張偉,梁寒冬,劉彬

(寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院,浙江寧波 315042)

基于時(shí)空數(shù)據(jù)模型的歷史地圖集編制研究

張偉?,梁寒冬,劉彬

(寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院,浙江寧波 315042)

針對(duì)歷史地圖集中編制對(duì)象的時(shí)空變化，探討了時(shí)空數(shù)據(jù)模型的構(gòu)成要素，建立基于時(shí)間、位置和對(duì)象的歷史地圖集的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，并從時(shí)間關(guān)系、空間關(guān)系、對(duì)象關(guān)系三方面對(duì)歷史地圖集的編制進(jìn)行設(shè)計(jì)，促成了圖集編制工作的科學(xué)、合理、高效。以寧波歷史地圖集編制為例，通過地圖表達(dá)制圖區(qū)域的編制對(duì)象信息，又反映歷史時(shí)空變化信息，展現(xiàn)了寧波區(qū)域歷史上各朝代的疆域范圍及社會(huì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

時(shí)空數(shù)據(jù)模型；歷史地圖集；時(shí)空對(duì)象

1 引 言

寧波歷史悠久,是具有7 000多年文明史的“河姆渡文化”發(fā)源地。寧波文人薈萃,涌現(xiàn)了四明學(xué)派、陽明學(xué)派、浙東學(xué)派等文化名流。寧波的藏書文化深厚,天一閣是國(guó)內(nèi)現(xiàn)存最古老的藏書樓,已有400多年的歷史,是亞洲現(xiàn)有最古老的圖書館和世界最早的三大家族圖書館之一。寧波以港興市,歷來是中外聞名的港埠。唐時(shí)已是與日本、朝鮮及東南亞國(guó)家通商的主要港口。但寧波卻沒有一部權(quán)威地圖集對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行全面反映。經(jīng)寧波市政府批準(zhǔn)立項(xiàng),在“十一五”期間編制的《寧波市地圖集》,是第一部全面反映寧波市情的圖集?！秾幉ㄊ械貓D集》共分上中下三冊(cè),其中中冊(cè)部分為歷史地圖集(以下簡(jiǎn)稱圖集),是以地圖為載體,全面闡述了寧波歷史沿革、港口變遷、重大歷史事件、古跡遺珍、古蘊(yùn)沿襲和名人等,上起先秦,末至今日,以地圖形式再現(xiàn)了寧波城市的歷史變遷。

目前各省市編制的歷史地圖集主要側(cè)重于從計(jì)算機(jī)制作的技術(shù)路線及對(duì)圖集中圖幅等屬性進(jìn)行設(shè)計(jì)編制,并沒有將圖集作為一個(gè)時(shí)空系統(tǒng)進(jìn)行研究,弱化圖集的時(shí)空特點(diǎn),導(dǎo)致圖集資料整理與編制的工作效率低,數(shù)據(jù)管理水平低,重用性和移植性低。而歷史圖集的內(nèi)容不僅和空間位置有關(guān),還和時(shí)間有關(guān),其編制對(duì)象會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化。而時(shí)空數(shù)據(jù)模型是一種有效組織和管理時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)、空間、專題、時(shí)間語義完整的數(shù)據(jù)模型,它不僅強(qiáng)調(diào)研究對(duì)象的空間和專題特征,而且強(qiáng)調(diào)這些特征隨時(shí)間的變化,既時(shí)態(tài)特征。為此,本文研究建立歷史地圖集編制的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。

2 圖集的模型設(shè)計(jì)

2.1 時(shí)空數(shù)據(jù)模型

時(shí)空數(shù)據(jù)模型通常由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作和完整性約束三部分組成[張祖勛等,1996]。傳統(tǒng)的時(shí)空數(shù)據(jù)模型強(qiáng)調(diào)對(duì)象的靜態(tài)描述,通常采用矢量或柵格的方式來描述空間數(shù)據(jù)。這種機(jī)制限制了如位移、變遷等動(dòng)態(tài)信息的表達(dá),不便于管理和表達(dá)圖集的歷史變化數(shù)據(jù)。所以,建立合理、完善、高效的時(shí)空數(shù)據(jù)模型是實(shí)現(xiàn)科學(xué)、合理編制歷史地圖集的關(guān)鍵。

時(shí)空數(shù)據(jù)建模的發(fā)展和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)建模的發(fā)展是并行的,從時(shí)態(tài)成分和關(guān)系模型的結(jié)合,發(fā)展到和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的結(jié)合。在這個(gè)發(fā)展過程中,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同問題提出了很多時(shí)空數(shù)據(jù)模型。目前,典型的模型有時(shí)空立方體模型(Space-time Cube Mode1)、序列快照模型(Sequential Snapshots Mode1)、基態(tài)修正模型(Base State with Amendment Mode1)[3]、時(shí)空復(fù)合體模型(Space-time Composite Mode1)[3]、基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型(Event-Based STDM)、基于圖論的時(shí)空數(shù)據(jù)模型(Graph-based STDM)[6]、面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型(0bject-oriented STDM)[7]、多版本時(shí)空對(duì)象進(jìn)化數(shù)據(jù)模型[4]、基于Petri Net的時(shí)空數(shù)據(jù)模型[5]、圖譜數(shù)據(jù)模型、基于特征的時(shí)空數(shù)據(jù)模型等。上述提出的各種時(shí)空數(shù)據(jù)模型在建模需求方面既各有優(yōu)勢(shì),又存在不足,學(xué)術(shù)上暫時(shí)沒有一個(gè)成熟的通用模型。這就需要我們根據(jù)現(xiàn)實(shí)世界中的時(shí)空對(duì)象具有其自身的特點(diǎn)以及時(shí)空變化具有其內(nèi)在的因果聯(lián)系,選擇符合本圖集中時(shí)空對(duì)象變化的模型。

2.2 時(shí)空對(duì)象表達(dá)

本圖集是以時(shí)間為線索,以朝代為章節(jié),各個(gè)專題為分節(jié),詳細(xì)敘述了寧波本區(qū)域內(nèi)自河姆渡以來的變化,重點(diǎn)表達(dá)了寧波歷史沿革變化(概況),港口變遷,歷史事件發(fā)生,古跡遺珍與古蘊(yùn)沿襲的由來以及名人描述等,圖集結(jié)構(gòu)如表1所示。

圖集結(jié)構(gòu) 表1

從表1可以看出,本文要設(shè)計(jì)編制的歷史地圖集具有以下特點(diǎn):①現(xiàn)實(shí)世界是連續(xù)性,編制的表達(dá)是離散的。文中是以朝代為章,事物的連續(xù)性以朝代為斷點(diǎn)；②一個(gè)編制對(duì)象存在前后因果關(guān)系,跨越幾個(gè)朝代甚至更多。如保國(guó)寺至漢以來,一直經(jīng)過變化,保存至今；③無論朝代還是內(nèi)容里的編制對(duì)象,都會(huì)以地圖為載體,以一個(gè)時(shí)間點(diǎn)表達(dá)出來。

因此,圖集中時(shí)空對(duì)象連續(xù)動(dòng)作建模、多時(shí)間表達(dá)和復(fù)雜時(shí)空行為查詢都是時(shí)空數(shù)據(jù)建模時(shí)需要重點(diǎn)研究的問題。時(shí)空數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)不僅需要考慮模型的表達(dá),還需要考慮時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性等方面。盡管時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展,但在模型對(duì)象的表達(dá)、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性及模型的移植性等方面仍存在問題。本文設(shè)計(jì)編制的歷史地圖集時(shí)間跨度大,空間位置也在不斷變化,涵蓋的內(nèi)容豐富多樣,可見單獨(dú)采用上述哪種時(shí)空模型進(jìn)行圖集設(shè)計(jì)是不太確切,不完全的,因此,本文在面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)上結(jié)合圖集的特點(diǎn)建立一種基于位置、對(duì)象和時(shí)間的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。

圖集中各個(gè)章節(jié)的編制對(duì)象成為時(shí)空數(shù)據(jù)模型中的基本時(shí)空對(duì)象,根據(jù)時(shí)空對(duì)象的特點(diǎn),每一個(gè)編制對(duì)象同樣具有時(shí)間屬性,空間屬性,相互關(guān)系以及非時(shí)空屬性等四要素,如圖1所示。

圖1 時(shí)空對(duì)象的變化過程

時(shí)空對(duì)象在歷史時(shí)間的逐步演變過程中,其所包含的要素信息也會(huì)呈現(xiàn)時(shí)空特點(diǎn),為構(gòu)造時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型,進(jìn)而有效地組織和管理圖集中的編制對(duì)象,引入一個(gè)表達(dá)式,確切地對(duì)歷史圖集所含描述時(shí)空對(duì)象的屬性,空間和時(shí)間的語義等進(jìn)行更完整的信息數(shù)據(jù)表達(dá)。因此,我們認(rèn)為時(shí)空對(duì)象都是由空間(Space)、時(shí)間(Time)、屬性(Attribution)和關(guān)聯(lián)關(guān)系(Relation)四個(gè)基本要素構(gòu)成的,可以用下面的式子進(jìn)行表達(dá):

其中E代表時(shí)空對(duì)象；S代表時(shí)空對(duì)象的空間體系,由空間尺度,空間坐標(biāo)(X,Y,Z)和空間關(guān)系構(gòu)成；T是時(shí)間體系,由時(shí)空對(duì)象的時(shí)間尺度,時(shí)間坐標(biāo)和空間目標(biāo)隨時(shí)間發(fā)展的關(guān)系構(gòu)成；A為時(shí)空對(duì)象的屬性體系,由時(shí)空對(duì)象在給定空間范圍和時(shí)間下的數(shù)量、大小和質(zhì)量等描述構(gòu)成；R為時(shí)空對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)性,指空間體系、時(shí)間體系、屬性體系之間的密切聯(lián)系。從而,本文認(rèn)為應(yīng)從時(shí)間,空間和對(duì)象三方面考慮,建立基于時(shí)間、位置和對(duì)象的歷史地圖集的概念數(shù)據(jù)模型。

2.3 圖集模型建立

上述表達(dá)式形象地反映了圖集中編制對(duì)象的時(shí)空特點(diǎn),所謂圖集中的編制對(duì)象是指如圖集中港口、古跡遺珍、古蘊(yùn)沿襲、人物等在歷史時(shí)空中真實(shí)存在的物體。建立的基于位置、對(duì)象和時(shí)間的時(shí)空數(shù)據(jù)模型記錄這些對(duì)象隨著時(shí)間變化的不同的狀態(tài),把每一個(gè)編制對(duì)象理解為一時(shí)空對(duì)象,隨著時(shí)間的變化不斷改變?cè)搶?duì)象空間結(jié)構(gòu)的狀態(tài)通過地圖表達(dá)出來；此外,時(shí)空對(duì)象的空間結(jié)構(gòu)和屬性都隨之變化,并自上而下地傳遞著相應(yīng)的空間結(jié)構(gòu)和信息。因此,本文建立基于位置、對(duì)象和時(shí)間的歷史地圖集的時(shí)空數(shù)據(jù)模型,如圖2所示。

圖2 基于時(shí)間、位置和對(duì)象的歷史地圖集的時(shí)空數(shù)據(jù)模型

模型中假定時(shí)空對(duì)象在Ti時(shí)刻和Ti+1時(shí)刻均存在且發(fā)生了變化,所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)在相應(yīng)的地圖中表達(dá)出來。在該模型中一個(gè)時(shí)空對(duì)象從出現(xiàn)到消亡只用一個(gè)對(duì)象進(jìn)行描述,并不需要每次變化都用一個(gè)新的對(duì)象,這樣大大減少了編制該對(duì)象時(shí)所要花費(fèi)的時(shí)間。同時(shí),對(duì)象的描述以時(shí)間軸為中心,對(duì)象的空間結(jié)構(gòu)的變化記錄在時(shí)間軸的某一個(gè)點(diǎn)上,從該點(diǎn)開始到下一個(gè)空間變化點(diǎn)為止的時(shí)間段內(nèi),該空間結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是該對(duì)象的有效空間結(jié)構(gòu),屬性改變的描述同樣發(fā)生在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上。

3 圖集編制

依據(jù)本文建立的基于位置、對(duì)象和時(shí)間的歷史地圖集的時(shí)空模型,結(jié)合圖集所要編制的圖集結(jié)構(gòu)和圖集內(nèi)容,將分別從時(shí)間關(guān)系、位置關(guān)系、對(duì)象關(guān)系三方面對(duì)圖集進(jìn)行編制。

3.1 基于時(shí)間編制

本文編制的歷史地圖集上下跨度七千多年,上自河姆渡時(shí)期,下至新中國(guó)成立后。時(shí)間上既有連續(xù)的時(shí)間變化,也有斷代的時(shí)間間隔。根據(jù)寧波地方志記錄的信息,再結(jié)合編制圖集的需要,從時(shí)間上共設(shè)置11章,并用時(shí)間事件TimeEvent(TimeID、TimeRange、ChaoDaiShiQi)來控制圖集編制中時(shí)空對(duì)象在時(shí)間上變化的表達(dá),如表2所示。

時(shí)間關(guān)系約束 表2

3.2 基于空間編制

圖集編制中,對(duì)于編制對(duì)象的空間變化,主要體現(xiàn)在地圖上時(shí)空對(duì)象的位置標(biāo)注,通過空間事件SpaceEvent(EID,MapID,X,Y,Z)來控制圖集編制中時(shí)空對(duì)象在空間變化上的表達(dá),其中Map ID由時(shí)間TimeID和圖集中ChaoDaiShiQi的地圖類別LbMap ID組成,如表3所示。

地圖類別對(duì)照 表3

因而時(shí)空對(duì)象在空間上的約束表達(dá)如表4所示。

空間關(guān)系約束 表4

在圖集編制時(shí),時(shí)空對(duì)象必須相應(yīng)地歸為對(duì)應(yīng)的ChaoDaiShiQi和LbMap,所以在實(shí)際編制過程中,要割斷事物的連續(xù)性,選取時(shí)空對(duì)象起源時(shí)或發(fā)展最高時(shí),進(jìn)行離散性表達(dá),以保國(guó)寺為例,保國(guó)寺起源于東漢。EID為46,是第46個(gè)時(shí)空象；Map ID為34(TimeID為3,LbMap為4),意為在秦漢時(shí)期時(shí)的古跡遺珍示意圖上表達(dá),其寧波本地空間坐標(biāo)為X46,Y46,Z46。

3.3 基于對(duì)象編制

圖集中對(duì)象的表達(dá),除了上述中EID標(biāo)記外,還有其屬性信息、圖片等多媒體信息,通過對(duì)象事件EntityEvent(EID,AttributeID,PictureID)控制時(shí)空對(duì)象的表達(dá),如表5所示。

對(duì)象關(guān)系約束 表5

綜上所述,圖集中編制對(duì)象作為模型中的時(shí)空對(duì)象通過基于時(shí)間關(guān)系,空間關(guān)系,對(duì)象關(guān)系三個(gè)方面的約束表達(dá)(如圖3所示),由整體到局部都規(guī)范了圖集的編制過程。因而在圖集編制的實(shí)例過程中,在本文建立的時(shí)空數(shù)據(jù)模型上將圖集所需要編制的對(duì)象,作為一個(gè)實(shí)體的時(shí)空對(duì)象,沿著時(shí)間這條主線變化,建立圖集編制時(shí)態(tài)示意圖(如圖4所示),完成圖集所有章節(jié)的編制工作。在此指導(dǎo)下圖集的編制工作大大縮短了編制時(shí)間,達(dá)到了預(yù)期目的,同時(shí),驗(yàn)證了本文建立模型的可行性。

圖3 編制對(duì)象的表達(dá)

圖4 圖集編制時(shí)態(tài)示意圖

4 結(jié) 論

歷史地圖集的編制是一項(xiàng)繁雜、浩大的工作,如何使圖集的編制工作科學(xué)、高效、合理一直是地圖編制工作者們的探討和研究的重點(diǎn)課題。本文通過描述圖集對(duì)象的時(shí)空狀態(tài)的變化,建立了基于時(shí)間、位置和對(duì)象的時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型,并在模型的框架下,將圖集的編制工作分別從時(shí)間關(guān)系、空間關(guān)系、對(duì)象關(guān)系三方面進(jìn)行編制控制,從而將時(shí)空對(duì)象及其附屬信息準(zhǔn)確地在相應(yīng)的示意地圖上表達(dá)出來,節(jié)省了圖集的編制時(shí)間,達(dá)到了預(yù)期的效果,也為后期圖集的電子信息化提供了必要的模型支持。但是,本文中歷史地圖集通過時(shí)空模型來表達(dá)只是針對(duì)寧波區(qū)域的研究,要建立通用模型還有很多的因素要考慮。

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Research on Compile Historical Atlas of Spatio-temporal Data M odel

Zhang Wei,Liang Handong,Liu Bin
(Ningbo Institute of Surveying＆Mapping,Ningbo 315042,China)

In this paper,the temporal and spatial variation of the concentration of objects for historical atlas to explore the elements of the temporal datamodel,and establish spatio-temporal datamodel based on time,location and objects.Then from time,spatial relationships,object-relational to design historical atlas,contributed to atlas for the preparation of scientific,rational and efficient.As compiling ningbo historical atlas,both the objectof representing the drawing area,and the changes in historical time and space,to show the territory of the dynasties in the history of the ningbo area range and social development of the state by the expression of themap.

spatio-temporal datamodel；historical atlas；spatio-temporal object

1672-8262(2013)06-122-04

P285.2+1

A

2013—05—08

張偉(1986—),男,助理工程師,主要從事于地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)的研究與開發(fā)。