林 艷,劉萬(wàn)增,王育紅

(1.北京師范大學(xué)資源學(xué)院,北京 100875;2.國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心,北京 100830;3.河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院,河南焦作 454000）

一種基于更新過程的空間變化信息描述方法

林 艷1,2,劉萬(wàn)增2,王育紅3

(1.北京師范大學(xué)資源學(xué)院,北京 100875;2.國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心,北京 100830;3.河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院,河南焦作 454000）

針對(duì)空間數(shù)據(jù)更新中變化信息與原數(shù)據(jù)庫(kù)集成效率低的問題,提出了基于更新過程的變化信息描述模型(UPM-CIR）,即將更新過程分解為更新事務(wù)序列,并采用適當(dāng)?shù)目臻g位置、幾何、屬性等信息對(duì)更新事務(wù)進(jìn)行補(bǔ)充描述,基于這種定性、定量的方法描述存儲(chǔ)變化信息,使得更新過程能夠被復(fù)制、解析、回放。在空間數(shù)據(jù)的更新試驗(yàn)中,采用UPM-CIR模型實(shí)現(xiàn)變化信息的表達(dá)、存儲(chǔ),并將存儲(chǔ)的變化信息集成到其他待更新數(shù)據(jù)中,試驗(yàn)結(jié)果表明該描述方法能夠?qū)崿F(xiàn)變化信息的自動(dòng)回放、高效集成。

模型;變化信息;過程;更新事務(wù);操作

0 引言

目前,空間數(shù)據(jù)更新的一般流程是將待更新數(shù)據(jù)作底圖,利用新影像或野外實(shí)地量測(cè)變化的部分,然后將量測(cè)結(jié)果提交到數(shù)據(jù)中心,通過人工操作將變化融合到原數(shù)據(jù)庫(kù)中[1,2],該過程中手工編輯更新的方式效率低且容易出錯(cuò),解決辦法是在量測(cè)的同時(shí)將變化信息以一種可被解析的方式存儲(chǔ),集成時(shí)只需用程序讀取、解析,并將該變化信息自動(dòng)融合到舊數(shù)據(jù)中,其中,如何有效地描述和表達(dá)數(shù)據(jù)更新中的變化信息是關(guān)鍵[1,3]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于不同的理解和應(yīng)用目的,從3個(gè)角度嘗試對(duì)變化信息進(jìn)行描述。

一是對(duì)造成時(shí)空變化的原因——“事件”進(jìn)行分類和描述[2,4,5]。研究時(shí)空變化的原因?qū)陀^世界的認(rèn)知和數(shù)據(jù)庫(kù)更新具有重要意義[6];但事件導(dǎo)致空間數(shù)據(jù)庫(kù)滯后于現(xiàn)勢(shì)狀態(tài),是需要數(shù)據(jù)更新的客觀原因,而不是真正的空間數(shù)據(jù)更新操作,基于事件的變化信息存儲(chǔ)會(huì)造成集成困難[7]。

二是對(duì)時(shí)空變化產(chǎn)生的差進(jìn)行定義和分類。由于上述事件描述方法不能表達(dá)更新中真正的變化信息,Beyen[8]、朱華吉[6]分別從集合和圖元的角度,對(duì)時(shí)空變化產(chǎn)生的差進(jìn)行定義和分類,這種方法表達(dá)了純粹的“變化信息”,但是“差”是一種靜態(tài)的空間數(shù)據(jù)形態(tài),也難以實(shí)現(xiàn)變化信息自動(dòng)入庫(kù)更新。

三是以更新數(shù)據(jù)庫(kù)為目的,以“要素”為基本粒度,記錄變化目標(biāo)及更新操作,已應(yīng)用到工程實(shí)踐中。如MasterMap[9]將空間數(shù)據(jù)庫(kù)中變化的要素作為變化信息,對(duì)象屬性中隱式存儲(chǔ)了更新集成時(shí)的操作類型;Laser-Scan公司的 Gothic空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)[10]和 Navigation Technologies公司[11]將地理數(shù)據(jù)集的變化信息組織為一連串的更新事務(wù)。但實(shí)際上,變化信息采集只是對(duì)要素的變化部分進(jìn)行操作,如某條道路延長(zhǎng),只需采集延長(zhǎng)的部分,而不是刪除原目標(biāo),再重新采集,因此,這種以目標(biāo)整體為最小存儲(chǔ)粒度的變化表達(dá)方法,會(huì)增加實(shí)際操作的工作量。

本文在現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上,提出基于更新過程的變化信息描述方法,邏輯上將采集過程分解為定性的更新事務(wù),并附加適當(dāng)?shù)目臻g位置、幾何等信息對(duì)更新事務(wù)進(jìn)行定量描述,使得更新過程可以被復(fù)制、在他處解析、執(zhí)行,最終實(shí)現(xiàn)變化信息采集、變化信息存儲(chǔ)和變化信息的自動(dòng)集成更新,稱為基于更新過程的變化信息描述模型(Updating Processbased Model for Changed Information Rep resentation UPM-CIR）。

1 基于過程的變化信息描述模型

過程的概念被廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域,一般指在系統(tǒng)生存周期中涉及的活動(dòng)序列。過程在本質(zhì)上是非結(jié)構(gòu)化的、定性的、經(jīng)驗(yàn)性的,不能用固定的程式表達(dá),表現(xiàn)出連續(xù)性與不可逆性[12]。

更新在本質(zhì)上是過程性的。在外業(yè)移動(dòng)端,變化采集是通過更新操作對(duì)底圖數(shù)據(jù)進(jìn)行修改的動(dòng)態(tài)更新過程;在室內(nèi),變化信息融合是將采集過程中存儲(chǔ)的變化信息集成到更新端的舊數(shù)據(jù)庫(kù)中,可以認(rèn)為,存儲(chǔ)的變化信息是一個(gè)中間媒介,將野外的更新過程復(fù)制到室內(nèi)更新端。因此,變化信息的描述是對(duì)外業(yè)更新過程的建模、存儲(chǔ)。

1.1 更新過程的定性描述

對(duì)更新過程建模,關(guān)鍵是將連續(xù)的、動(dòng)態(tài)的采集過程在時(shí)間軸上進(jìn)行離散、抽象、量化、描述和表達(dá)。變化信息的采集過程是由操作者通過人機(jī)交互,不斷地利用更新操作對(duì)變化目標(biāo)進(jìn)行修改。更新操作可看作更新執(zhí)行過程中最基本的工作單元,為避免更新操作的不穩(wěn)定導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不一致,將執(zhí)行成功的一系列更新操作組裝成更新事務(wù)。更新事務(wù)是順序執(zhí)行的,因此,空間數(shù)據(jù)庫(kù)更新過程在時(shí)間軸上離散成有序的更新事務(wù)序列。更新過程P可以表示為:

式中:F是某一更新事務(wù),?是順序連接詞(serial conjunction）,表示先執(zhí)行F1再執(zhí)行F2、F3等。

更新事務(wù)是指在空間數(shù)據(jù)庫(kù)的更新過程中,由若干執(zhí)行成功的更新操作組成的邏輯工作單元。

式中:f是順序?qū)崿F(xiàn)的更新操作。

根據(jù)采集實(shí)踐中的需求,并總結(jié)現(xiàn)有的變化信息采集軟件,本文提出針對(duì)點(diǎn)、線、面的更新操作集UOS(Updating Operations Set）(表1）。

表1 更新操作集Table 1 Updating operations set

1.2 更新過程的定量描述

更新事務(wù)能夠定性地描述變化[13],但這種定性的過程描述沒有體現(xiàn)變化信息的空間特性,難以實(shí)現(xiàn)更新過程在其他待更新數(shù)據(jù)端的定位、回放。因此,需要提供足夠的元數(shù)據(jù)以便對(duì)更新過程進(jìn)行追蹤。顯然,對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行更新操作,會(huì)量化修改目標(biāo)的空間位置、幾何形態(tài)、屬性或空間關(guān)系等,因此,需要引入空間信息來定量描述更新操作f。

式中:Oi是當(dāng)前更新操作的目標(biāo),可用目標(biāo)唯一標(biāo)識(shí)碼來表達(dá);x是對(duì)空間更新操作在幾何或?qū)傩陨系牧炕a(bǔ)充描述。

更新操作是對(duì)目標(biāo)的局部進(jìn)行修改,不同的更新操作有不同的量化參數(shù)(表2）。這種過程參數(shù)的記錄方法有兩個(gè)優(yōu)勢(shì):面向更新操作的方法使得變化信息中包含了更新操作信息從而可被解析、回放;基于更新操作的空間信息描述,相比基于集合、要素或圖元等直接保持空間圖形的方法,能減少存儲(chǔ)量,從而減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)。

表2 更新操作的定量描述Table 2 The quantitative description of updating operations

1.3 更新過程描述的優(yōu)化

更新過程是實(shí)時(shí)的,更新操作的順序是不確定的、形式是復(fù)雜的,顯然,將所有更新操作直接存儲(chǔ)為變化信息會(huì)造成存儲(chǔ)冗余及更新困難。

實(shí)際應(yīng)用中,由于操作員的習(xí)慣不同,可能帶來重復(fù)的更新事務(wù)存儲(chǔ),從而加大入庫(kù)更新時(shí)的解析計(jì)算量。例如,不同的操作者對(duì)同一變化目標(biāo)采取不同的更新事務(wù)(擴(kuò)張導(dǎo)致居民地幾何形態(tài)發(fā)生變化,操作員可以刪除原目標(biāo)并添加新目標(biāo),或者僅僅采集擴(kuò)張部分的輪廓坐標(biāo)）;另外,采集過程中,經(jīng)常出現(xiàn)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)多次操作,才能將目標(biāo)調(diào)整到準(zhǔn)確狀態(tài)。事實(shí)上,這些不同形式、多個(gè)更新操作產(chǎn)生的更新效果一樣,因此,在不影響更新結(jié)果的前提下,可通過對(duì)更新操作進(jìn)行合并,用簡(jiǎn)單的更新事務(wù)來代替復(fù)雜的多個(gè)更新事務(wù),從而優(yōu)化更新過程,以壓縮存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量,并降低后期變化信息入庫(kù)更新時(shí)的復(fù)雜度。

更新過程的優(yōu)化僅限于對(duì)同一目標(biāo)的更新操作,總結(jié)主要的計(jì)算公式如式(4）～式(9）。

2 變化信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

DBt1是t1時(shí)刻的數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài),DBt2是t2時(shí)刻的數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài),P是數(shù)據(jù)庫(kù)DB t1轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)庫(kù)DBt2的更新過程,記作P(t1,t2）,則數(shù)據(jù)庫(kù)更新的模型表達(dá)為＜DBt1,DBt2＞P。按照上述對(duì)更新過程的定性、定量描述方法,P(t1,t2）表示為:

基于過程P構(gòu)建的變化信息存儲(chǔ)模型具有如圖1的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中,時(shí)間標(biāo)識(shí)是變化信息與原數(shù)據(jù)庫(kù)之間關(guān)聯(lián)的標(biāo)識(shí),也是多個(gè)變化信息文件之間區(qū)別的標(biāo)識(shí)。元數(shù)據(jù)是對(duì)當(dāng)前變化信息的一般描述信息,如空間參考、坐標(biāo)單位、空間覆蓋范圍等,以便變化信息與待更新數(shù)據(jù)庫(kù)之間的匹配與轉(zhuǎn)換。更新過程P如式(10）,由更新操作序列構(gòu)成。變化信息入庫(kù)標(biāo)識(shí)是布爾型數(shù)據(jù),表示當(dāng)前變化信息是否已經(jīng)集成到數(shù)據(jù)庫(kù)中,避免用戶誤操作導(dǎo)致變化信息被多次疊加到數(shù)據(jù)庫(kù)中,造成更新錯(cuò)誤。

圖1 基于過程的變化信息存儲(chǔ)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.1 The data structure of changed information based on process

3 UPM-CIR模型應(yīng)用與試驗(yàn)

本文將UPM-CIR模型應(yīng)用到空間數(shù)據(jù)庫(kù)更新試驗(yàn)中,實(shí)現(xiàn)框架如圖2。首先,在變化信息采集端,更新過程被分解為更新事務(wù)序列,并通過合并計(jì)算優(yōu)化更新過程,采集的同時(shí)將采集過程保存為變化信息;然后,經(jīng)過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸,將變化信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心;最后,在數(shù)據(jù)中心,對(duì)變化信息進(jìn)行順序解析,得到更新事務(wù)及其量化描述,通過程序控制這些信息能夠與舊數(shù)據(jù)自動(dòng)融合。

圖2 基于UPM-CIR模型的空間數(shù)據(jù)更新框架Fig.2 Framework of spatial data updating based on UPM-CIRmodel

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用1995版1∶25萬(wàn)地形數(shù)據(jù)庫(kù)中的居民地(respy）和道路(roalk）數(shù)據(jù)、2000年遙感影像,圖3是對(duì)變化信息采集過程的表達(dá)及說明,以UPM-CIR模型存儲(chǔ)的變化信息以XML通用格式記錄(圖4）,變化信息集成到舊的數(shù)據(jù)庫(kù)后的更新結(jié)果如圖5?？梢?更新端是自動(dòng)回放了采集過程,這樣能避免人工操作的誤判、誤操作。

4 結(jié)論

本文分析了現(xiàn)有的變化信息描述方法不能解決變化信息的高效、自動(dòng)集成問題,以空間數(shù)據(jù)更新流程中的需求為出發(fā)點(diǎn),提出了一種基于更新過程的變化信息描述方法,對(duì)空間數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新過程進(jìn)行抽象、量化、描述,采用定性的更新事務(wù)及定量的空間信息描述更新過程,并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,從而使動(dòng)態(tài)的采集過程能夠被復(fù)制、保存,并在其他待更新端可以自動(dòng)模擬、回放。試驗(yàn)證明了該模型可以實(shí)現(xiàn)采集過程中的變化信息存儲(chǔ),解決了集成困難的問題。

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Spatial Changed Information Descr iption Based on Updating Process

L IN Yan1,2,L IU Wan-zeng2,WANG Yu-hong3(1.College of Resources Science&Technology,Beijing N ormal University,Beijing 100875; 2.N ational Geomatics Center of China,Beijing 100830; 3.School of Surveying and Information Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China）

Aim to solve the p roblem of low efficiency of changed info rmation integrating into o riginal database,a new descrip tion method based on the updating p rocess was p roposed in this paper named UPM-CIR.This method broke dow n the updating p rocess to update transactions sequence,and the update transaction was described w ith the spatial position,geometry,and attributes.Using the qualitative and quantitative descriptionmethod to storage changed information,the updating process can be replicated, parsed and replayed in other client.An experiment was carried out in thispaper,and the results show that the application of UPM-CIR method in spatial database updating can realize the automatic p layback and efficient integration of changed information.

model;changed information;p rocess;update transaction;operation

P208

A

1672-0504(2011）04-0024-04

2011-01-10;

2011-03-09

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(40701141）;河南省科技支撐項(xiàng)目(092102210361）;河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2009B420001）

林艷(1982-）,女,博士研究生,主要從事空間數(shù)據(jù)更新方法與應(yīng)用研究。E-mail:linyan20@163.com