推理的基礎(chǔ)上,提出了一種時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系推理方法。該文提出的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系描述和推理方法對(duì)于拓展時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的研究具有重要意義。

時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系;時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系;空間拓?fù)潢P(guān)系;描述;推理

0 引言

地理空間中的目標(biāo)之間存在著各種與空間相關(guān)的關(guān)系,如前后、左右、東西南北、包含、相鄰、相距等,也存在同時(shí)發(fā)生、在不同的時(shí)刻結(jié)束等時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系?？臻g目標(biāo)是時(shí)間與空間的統(tǒng)一體,其時(shí)態(tài)、空間以及時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系描述及其推理是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

在時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系研究方面:A llen對(duì)時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系描述和推理進(jìn)行了研究,歸納出13種時(shí)態(tài)關(guān)系,并用組合表的形式描述了13種時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系的推理結(jié)果[1];舒紅等提出并證明了完備、唯一的描述時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系的4交集模型(4IM）框架[2];Bassiri等基于粗集理論,研究了時(shí)段之間的時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系,定義了68種時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系[3]。在空間拓?fù)潢P(guān)系研究方面:點(diǎn)集拓?fù)浞?、區(qū)域連接演算法、符號(hào)投影法(2D String）、外接矩形法和廣義交模型描述法等用于拓?fù)潢P(guān)系描述[4-7];基于謂詞邏輯的推理、組合表推理、基于產(chǎn)生式的推理、基于代數(shù)的推理、基于語(yǔ)意網(wǎng)絡(luò)的推理和分層逼近法等用于拓?fù)潢P(guān)系推理[8-10];Egenhofer基于點(diǎn)集拓?fù)淅碚?研究了基于面與面之間的8種基本拓?fù)潢P(guān)系在概念層次上的推理,使用組合表給出了64種可能的推理結(jié)果[11]。在時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系研究方面:Claramunt等對(duì)統(tǒng)一框架體系下的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行了描述和分析[12,13];Hallot等提出了退化拓?fù)潢P(guān)系的概念,并對(duì)點(diǎn)對(duì)象之間的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行研究[14];高勇等針對(duì)二維歐氏空間內(nèi)的平面移動(dòng)對(duì)象,建立基于時(shí)間片的時(shí)空數(shù)據(jù)模型,并在9 IM的基礎(chǔ)上,定義移動(dòng)對(duì)象時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的定性模型[15];薛存金等提出基于笛卡爾運(yùn)算的時(shí)空框架集成體系,歸納出64種聯(lián)合完備且互不相交的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系[16],并引入 Rough集理論的上、下近似集概念對(duì)不確定性對(duì)象進(jìn)行表達(dá),研究了不確定性對(duì)象的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系[17];曾聯(lián)斌等針對(duì)時(shí)空對(duì)象,建立了基于時(shí)段時(shí)空數(shù)據(jù)模型,根據(jù)9IM以及基于時(shí)段的時(shí)間表示方法,定義了時(shí)空對(duì)象時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系模型[18]。

值得指出的是,雖然時(shí)態(tài)、拓?fù)浼皶r(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的研究取得了很大進(jìn)展,但時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系推理方面的研究比較滯后。時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系描述是時(shí)空拓?fù)渫评淼幕A(chǔ),故對(duì)時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系描述和推理進(jìn)行研究。

1 時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系描述

1.1 時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系描述

牛頓時(shí)空觀認(rèn)為:絕對(duì)、真實(shí)的數(shù)學(xué)時(shí)間,就其自身及其本質(zhì)而言,是永遠(yuǎn)均勻地流動(dòng)的,不依賴于任何外界事物。時(shí)間是連續(xù)的,可用一個(gè)向過(guò)去和未來(lái)無(wú)限擴(kuò)展的一維坐標(biāo)軸表示。為了描述時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系,本文給出了時(shí)間軸上幾個(gè)概念的基本定義。

定義1 時(shí)刻:時(shí)間軸上的每個(gè)點(diǎn)表示一個(gè)時(shí)刻,它沒(méi)有長(zhǎng)短,只有先后,是一個(gè)序數(shù),用 ti(i=1, 2,3,…,n）表示。

定義2 時(shí)間段:時(shí)間軸上的一段時(shí)間表示一個(gè)時(shí)間段,時(shí)間段可以表示為 T=[ts,te],ts和te分別表示時(shí)間段的開(kāi)始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻,且 ts＜te。

定義3 時(shí)間段前部、后部、內(nèi)部:時(shí)間軸上的時(shí)間段 T=[ts,te]是一個(gè)閉區(qū)間,T-=(-,ts]表示時(shí)間段 T的前部,T+=[te,+）表示時(shí)間段 T的后部, To=(ts,te）表示時(shí)間段 T的內(nèi)部。

時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系可用3×3的矩陣表達(dá),即通過(guò)比較兩個(gè)時(shí)間段的前部、內(nèi)部和后部的相交關(guān)系,對(duì)時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行形式化表達(dá)。設(shè)有兩個(gè)時(shí)間段 TX[Xs,Xe]和 TY[Ys,Ye],X-、Xo、X+、Y-、Yo和 Y+分別表示 TX和 TY的時(shí)間段前部、內(nèi)部和后部。公式(1）給出時(shí)間段 TX和 TY之間的時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系的矩陣表達(dá)形式,該式也可用長(zhǎng)度為9的字符串表示,字符串的順序按照矩陣中行優(yōu)先的順序排列,表達(dá)式為(X-∩Y-,X-∩Yo,X-∩Y+,Xo∩Y-,Xo∩Yo,Xo∩Y+,X+∩Y-,X+∩Yo,X+∩Y+）,TR中元素的取值可以為{0,1},分別表示{空集,非空集}。

A llen基于時(shí)間段邏輯模型,區(qū)分了13種互不相交且聯(lián)合完備(Jointly Exhaustive and Pairw ise Disjoint,JEPD）的時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系,分別是{equal,before,meets,overlaps,during,starts,finishes,after, met,overlapped,contain,started,finished}。表1給出了A llen描述的13種拓?fù)潢P(guān)系的3×3矩陣的字符串表現(xiàn)形式。

1.2 空間拓?fù)潢P(guān)系描述

拓?fù)潢P(guān)系描述的主要目的是建立空間目標(biāo)與所對(duì)應(yīng)的拓?fù)潢P(guān)系之間的映射。不同的拓?fù)潢P(guān)系可以采用不同的方法,但映射的結(jié)果必須與認(rèn)知的概念相一致,還需要考慮拓?fù)潢P(guān)系的推理等特性。Randell等通過(guò)區(qū)域連接演算(RCC）理論描述空間目標(biāo)之間的拓?fù)潢P(guān)系[5];Egenhofer等基于點(diǎn)集拓?fù)淅碚揫4],先后提出4IM、9 IM模型描述簡(jiǎn)單空間目標(biāo)拓?fù)潢P(guān)系,其中9IM通過(guò)描述空間目標(biāo)的內(nèi)部、邊界和外部表達(dá)空間目標(biāo)之間的拓?fù)潢P(guān)系。無(wú)論是RCC理論,還是交集模型,都區(qū)分8種符合人類認(rèn)知的簡(jiǎn)單面/面之間的拓?fù)潢P(guān)系。為了將空間拓?fù)潢P(guān)系描述與時(shí)態(tài)拓?fù)涿枋鼋y(tǒng)一到一個(gè)框架下,采用9IM描述簡(jiǎn)單面/面之間的拓?fù)潢P(guān)系。

如果空間目標(biāo)A和B的內(nèi)部、邊界和外部分別用Ao、?A、A-和Bo、?B、B-表示,則9IM的表現(xiàn)形式如公式(2）所示,其中元素的取值可以為{0,1},分別表示{空集,非空集}。簡(jiǎn)單面/面之間存在8種有意義的拓?fù)潢P(guān)系:{Disjoint,M eet,Overlaps,Covers, Contains,Equal,CoveredBy,Inside}。圖 1描述了簡(jiǎn)單面/面之間的8種拓?fù)潢P(guān)系,并給出了相應(yīng)的9IM矩陣。

1.3 時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系描述

時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系是建立在時(shí)間維上,從空間目標(biāo)生存時(shí)間的角度考察拓?fù)潢P(guān)系,并未考慮空間目標(biāo)在空間位置上的關(guān)系;而空間拓?fù)潢P(guān)系則在空間維上定義,是從空間目標(biāo)的空間位置出發(fā),并未考慮空間目標(biāo)在生存時(shí)間上的拓?fù)潢P(guān)系?？臻g目標(biāo)存在于一定時(shí)間與空間中,研究空間目標(biāo)之間的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系要綜合考慮時(shí)間和空間兩個(gè)因素。任意兩個(gè)空間目標(biāo)之間的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系是由時(shí)間維上的時(shí)態(tài)拓?fù)浜涂臻g維上的空間拓?fù)渎?lián)合組成,即不但要考慮時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系,還要考慮其與空間拓?fù)潢P(guān)系相互作用的因素,因此,需要將時(shí)態(tài)拓?fù)浜涂臻g拓?fù)渎?lián)合考慮。通過(guò)對(duì)時(shí)態(tài)和空間拓?fù)潢P(guān)系的研究,進(jìn)一步提出時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的集成表達(dá)方法。

由于時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系和空間拓?fù)潢P(guān)系分別采用3 ×3的矩陣描述,空間目標(biāo)之間時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的聯(lián)合矩陣表達(dá)框架可表示為:

在公式(3）中,元素的取值可以為{0,1},分別表示{空集,非空集};左半部分3×3的矩陣表示時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系,右半部分3×3的矩陣表示空間拓?fù)潢P(guān)系。時(shí)態(tài)和空間拓?fù)潢P(guān)系均采用3×3的矩陣表達(dá),理論上分別能夠區(qū)分29=512種時(shí)態(tài)和空間拓?fù)潢P(guān)系。因?yàn)榇嬖?3種有實(shí)際意義的時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系和8種簡(jiǎn)單面/面之間的空間拓?fù)潢P(guān)系,共能表達(dá)13×8 =104種簡(jiǎn)單面/面之間的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系(表2）。

表2中灰色表示空間目標(biāo)A,白色表示空間目標(biāo)B;每一項(xiàng)的橫向表示面/面之間時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系的描述,縱向表示空間拓?fù)潢P(guān)系的描述。表2描述了在不同的時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系和空間拓?fù)潢P(guān)系情況下所有的104種時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系。為了便于在時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系推理中表達(dá)時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系,對(duì)表2中的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行編號(hào),并按照行優(yōu)先的順序編號(hào),表中各項(xiàng)的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的編號(hào)為:1,2,3,…,103,104。

2 時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系推理

2.1 時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系推理

人類對(duì)各種事物進(jìn)行分析、綜合并最后決策的過(guò)程中,通常從掌握的已知事實(shí)出發(fā),運(yùn)用事物之間的相互關(guān)系(如因果關(guān)系等）,找出其中蘊(yùn)含的更多的事實(shí),這個(gè)過(guò)程通常被稱為推理[7]。對(duì)于給定前提的時(shí)間段 X TRY和YTRZ時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系,希望得到 X TRZ的時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系。拓?fù)潢P(guān)系推理通常用組合表來(lái)表示,組合表是采用二維表格存儲(chǔ)所有可能的推理結(jié)果的一種規(guī)則表示形式,它實(shí)質(zhì)上是一種基于框架的知識(shí)表示,用二維表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。時(shí)間段之間有13種拓?fù)潢P(guān)系,它的推理組合表是一張13×13的表,表中的每一項(xiàng)分別表示不同組合所能推理到的可能的時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系。A llen給出了時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系組合推理表[1](表3）。

對(duì)于已知的時(shí)間段 X TRY和 YTRZ時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系,通過(guò)表3可以得到 X TRZ的時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系推理結(jié)果。若時(shí)間段 X和Y間的時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系為before,而Y和Z間的時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系為meets,則A和C間時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系為befo re。通過(guò)時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系推理表,能夠推理出可能的時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系。

表3 時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系推理Table 3 Reasoning of temporal topological relationships

2.2 空間拓?fù)潢P(guān)系推理

空間拓?fù)潢P(guān)系推理是利用已知的空間目標(biāo)之間拓?fù)潢P(guān)系,推理得到未知的拓?fù)潢P(guān)系或排除不可能的拓?fù)潢P(guān)系,從而獲取空間目標(biāo)之間的拓?fù)潢P(guān)系。即根據(jù)空間目標(biāo)A和B及B和C間已知的拓?fù)潢P(guān)系,推理空間目標(biāo)A和C間的拓?fù)潢P(guān)系。簡(jiǎn)單面/面之間有8種基本拓?fù)潢P(guān)系,它的推理組合表是一張8×8的表,表中的每一項(xiàng)分別表示不同組合所能推理到的可能的拓?fù)潢P(guān)系?；诩习P(guān)系的傳遞性,Egenhofer給出簡(jiǎn)單面/面之間推理組合表[11](表4）。

表4 簡(jiǎn)單面/面之間空間拓?fù)潢P(guān)系推理Table 4 Reasoning of spatial topological relationships between regions

2.3 時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系推理

時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系推理是指對(duì)占據(jù)空間并隨時(shí)間變化的空間目標(biāo)之間的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行的推理,它從時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系推理和空間拓?fù)潢P(guān)系推理發(fā)展而來(lái)[19]。本文提出了一種結(jié)合時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系推理和空間拓?fù)潢P(guān)系推理,研究時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系推理的方法,即判斷時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系推理產(chǎn)生的結(jié)果 TO和空間拓?fù)潢P(guān)系推理產(chǎn)生的結(jié)果SO,從而得到時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系推理的結(jié)果 TSO:

二維簡(jiǎn)單面/面之間存在104種時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系,如果用拓?fù)渫评肀肀磉_(dá),則它的推理組合表是一張104×104的表,表中的每一項(xiàng)分別表示不同組合所能推理到的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系。限于篇幅,本文針對(duì)給定的時(shí)空情況,根據(jù)表3和表4推理出時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系。

如果存在3個(gè)時(shí)空對(duì)象 TSA、TSB和 TSC:如果 TSA和 TSB時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系為 meets,TSB和TSC時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系為finished,則根據(jù)表 3可知, TSA和 TSC的時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系為{during,starts,overlaps};如果 TSA和 TSB空間拓?fù)潢P(guān)系為Contains,TSB和 TSC空間拓?fù)潢P(guān)系為Overlap s,則根據(jù)表4可知,TSA和 TSC的空間拓?fù)潢P(guān)系為{Contains,Covers,Overlaps};由時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系推理和空間拓?fù)潢P(guān)系推理可以得到時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系:{(during-Contains）,(during-Covers）,(during-Overlaps）,(starts-Contains）,(starts-Covers）,(starts-Overlap s）,(overlaps-Contains）,(overlaps-Covers）,(overlaps-O-verlap s）},對(duì)應(yīng)的時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系編號(hào)分別是{22,23, 24,70,71,72,38,39,40}。以上通過(guò)推理得出的時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系能夠用公式(3）所表示的統(tǒng)一框架表達(dá)。

3 結(jié)語(yǔ)

時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系描述和推理是地理信息系統(tǒng)、人工智能以及時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)等相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文在對(duì)時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系和空間拓?fù)潢P(guān)系統(tǒng)一采用9IM表達(dá)的基礎(chǔ)上,提出一種新的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系描述框架,能夠有效地描述時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系;并結(jié)合時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系推理和空間拓?fù)潢P(guān)系推理,進(jìn)行時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系推理,提出了一種時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系推理的解決思路。本文提出的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系描述和推理方法,不僅適用于面/面時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系,也能夠用于線/線、線/面和體/體等時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系描述和推理,具有普適性。

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Representation and Reason ing about Spatial-Temporal Topological Relationships

SHEN Jing-wei,WEN Yong-ning,LV Guo-nian,WU Ming-guang,ZHANG Hong-ping
(Key Laboratory of Virtual Geographic Environment(M inistry of Education）,Nanjing Normal University,Nanjing 210046,China）

Spatial object is the unit of space and time.Spatial-temporal topological relationship is composed of tempo ral topological relationship in time dimension and spatial topological relationship in spatial dimension.It is essential to study on spatial-temporal topological relationships in a unified framework.On the analysisof A llen′s13 temporal topological relationships and Egenhofer′s 8 spatial relationshipson regions,the integration framework fo r spatial-tempo ral topological relationships is p roposed.In this paper,temporal topological relationshipsand spatial topological relationshipsare rep resented by 3×3 matrix respectively,so the authors p roposed to use 3×6 matrix to depict spatial-temporal topological relationships.Asmany as 13×8=104 kinds of spatial-tempo ral topological relationships are illustrated.On the analysisof temporal topological relationshipsand spatial topological relationships reasoning,a spatial-temporal topological relationships reasoning method is p roposed.Spatial-tempo ral topological relationships rep resentation and reasoning method can be contributed to the research of spatial-temporal topological relationships.

spatial-temporal topological relationships;temporal topological relationships;spatial topological relationships;rep resentation;reasoning

P208

A

1672-0504(2010）06-0001-05

2010-09-08;

2010-10-25

國(guó)家自然科學(xué)基金“基于龐加萊對(duì)偶的三維自由拓?fù)淠Ｐ汀?40901186）;國(guó)家自然科學(xué)基金“面向地理問(wèn)題求解的分布式地理建模環(huán)境研究”(40730527）

沈敬偉(1984-）,男,博士研究生,主要研究方向?yàn)樘摂M地理環(huán)境、3D GIS。E-mail:jingweigis@163.com