龔健雅,李小龍,吳華意

武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430079

實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型

龔健雅,李小龍,吳華意

武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430079

為滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)目標(biāo)與傳感器等實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取、存儲(chǔ)、管理、分析與可視化的要求,需要發(fā)展一種新型地理信息系統(tǒng)——實(shí)時(shí)GIS。本文根據(jù)實(shí)時(shí)GIS中各種地理要素的特點(diǎn)以及存儲(chǔ)管理要求,提出一種面向動(dòng)態(tài)地理對(duì)象與動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬的實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型,它將時(shí)空過(guò)程、地理對(duì)象、事件、事件類(lèi)型、狀態(tài)、觀(guān)測(cè)等相關(guān)要素整合在一個(gè)時(shí)空數(shù)據(jù)模型中?；谠撃Ｐ脱邪l(fā)了新一代實(shí)時(shí)GIS,并以4種動(dòng)態(tài)地理對(duì)象(包括移動(dòng)對(duì)象、原位傳感器對(duì)象、視頻對(duì)象和過(guò)程模擬對(duì)象)的時(shí)空數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入、存儲(chǔ)與可視化為例,驗(yàn)證模型的可行性。

實(shí)時(shí)GIS;時(shí)空數(shù)據(jù)模型;時(shí)空過(guò)程;地理對(duì)象;事件類(lèi)型;狀態(tài)

1 引 言

隨著位置服務(wù)技術(shù)(LBS)和天空地各種傳感器的廣泛應(yīng)用,產(chǎn)生了海量的時(shí)空序列數(shù)據(jù)。為了快速接入、存儲(chǔ)、管理這些時(shí)空序列數(shù)據(jù),維護(hù)時(shí)空關(guān)系,描述和分析時(shí)空變化過(guò)程,滿(mǎn)足對(duì)日益頻發(fā)的各種自然與人為突發(fā)事件的檢測(cè)、預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)以及智慧城市等需求,國(guó)家863地球觀(guān)測(cè)與導(dǎo)航領(lǐng)域“十二五”期間列立了“時(shí)空過(guò)程模擬與實(shí)時(shí)GIS系統(tǒng)”主題項(xiàng)目,研發(fā)一種面向動(dòng)態(tài)地理對(duì)象與動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬的新一代實(shí)時(shí)GIS系統(tǒng)。為了支持實(shí)時(shí)GIS中動(dòng)態(tài)地理數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存管理時(shí)空過(guò)程模擬,首先需要建立一個(gè)合適的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。傳統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)模型一般只能描述現(xiàn)實(shí)世界的靜態(tài)現(xiàn)象[1],難以滿(mǎn)足以上要求。

時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究從20世紀(jì)60年代開(kāi)始,但初期進(jìn)展緩慢。文獻(xiàn)[2]于1992年在其著作中總結(jié)了時(shí)空立方體、快照序列、基態(tài)修正和時(shí)空復(fù)合4種時(shí)空數(shù)據(jù)模型[2],此后,時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究成為GIS研究的一個(gè)重要方向。按照時(shí)間在數(shù)據(jù)模型中所起的作用,時(shí)空數(shù)據(jù)模型的發(fā)展可分為3個(gè)時(shí)期[3]:①側(cè)重記錄實(shí)體時(shí)態(tài)變化的時(shí)態(tài)快照(temporal snapshots)時(shí)期,此時(shí)期提出的模型包括時(shí)空立方體模型[4]、快照序列模型[5],以及在此基礎(chǔ)上為減少數(shù)據(jù)冗余,只記錄變化部分的基態(tài)修正模型[2]、離散格網(wǎng)單元列表模型[6]、時(shí)空復(fù)合模型[7]、非第一范式時(shí)空數(shù)據(jù)模型[8]等;②側(cè)重表達(dá)實(shí)體變化前后關(guān)系的對(duì)象變化(object change)時(shí)期,此時(shí)期提出的模型包括面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型[9]、基于圖論的時(shí)空數(shù)據(jù)模型[10]、面向過(guò)程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型[11]等;③側(cè)重描述實(shí)體變化語(yǔ)義關(guān)系的事件與活動(dòng)(events and action)時(shí)期,此時(shí)期提出的模型包括基于事件的模型[12]、時(shí)空三域模型[13]、基于本體的時(shí)空數(shù)據(jù)模型[14]等。隨著研究的深入,為滿(mǎn)足新的實(shí)際需求,學(xué)者們對(duì)以上基本時(shí)空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了擴(kuò)展,其擴(kuò)展方式大致分為3種類(lèi)型:①綜合集成法,如基于版本-增量的時(shí)空數(shù)據(jù)模型[15]就集成了序列快照模型、基態(tài)修正模型和時(shí)空復(fù)合模型的特點(diǎn);②變換表達(dá)法,如對(duì)于面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型,有的學(xué)者采用版本標(biāo)記方式[16],表達(dá)同一地理對(duì)象不同時(shí)期的版本變化,有的學(xué)者采用動(dòng)態(tài)多級(jí)索引的基態(tài)修正方式[17],表達(dá)地理對(duì)象的歷史變化;③變換語(yǔ)義法,如在基于事件的時(shí)空過(guò)程模型中,關(guān)于事件含義的描述,有的學(xué)者用事件記錄地物變化[12],有的使用事件描述地理現(xiàn)象的一次完整的發(fā)生過(guò)程[18],有的用事件描述多個(gè)地理對(duì)象一次變化的組合關(guān)系[19],也有的用事件描述地理對(duì)象時(shí)空變化的原因[20]。經(jīng)過(guò)以上方式擴(kuò)展,形成了多種與快照狀態(tài)、地理對(duì)象、事件和過(guò)程相關(guān)的時(shí)空數(shù)據(jù)模型[21-25]?，F(xiàn)有的時(shí)空數(shù)據(jù)模型各具特點(diǎn),已經(jīng)在相應(yīng)的行業(yè)中發(fā)揮了重要的作用,但在通用性方面有所欠缺,以至于沒(méi)有得到廣泛而深入的應(yīng)用。此外,已有模型主要是對(duì)地理實(shí)體狀態(tài)變化及其關(guān)系的描述,如土地利用變化等,難以適應(yīng)實(shí)時(shí)GIS中動(dòng)態(tài)目標(biāo)和傳感器實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)的管理需要。

本文認(rèn)為,一個(gè)應(yīng)用于實(shí)時(shí)GIS的時(shí)空數(shù)據(jù)模型應(yīng)該具有以下5個(gè)基本特點(diǎn):①能夠兼顧傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)管理包括傳統(tǒng)時(shí)空數(shù)據(jù)管理的需要,即在傳統(tǒng)GIS上進(jìn)行擴(kuò)張;②能夠高效管理運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù);③能夠高效管理天空地各種傳感器的實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù);④能夠有效支持實(shí)時(shí)GIS的動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬;⑤能夠有效建立各種地理對(duì)象、狀態(tài)、事件、過(guò)程等要素的相互關(guān)系。下面介紹該時(shí)空數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)思想與方法。

2 時(shí)空變化分析與抽象

時(shí)空變化是客觀(guān)世界永恒不變的主題,各種地物實(shí)體和現(xiàn)象總是沿著時(shí)間軸在或快或慢地變化著,如土地利用演化、海陸變遷、城市擴(kuò)張、騷亂發(fā)生和擴(kuò)散、傳染病蔓延等,它們都是與時(shí)間和空間密切相關(guān)的復(fù)雜地理現(xiàn)象。每個(gè)復(fù)雜地理現(xiàn)象是由不定數(shù)量的地理對(duì)象組成,表現(xiàn)為多個(gè)隨時(shí)間變化的地理對(duì)象及其相互作用,地理對(duì)象之間的相互作用通過(guò)事件來(lái)傳遞。事件是地理對(duì)象變化達(dá)到某種程度時(shí)生成的,并且傳遞給相關(guān)的地理對(duì)象,在某種條件下驅(qū)動(dòng)相關(guān)地理對(duì)象發(fā)生相應(yīng)的變化,而地理對(duì)象的變化通過(guò)該對(duì)象的狀態(tài)序列來(lái)記錄。為實(shí)時(shí)表現(xiàn)時(shí)空變化,地理對(duì)象的狀態(tài)序列數(shù)據(jù)可直接來(lái)自傳感器的實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)。如海陸變遷過(guò)程的地理對(duì)象是海洋和陸地,事件是海洋侵蝕陸地和陸地露出海面,以上兩個(gè)事件是由海洋對(duì)象的海平面高度屬性變化達(dá)到某種程度時(shí)引起的,使用狀態(tài)分別記錄海洋和陸地某一時(shí)刻的空間屬性與專(zhuān)題屬性,而狀態(tài)數(shù)據(jù)源自對(duì)海水高度屬性的觀(guān)測(cè)。

根據(jù)以上分析,筆者提出一個(gè)通用的實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型,用于存儲(chǔ)與管理在復(fù)雜地理現(xiàn)象時(shí)空變化過(guò)程中所涉及的時(shí)空數(shù)據(jù),以便支撐實(shí)時(shí)GIS可視化與分析應(yīng)用。首先對(duì)該模型中相關(guān)要素的概念進(jìn)行說(shuō)明。

地理對(duì)象:現(xiàn)實(shí)世界客觀(guān)存在的物理實(shí)體或社會(huì)現(xiàn)象的抽象表達(dá),由專(zhuān)題屬性、空間屬性及時(shí)態(tài)屬性共同組成。

時(shí)空過(guò)程:地理現(xiàn)象沿著時(shí)間軸的變化過(guò)程,即地理現(xiàn)象所包含的地理對(duì)象相互作用所產(chǎn)生的專(zhuān)題屬性和/或空間屬性變化的過(guò)程。

事件:地理對(duì)象時(shí)空顯著變化的一次發(fā)生過(guò)程,它是由地理對(duì)象時(shí)空變化達(dá)到某種程度時(shí)生成的,并且可以驅(qū)動(dòng)地理對(duì)象產(chǎn)生新的時(shí)空變化,它是地理對(duì)象變化的結(jié)果,同時(shí)也可以是地理對(duì)象變化的直接原因,是時(shí)空過(guò)程得以繼續(xù)下去的動(dòng)力。

狀態(tài):地理對(duì)象可變屬性在某一時(shí)刻所表現(xiàn)的出來(lái)的形態(tài),可變屬性包括專(zhuān)題屬性和空間屬性,通過(guò)狀態(tài)序列中屬性的變化,表現(xiàn)地理對(duì)象的時(shí)空變化。

事件類(lèi)型:事件類(lèi)型中包含地理對(duì)象生成該類(lèi)事件的條件,或該類(lèi)事件驅(qū)動(dòng)地理對(duì)象產(chǎn)生變化的條件。

圖層:具有共同結(jié)構(gòu)和功能的地理對(duì)象集合。

觀(guān)測(cè):獲取傳感器的觀(guān)測(cè)屬性值的行為,為地理對(duì)象提供變化的時(shí)空屬性。

實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型中各個(gè)要素及其相互關(guān)系,如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型Fig．1 Conception model of real-time GIS spatiotemporal data model

時(shí)空過(guò)程是地理現(xiàn)象時(shí)空變化的總稱(chēng),它就像一個(gè)大的場(chǎng)景或容器,包含著有限多個(gè)地理對(duì)象和事件。地理對(duì)象是時(shí)空過(guò)程的主要實(shí)體部分,地理對(duì)象隨時(shí)間的變化是時(shí)空過(guò)程的外在表現(xiàn)。在時(shí)空過(guò)程中,使用不同的圖層對(duì)地理對(duì)象進(jìn)行組織與管理,便于對(duì)地理對(duì)象進(jìn)行檢索與控制。事件是時(shí)空過(guò)程的另外一個(gè)重要的組成部分,它是地理對(duì)象相互作用的表現(xiàn)形式,也是地理對(duì)象相互聯(lián)系的紐帶。事件類(lèi)型注冊(cè)到地理對(duì)象中,指明了地理對(duì)象生成該種類(lèi)型的事件的生成條件,或者是地理對(duì)象受到該種類(lèi)型事件驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生變化時(shí)的驅(qū)動(dòng)條件。當(dāng)?shù)乩韺?duì)象的時(shí)空變化滿(mǎn)足事件類(lèi)型所規(guī)定的條件時(shí),地理對(duì)象就會(huì)生成一個(gè)該類(lèi)型的事件,同樣,當(dāng)事件的屬性滿(mǎn)足事件類(lèi)型所規(guī)定的條件時(shí),地理對(duì)象就對(duì)事件的驅(qū)動(dòng)作出響應(yīng),即事件驅(qū)動(dòng)地理對(duì)象產(chǎn)生變化。從而使整個(gè)時(shí)空過(guò)程處于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程中。為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,觀(guān)測(cè)通過(guò)傳感網(wǎng)的傳感器觀(guān)測(cè)服務(wù)(sensor observation service,SOS)服務(wù),獲取傳感器觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的地理對(duì)象中。地理對(duì)象根據(jù)變化的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),構(gòu)建相應(yīng)的對(duì)象狀態(tài)序列。

2．1 事件類(lèi)型注冊(cè)

在模型中,事件類(lèi)型需要注冊(cè)到地理對(duì)象中。根據(jù)用途,注冊(cè)分為兩種:一種用于指明地理對(duì)象可以生成哪類(lèi)事件,另一種用于判斷哪類(lèi)事件可以驅(qū)動(dòng)地理對(duì)象發(fā)生時(shí)空變化。圖2顯示了這種注冊(cè)結(jié)構(gòu)。

圖2 事件類(lèi)型注冊(cè)Fig．2 Event type was registered to geo-object

事件類(lèi)型不僅表明了生成或驅(qū)動(dòng)的事件的類(lèi)型,同時(shí)包含了生成或驅(qū)動(dòng)的條件。在注冊(cè)事件類(lèi)型的時(shí)候,要添加相應(yīng)的條件。如圖2所示,上面“注冊(cè)生成事件類(lèi)型”中的條件是地理對(duì)象的某些屬性的閾值,即屬性值大于/大于等于/小于/小于等于/等于閾值的時(shí)候,該地理對(duì)象可以生成一個(gè)該類(lèi)型的事件。同樣的,下面“注冊(cè)驅(qū)動(dòng)事件類(lèi)型”中的條件是事件中包含的某些屬性的閾值,即屬性值大于/大于等于/小于/小于等于/等于閾值的時(shí)候,該類(lèi)型的事件可以驅(qū)動(dòng)此地理對(duì)象產(chǎn)生時(shí)空變化。

2．2 地理對(duì)象的狀態(tài)

地理對(duì)象是現(xiàn)實(shí)世界中存在的隨時(shí)間變化的物理實(shí)體或社會(huì)現(xiàn)象,地理對(duì)象的存在主要表現(xiàn)為其所包含的不變屬性和可變屬性,其中可變屬性記錄在狀態(tài)序列中,如圖3所示。

圖3 地理對(duì)象的狀態(tài)Fig．3 States of geo-object

地理對(duì)象不可變的部分記錄在地理對(duì)象中,而可變化的部分通過(guò)狀態(tài)序列來(lái)表達(dá)。每個(gè)狀態(tài)記錄著該地理對(duì)象可變化部分某個(gè)時(shí)刻的快照。然而地理對(duì)象的空間屬性和專(zhuān)題屬性的變化方式和頻率往往是不同的,甚至差異很大,如出租車(chē)的空間位置和乘客數(shù),空間位置經(jīng)常變,而乘客數(shù)的變化頻率明顯低于空間位置。為了平衡時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)和管理的資源開(kāi)銷(xiāo),在經(jīng)典的快照模型的基礎(chǔ)上作了簡(jiǎn)單的改進(jìn),將空間屬性和專(zhuān)題屬性分開(kāi)存儲(chǔ),使得狀態(tài)數(shù)據(jù)易于維護(hù)的同時(shí),也節(jié)省了部分存儲(chǔ)資源和計(jì)算資源。在表達(dá)地理對(duì)象某一時(shí)刻的整體狀態(tài)時(shí),可以通過(guò)時(shí)態(tài)屬性查詢(xún)相應(yīng)的空間狀態(tài)和專(zhuān)題狀態(tài),并將它們合并到一起。

2．3 地理對(duì)象與事件的關(guān)系

事件類(lèi)型注冊(cè)到地理對(duì)象當(dāng)中,地理對(duì)象便能夠在滿(mǎn)足某種條件時(shí)生成該類(lèi)型的事件,而且該類(lèi)型的事件也能夠在滿(mǎn)足某種條件時(shí)驅(qū)動(dòng)地理對(duì)象發(fā)生變化,其詳細(xì)過(guò)程和條件如圖4所示。

圖4 地理對(duì)象和事件的關(guān)系Fig．4 Relations of geo-object and event

當(dāng)?shù)乩韺?duì)象的某個(gè)或某些屬性的變化達(dá)到已經(jīng)注冊(cè)的事件類(lèi)型所指定的條件時(shí),這個(gè)地理對(duì)象就生成一個(gè)該類(lèi)型的事件,而地理對(duì)象的變化,是由它所包含的狀態(tài)序列提供。被生成的事件帶有生成時(shí)地理對(duì)象傳入的相關(guān)屬性,這些屬性值不是一個(gè)閾值范圍,而是等于一個(gè)確切的屬性值。帶有此確切屬性信息的事件,被地理對(duì)象發(fā)送給時(shí)空過(guò)程,再由時(shí)空過(guò)程發(fā)送給已經(jīng)注冊(cè)過(guò)該驅(qū)動(dòng)事件類(lèi)型的地理對(duì)象,獲得該事件的地理對(duì)象判斷事件屬性是否滿(mǎn)足事件類(lèi)型中描述的條件,如果滿(mǎn)足,地理對(duì)象對(duì)該事件的驅(qū)動(dòng)作出響應(yīng),即該事件驅(qū)動(dòng)地理對(duì)象發(fā)生時(shí)空變化,并產(chǎn)生一個(gè)新的狀態(tài),若不滿(mǎn)足條件,則地理對(duì)象不對(duì)該事件作出響應(yīng)。

3 實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型

根據(jù)上節(jié)中對(duì)地理現(xiàn)象時(shí)空變化相關(guān)要素及其相互關(guān)系的分析,本節(jié)采用統(tǒng)一建模語(yǔ)言(UML)[26]描述實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型,目的是表達(dá)時(shí)空過(guò)程、地理對(duì)象、事件、事件類(lèi)型、狀態(tài)、觀(guān)測(cè)之間的關(guān)系,為實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理提供支持。為了突出重點(diǎn),圖5給出了該模型的UML簡(jiǎn)圖。

(1)時(shí)空過(guò)程位于模型的上層,描述時(shí)空過(guò)程的生命周期(開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間),它是由不定數(shù)量的圖層和事件聚合而成,通過(guò)圖層關(guān)聯(lián)到地理對(duì)象,接收地理對(duì)象發(fā)送的事件,并將事件發(fā)送到能夠受該類(lèi)型事件驅(qū)動(dòng)的地理對(duì)象中。

(2)圖層包含了具有共同結(jié)構(gòu)和行為特征的地理對(duì)象,并能夠隨時(shí)添加和移除地理對(duì)象。使用圖層,可以對(duì)所包含的地理對(duì)象做統(tǒng)一的樣式設(shè)置,如符號(hào)、顏色等,也可以設(shè)置在客戶(hù)端上動(dòng)態(tài)顯示的刷新頻率等。

(3)地理對(duì)象是模型的基礎(chǔ),描述了地理對(duì)象存在的生命周期(開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間),它是由狀態(tài)組合而成,同時(shí)關(guān)聯(lián)到事件和事件類(lèi)型,記錄了驅(qū)動(dòng)地理對(duì)象變化的事件及驅(qū)動(dòng)時(shí)間。地理對(duì)象具有注冊(cè)生成事件類(lèi)型和驅(qū)動(dòng)事件類(lèi)型功能,同時(shí)具有生成事件和響應(yīng)事件驅(qū)動(dòng)的功能。此外,地理對(duì)象能夠在自身變化時(shí)生成對(duì)象狀態(tài),也可以在模擬預(yù)測(cè)時(shí),將地理對(duì)象可變部分的模擬結(jié)果記錄在對(duì)象模擬狀態(tài)中。

(4)事件是模型的重要組成部分,它記錄了生成此事件的地理對(duì)象及生成時(shí)間。事件關(guān)聯(lián)到事件類(lèi)型,并且可以修改和查看事件類(lèi)型屬性。

(5)事件類(lèi)型中記錄了生成或驅(qū)動(dòng)的條件,是地理對(duì)象生成事件以及事件驅(qū)動(dòng)地理對(duì)象的依據(jù),同時(shí)事件類(lèi)型能夠?qū)l件進(jìn)行操作,如增加、查詢(xún)等。

(6)對(duì)象狀態(tài)是某一時(shí)刻地理對(duì)象可變屬性的變化快照,對(duì)象狀態(tài)中記錄了該狀態(tài)的產(chǎn)生時(shí)間和屬性,并將空間屬性狀態(tài)和專(zhuān)題屬性狀態(tài)分開(kāi)存儲(chǔ),同時(shí)每個(gè)狀態(tài)也要關(guān)聯(lián)到相鄰的其他狀態(tài),以便能夠快速遍歷相鄰狀態(tài),構(gòu)成狀態(tài)序列鏈表。

(7)空間屬性狀態(tài)記錄了對(duì)象狀態(tài)空間屬性的內(nèi)容。

(8)專(zhuān)題屬性狀態(tài)記錄了對(duì)象狀態(tài)專(zhuān)題屬性的內(nèi)容。

(9)對(duì)象模擬狀態(tài)是地理對(duì)象可變屬性在模擬預(yù)測(cè)變化過(guò)程中某一時(shí)刻的快照,對(duì)象模擬狀態(tài)中記錄了該模擬狀態(tài)的產(chǎn)生時(shí)間和屬性,并將空間屬性模擬狀態(tài)和專(zhuān)題屬性模擬狀態(tài)分開(kāi)存儲(chǔ),同時(shí)每個(gè)模擬狀態(tài)也要關(guān)聯(lián)到相鄰的其他模擬狀態(tài),以便能夠快速遍歷相鄰模擬狀態(tài),構(gòu)成模擬狀態(tài)序列鏈表。

(10)空間屬性模擬狀態(tài)記錄了對(duì)象模擬狀態(tài)的空間屬性?xún)?nèi)容。

(11)專(zhuān)題屬性模擬狀態(tài)記錄了對(duì)象模擬狀態(tài)的專(zhuān)題屬性?xún)?nèi)容。

(12)觀(guān)測(cè)從傳感網(wǎng)中快速獲取傳感器觀(guān)測(cè)值,為地理對(duì)象生成對(duì)象狀態(tài)提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),這也是實(shí)時(shí)GIS中體現(xiàn)實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。觀(guān)測(cè)中記錄了傳感器與地理對(duì)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系,便于數(shù)據(jù)的定向?qū)懭搿Ｔ谧?cè)地理對(duì)象(將傳感器與地理對(duì)象關(guān)聯(lián))前,首先查找是否有合適的地理對(duì)象,如果沒(méi)有就創(chuàng)建一個(gè)新的地理對(duì)象,然后將地理對(duì)象注冊(cè)到觀(guān)測(cè)中。觀(guān)測(cè)獲取傳感器觀(guān)測(cè)值后,驅(qū)動(dòng)地理對(duì)象生成新的狀態(tài)。

圖5 實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型UML簡(jiǎn)圖Fig．5 Sample UML graph of real-time GIS spatiotemporal data model

4 試 驗(yàn)

本文應(yīng)用實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型,構(gòu)建實(shí)時(shí)GIS試驗(yàn)系統(tǒng),以便驗(yàn)證該模型的有效性和可行性。

根據(jù)時(shí)空數(shù)據(jù)的特點(diǎn),本文的試驗(yàn)暫不考慮傳統(tǒng)GIS的靜態(tài)數(shù)據(jù),而主要考慮4類(lèi)動(dòng)態(tài)地理對(duì)象的存儲(chǔ)管理,這4類(lèi)對(duì)象包括移動(dòng)對(duì)象、原位傳感器對(duì)象、視頻對(duì)象和過(guò)程模擬對(duì)象。其中,原位對(duì)象是空間位置不變,專(zhuān)題屬性變化的地理對(duì)象;視頻對(duì)象是觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)以視頻為主的地理對(duì)象;過(guò)程模擬對(duì)象是對(duì)象狀態(tài)屬性數(shù)據(jù)來(lái)源于過(guò)程模擬的地理對(duì)象。

在實(shí)時(shí)GIS中,與時(shí)空數(shù)據(jù)模型密切相關(guān)的有3個(gè)系統(tǒng),即數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)。數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)通過(guò)SOS服務(wù)獲取傳感網(wǎng)實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),并寫(xiě)入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中;數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)按照實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型存儲(chǔ)和管理時(shí)空序列數(shù)據(jù)及其相互關(guān)系;可視化系統(tǒng)通過(guò)查詢(xún)檢索,將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示在客戶(hù)端上。同時(shí)可視化系統(tǒng)通過(guò)預(yù)測(cè)模擬模塊,對(duì)時(shí)空對(duì)象變化過(guò)程進(jìn)行模擬預(yù)測(cè),并將預(yù)測(cè)模擬結(jié)果寫(xiě)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。各系統(tǒng)間的相互關(guān)系如圖6所示。

為同時(shí)接入多個(gè)傳感器數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)采用多線(xiàn)程技術(shù),將傳感器與相應(yīng)的地理對(duì)象關(guān)聯(lián)在一起,并將數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù),形成地理對(duì)象的狀態(tài)。數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)界面如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)的地理對(duì)象注冊(cè)與數(shù)據(jù)入庫(kù)Fig．7 Geo-object registration and data loading in the data access system

在本試驗(yàn)中,使用某地出租車(chē)的實(shí)時(shí)行使監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)(包括坐標(biāo)、車(chē)速、方向等)表現(xiàn)移動(dòng)對(duì)象,使用某氣象站的氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(包括溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等)表現(xiàn)原位對(duì)象,使用某視頻傳感器的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表現(xiàn)視頻對(duì)象,通過(guò)對(duì)原位對(duì)象的模擬預(yù)測(cè),表現(xiàn)過(guò)程模擬對(duì)象。其中,由于視頻的數(shù)據(jù)量巨大,不適合實(shí)時(shí)的本地集中存儲(chǔ),而大型視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通常采用分布式的視頻服務(wù)器存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)實(shí)時(shí)接入到數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中的視頻數(shù)據(jù)只是視頻傳感器的工作狀態(tài)參數(shù)及視頻流索引地址,可視化系統(tǒng)根據(jù)以上參數(shù),直接讀取遠(yuǎn)程視頻傳感器的視頻流。地理對(duì)象的時(shí)空數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)變化顯示如圖8所示。

圖8 可視化系統(tǒng)中地理對(duì)象變化Fig．8 Real-time display change of geo-objects in the visualization system

由此可知,本文提出的實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型適合多種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接入、管理與可視化,具有一定的通用性。

5 結(jié) 論

本文分析了復(fù)雜地理現(xiàn)象時(shí)空變化的特點(diǎn)和現(xiàn)代時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究成果,提出了一種實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型,將時(shí)空過(guò)程、地理對(duì)象、事件、事件類(lèi)型、狀態(tài)和觀(guān)測(cè)等要素有機(jī)地結(jié)合在一起。并且通過(guò)對(duì)多源傳感器觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入、存儲(chǔ)與可視化的實(shí)現(xiàn),驗(yàn)證了模型的可行性和易用性。與以往時(shí)空數(shù)據(jù)模型相比,該模型更強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性。而采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想,也使得模型具有良好的可實(shí)現(xiàn)性和擴(kuò)展性,為各個(gè)領(lǐng)域的擴(kuò)展應(yīng)用提供基本框架。經(jīng)過(guò)以上理論表述和實(shí)例驗(yàn)證,該模型符合相對(duì)通用的實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型的3個(gè)基本特點(diǎn)。

由于該模型具有事件驅(qū)動(dòng)的特性,在未來(lái)的研究中將針進(jìn)一步探討該模型對(duì)時(shí)空變化過(guò)程進(jìn)行模擬的能力,以便對(duì)復(fù)雜地理現(xiàn)象時(shí)空過(guò)程的變化趨勢(shì)進(jìn)行更好的預(yù)測(cè)分析。

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(責(zé)任編輯:張燕燕)

Spatiotemporal Data Model for Real-time GIS

GONG Jianya,LI Xiaolong,WU Huayi
State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying,Mapping and Remote Sensing,Wuhan University, Wuhan 430079,China

In order to satisfy the requirement of real-time observation data acquisition,storage, analysis and visualization for moving object and sensor,a new type of GIS,real-time GIS,is needed to develop．A real-time GIS spatiotemporal data model is proposed for dynamic geographic object and dynamic process simulation according to the characteristics of various geographic features and the requirements of storage management in Real-time GIS,the model integrates some related elements-spatiotemporal process,geo-object,event,event type and state．A new GIS has been developed based on the spatiotemporal data model,and this paper takes spatiotemporal data real-time access,storage and visualization of four dynamic geographic objects(moving object,situ object,video object and process simulation object)as an example and verifies the feasibility of the model．

real-time GIS;spatiotemporal data model;spatiotemporal process;geo-object; event type;state

GONG Jianya(1957—),male,academician of the Chinese Academy of Sciences,professor,PhD Supervisor,majors in theory and technology of GIS, and photogrammetry and remote sensing．

LI Xiaolong

P208

A

1001-1595(2014)03-0226-07

國(guó)家863計(jì)劃(2012AA121401)

2013-12-03

龔健雅(1957—),男,中國(guó)科學(xué)院院士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)镚IS理論與技術(shù)、攝影測(cè)量與遙感。

李小龍

E-mail:xiaolong．li＠whu．edu．cn

GONG Jianya,LI Xiaolong,WU Huayi．Spatiotemporal Data Model for Real-time GIS[J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2014,43(3):226-232．(龔健雅,李小龍,吳華意．實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型[J]．測(cè)繪學(xué)報(bào),2014,43(3):226-232．)

10．13485/j．cnki．11-2089．2014．0033

修回日期:2014-01-10