周文婷　姚茂華

［摘要］土地信息具有典型的時空特性，為滿足土地信息動態(tài)管理的需求，急需研究基于TGIS的土地信息時空數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建方法。文章在分析土地信息的時空特性的基礎(chǔ)上，提出土地信息時空數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建方法，并介紹土地對象時空操作步驟。該模型能較好地解決土地信息管理的數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)存儲問題，對建立實用的土地動態(tài)綜合管理信息系統(tǒng)具有十分重要的意義。

［關(guān)鍵詞］土地信息管理；時空數(shù)據(jù)模型；概念模型；邏輯模型；時空操作

［作者簡介］周文婷，桂林理工大學(xué)南寧分校講師，碩士，研究方向：TGIS理論和應(yīng)用，廣西南寧，530000；姚茂華，廣西基礎(chǔ)地理信息中心，廣西南寧，530000

［中圖分類號］ P208 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1007-7723（2012）08-0032-0004

土地是人類立足的場所、生存的條件和使人類勞動過程能夠得以全部實現(xiàn)的基礎(chǔ)，是有限的、不可再生的，它既是寶貴的資源又是一筆巨大的資產(chǎn)，科學(xué)地管理土地，更集約地經(jīng)營利用土地已經(jīng)成為全球關(guān)注的問題。隨著我國土地使用權(quán)制度的改革，土地資產(chǎn)成為我國最大的國有資產(chǎn)，目前城市土地交易日益頻繁，如何既能保持與日俱增的土地信息的現(xiàn)勢性，又能進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的管理，對土地信息管理是一個巨大的挑戰(zhàn)。而要有效存儲和管理土地信息，利用傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)只能記錄當(dāng)前瞬時狀態(tài)的數(shù)據(jù)難以實現(xiàn)土地管理中的土地信息動態(tài)查詢、時空分析和決策等時空信息管理。因此，需要在土地管理中引入時間信息，研究基于TGIS（temporal geographic information systems）的土地信息時空數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建方法?；诨鶓B(tài)修正的面向?qū)ο髸r空數(shù)據(jù)模型為解決時空數(shù)據(jù)組織和存儲提供了一種較有效的解決方案。本文在此基礎(chǔ)上提出一個土地信息時空數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建方法。

一、土地信息管理中的時空特性

任何事物的發(fā)生或演變都有其時間特征。在土地信息管理中，時間和空間是不可分割地聯(lián)系在一起的，時間是不可缺少的一維，它不僅作為數(shù)據(jù)的一個組成部分，而且與空間數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)地存在著。

土地信息具有顯著的時態(tài)特征，表現(xiàn)在土地信息變更的頻繁程度、復(fù)雜程度和土地信息管理對土地信息變更的要求以及變更處理與否所造成的影響上。具體包括以下幾方面[1]：（1）土地變更的內(nèi)容包括地類名稱、土地權(quán)屬單位、土地權(quán)屬性質(zhì)和面積等。土地變更的時空變化有三種：一是屬性變化，空間不變；二是空間變化，屬性不變；三是空間和屬性同時變化。（2）土地管理要求對土地信息的變更幾乎都要進(jìn)行記載。通過對土地歷史信息的分析可以獲得過去某一時刻的土地權(quán)屬和利用狀況，可以評價過去土地政策的正確性，可以獲得將來土地利用的趨勢，可以輔助決策者根據(jù)過去的土地信息進(jìn)行決策，可以檢查現(xiàn)有數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性。（3）上報后的土地信息具有法律意義，土地信息的變更是不是隨意的，要經(jīng)過層層審批把關(guān)和協(xié)調(diào)，稍不留意，就可能引起糾紛。同時，它也是解決土地產(chǎn)權(quán)糾紛的依據(jù)。

二、土地時空數(shù)據(jù)模型設(shè)計

目前，國內(nèi)外學(xué)者提出的時空數(shù)據(jù)模型有十余種，其中實際應(yīng)用較為成功的模型以基態(tài)修正模型為代表[2]，并在應(yīng)用中根據(jù)實際情況進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展和完善[3][4] 。然而，改進(jìn)的基態(tài)修正模型只是從數(shù)據(jù)的存儲方面解決時空數(shù)據(jù)的問題，沒有解決時空數(shù)據(jù)的空間關(guān)系問題。面向?qū)ο蠹夹g(shù)的發(fā)展以及在GIS領(lǐng)域的應(yīng)用，為我們提供了一種更為科學(xué)的數(shù)據(jù)組織方式，面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型更符合客觀世界的本質(zhì)特征，可以很好地解決時空數(shù)據(jù)的空間關(guān)系問題。因此，改進(jìn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)的基態(tài)修正模型，構(gòu)建基于基態(tài)修正的面向?qū)ο髸r空數(shù)據(jù)模型是解決土地信息數(shù)據(jù)管理問題的一種可行的解決方案，為土地時空概念模型、邏輯模型和物理模型的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和新的方法。

該模型為土地對象賦予時態(tài)屬性，為土地對象建立一個有效的時間類，來描述土地對象在現(xiàn)實世界中的實際變化歷史。每個地理對象用“對象標(biāo)識+對象空間信息+對象屬性信息+對象時間信息+對象操作”表示?；诨鶓B(tài)修正的面向?qū)ο髸r空數(shù)據(jù)模型理論在時空數(shù)據(jù)建模中具有指導(dǎo)性的作用，其組成見圖1。

（一）土地時空信息

1.土地對象

在土地信息管理中，利用面向?qū)ο蟮乃枷耄疵嫦蛲恋貙嶓w對象，對土地時空信息進(jìn)行組織和表達(dá)，直接支持對象的嵌套和變長記錄，且封裝對象的所有信息，能更充分、客觀地描述土地實體，具有明顯的優(yōu)勢。

采用面向?qū)ο蟮姆椒?，土地信息作為土地對象，將空間信息、屬性信息、時間信息封裝起來，構(gòu)成一個不可分割的獨立單元，與其他土地對象發(fā)生聯(lián)系。

時間信息指記錄土地對象的存在時間，即記錄土地對象的創(chuàng)建時間（Createtime）和消亡時間（Endtime）。土地對象的消亡并不是刪除土地對象，只是改變土地對象的時間信息，土地對象仍存儲在數(shù)據(jù)庫中。在時間信息中，消亡時間（Endtime）有可能是空，這表示該時刻土地對象還存在；如果Endtime是非空，則表示該時刻土地對象已死亡。因此，仍存在的土地對象的時間信息表示為[Createtime，Now]，消亡對象表示為[Createtime，Endtime]。

2.土地對象變更

土地對象具有空間、時間和屬性特征。其空間特征通過空間類定義，時態(tài)特征通過有效時間標(biāo)記，屬性通過面積、權(quán)屬單位、權(quán)屬性質(zhì)等描述。每個對象具有唯一的ID，時空對象的操作有創(chuàng)建、消亡等。

按照變化的內(nèi)容，土地對象隨時間的變化主要分為3種：空間變化、屬性變化、屬性和空間信息同時變化。土地對象發(fā)生任何變化都將產(chǎn)生新的土地對象。新的土地對象與舊的土地對象的關(guān)系是子對象與父對象的關(guān)系。

3.差文件

考慮到土地信息的海量性以及土地信息變化較為緩慢的特點，采用動態(tài)變粒度的改進(jìn)基態(tài)修正模型[5]，只存儲土地對象的基態(tài)數(shù)據(jù)和土地對象的數(shù)據(jù)變化量（即差文件），這樣能大大減少數(shù)據(jù)冗余，且能充分表達(dá)土地對象的變化情況。因此，需要研究差文件數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)。

差文件包括土地空間變化信息、土地屬性變化信息、創(chuàng)建時間、土地對象操作和與其他差文件的關(guān)聯(lián)信息。

土地空間信息發(fā)生變化時，需要記錄土地對象的空間幾何信息。

土地屬性變化信息只記錄變化的屬性字段。

創(chuàng)建時間指變化發(fā)生的時刻，即原土地對象的消亡時間，新土地對象的創(chuàng)建時間。

土地對象操作是對土地對象的創(chuàng)建、消亡操作。土地對象操作按土地對象變化的原因，分為地類圖斑分割、合并、地類界線調(diào)整、復(fù)雜變更，線狀地物調(diào)整、增加線狀地物、減少線狀地物，增加零星地物、減少零星地物，屬性變更等。

關(guān)聯(lián)信息指創(chuàng)建的新土地對象與其他土地對象的關(guān)系信息。土地對象發(fā)生變化后，原土地對象消亡是由于新土地對象創(chuàng)建而發(fā)生的，原土地對象與新土地對象有親緣繼承關(guān)系，在差文件中，記錄上一個差文件的ID，即父對象ID。

（二）土地信息時空數(shù)據(jù)模型

基于基態(tài)修正的面向?qū)ο笸恋匦畔r空數(shù)據(jù)模型需要建立基態(tài)庫和差文件庫。其構(gòu)成如圖3所示。

基態(tài)庫是存儲土地對象的基態(tài)信息，即某一時刻所有土地對象的信息。根據(jù)動態(tài)變粒度的改進(jìn)基態(tài)修正模型，基態(tài)距是由離現(xiàn)在時刻的遠(yuǎn)近和數(shù)據(jù)變化量確定的[5]。根據(jù)面向?qū)ο蟮挠^點，基態(tài)庫存儲基態(tài)對象信息和土地對象信息?；鶓B(tài)對象信息包括基態(tài)對象的時間信息和所包含的土地對象等；土地對象信息包括空間信息、屬性信息、時間信息、關(guān)聯(lián)信息、操作信息等。

差文件庫是存儲每次土地對象發(fā)生變化產(chǎn)生的差文件信息。差文件庫是一個時間序列數(shù)據(jù)庫，存儲土地對象時間序列差文件數(shù)據(jù)。對于任意給定時刻或時段，都可以在差文件庫中查詢相對于基態(tài)的變化量，對基態(tài)進(jìn)行時空運算，得出給定時刻或時段的土地對象信息。

基態(tài)庫與差文件庫采用父差文件ID相聯(lián)。

當(dāng)要獲取某時刻的土地對象信息，則在基態(tài)數(shù)據(jù)上按順序進(jìn)行差文件的疊加操作，整合出一套完整的土地對象信息。

1.土地對象結(jié)構(gòu)

父差文件ID是將土地對象與父差文件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可以追溯土地對象的親緣繼承關(guān)系，并獲得土地信息變化量。

操作是對土地對象的創(chuàng)建和消亡操作，地類圖斑對象的操作主要包括地類圖斑分割、合并、地類界線調(diào)整、復(fù)雜變更、屬性變更等，線狀地物對象的操作包括線狀地物調(diào)整、增加線狀地物、減少線狀地物、屬性變更等，零星地物對象的操作包括增加零星地物、減少零星地物、屬性變更等。

2.差文件結(jié)構(gòu)

差文件包括土地空間變化信息、土地屬性變化信息、時間信息、土地對象操作和與其他差文件的關(guān)系信息。差文件的結(jié)構(gòu)表示如下：

差文件（CID，Geometry，要素代碼，屬性字段代碼，屬性字段值，CreatTime， EndTime，父差文件ID，操作）。

CID表示差文件的唯一標(biāo)識符；Geometry表示土地對象變化的空間幾何信息；要素代碼表示土地對象的類型；屬性字段代碼和屬性字段值表示屬性字段的變化值，差文件中只記錄變化的屬性字段；CreatTime表示差文件的創(chuàng)建時間，即土地對象變化發(fā)生的時間，同時，也是新產(chǎn)生土地對象的創(chuàng)建時間，原土地對象的消亡時間；EndTime表示差文件消亡的時間，將創(chuàng)建新的土地對象；父差文件ID是表示消亡土地對象的差文件，是新創(chuàng)建土地對象差文件的父對象，兩個土地對象和兩個差文件都有親緣繼承關(guān)系；操作是土地對象變化的原因，與土地對象中的內(nèi)容相同，分為地類圖斑操作、線狀地物操作和零星地物操作等。

3.基態(tài)結(jié)構(gòu)

在土地信息時空數(shù)據(jù)模型中，當(dāng)差文件數(shù)達(dá)到基態(tài)距時，則設(shè)立基態(tài)，在整個時間過程中，有N個基態(tài)，每個基態(tài)需要記錄基態(tài)設(shè)立時刻和該時刻的土地對象信息?；鶓B(tài)的結(jié)構(gòu)表示如下：

基態(tài)（JID，ID，RecordTime）

JID表示基態(tài)的唯一標(biāo)識符；ID表示土地對象的唯一標(biāo)識符，一個基態(tài)中有多個土地對象標(biāo)識符；RecordTime表示基態(tài)設(shè)立時刻。

4.基態(tài)距的確定

（三）土地對象時空操作

土地對象時空操作主要指土地對象的創(chuàng)建和消亡等操作。土地對象的變更包括地類圖斑分割、合并、地類界線調(diào)整、復(fù)雜變更，線狀地物調(diào)整、增加線狀地物、減少線狀地物，增加零星地物、減少零星地物，屬性變更等。土地對象的創(chuàng)建和土地對象的消亡操作是同時發(fā)生的。由于土地面積是守恒的，土地對象在空間上無重疊，也無縫隙，土地的總面積不變，有土地對象消亡，一定有新的土地對象產(chǎn)生。土地對象的創(chuàng)建和消亡操作按土地對象類型可分為地類圖斑操作、線狀地物操作、零星地物操作，在起始時刻土地對象的創(chuàng)建指土地信息初始建庫。實現(xiàn)過程如下：

3.線狀地物操作

（1）創(chuàng)建土地對象；（2）空間操作：包括線狀地物調(diào)整、增加線狀地物、減少線狀地物等。變更原土地對象的幾何圖形，形成新創(chuàng)建對象的幾何圖形，記錄在差文件中；（3）屬性操作：變更屬性字段，記錄在差文件中；（4）時間操作：記錄土地對象的創(chuàng)建時間（CreatTime），即變化時間，記錄在差文件中；（4）關(guān)聯(lián)操作：記錄新創(chuàng)建土地對象的父對象差文件ID，記錄在差文件中。

4.零星地物操作

（1）創(chuàng)建土地對象；（2）空間操作：包括增加零星地物、減少零星地物等。根據(jù)結(jié)點坐標(biāo)生成新土地對象的幾何圖形，記錄在差文件中；（3）屬性操作：變更屬性字段，記錄在差文件中；（4）時間操作：記錄土地對象的創(chuàng)建時間（CreatTime），即變化時間，記錄在差文件中；（5）關(guān)聯(lián)操作：在土地對象屬性發(fā)生變更后，記錄新創(chuàng)建土地對象的父對象差文件ID，記錄在差文件中。

三、結(jié)語

本文針對土地信息管理的特點，在研究基于改進(jìn)基態(tài)修正的面向?qū)ο髸r空數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，提出土地時空數(shù)據(jù)模型。該模型能較好地解決土地信息管理的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)組織問題，保證了歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，為建立實用的土地動態(tài)綜合管理信息系統(tǒng)提供強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)。下一步需要對該模型的實際應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步研究，以提高該模型的實用性。

［參考文獻(xiàn)］

［1］繆建明.土地利用變更調(diào)查特點分析［J］.中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃,2001,22(4).

［2］劉仁義,劉南,蘇國中.時空數(shù)據(jù)庫基態(tài)修正模型的擴(kuò)展［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版),2000,27(2).

［3］程昌秀,周成虎,陸鋒.對象關(guān)系型GIS中改進(jìn)基態(tài)修正時空數(shù)據(jù)模型的實現(xiàn)［J］.中國圖象圖形學(xué)報,2003,8(A)(6).

［4］杜道生,舒紅.基于同步數(shù)據(jù)項組和碎分拓?fù)浠《螘r間標(biāo)記的時態(tài)地理數(shù)據(jù)模型［J］.武漢測繪科技大學(xué)學(xué)報,1997,22(2).

［5］姚茂華,周文婷.基于動態(tài)變粒度的改進(jìn)基態(tài)修正模型研究［J］.硅谷,2009,(9).