戴 紅,于 寧,常子冠
(北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院,北京 100191)
時(shí)空數(shù)據(jù)模型是在時(shí)間、空間和特征語(yǔ)義方面完整地模擬客觀世界的數(shù)據(jù)模型,是對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)世界的抽象和表示。
從20世紀(jì)60年代末到70年代初,G.Wiederhold和JF.Fries[1]早期的關(guān)于時(shí)態(tài)信息的基礎(chǔ)性研究開(kāi)始,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已提出了一系列的面向應(yīng)用和理論研究的時(shí)空數(shù)據(jù)模型和建模方法。Peuquet的基于位置的、Martin Erwig等人的基于空間實(shí)體的、christophe claramunt、Peuquet和 Duan等人的基于事件/過(guò)程的[2]、Worboys和 Healy的基于對(duì)象/特征的時(shí)空對(duì)象模型等[3]。國(guó)外還成立了一些有關(guān)時(shí)空建模的研究機(jī)構(gòu),如歐洲D(zhuǎn)GXll委員會(huì)建立了研究網(wǎng)絡(luò)CHOROCHRONOS,美國(guó)國(guó)家地理信息分析中心(NCGIA)將“GIS中的時(shí)空推理”列為十大最有潛力的研究課題之一,ISPRS也成立了“空間數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)態(tài)特征與數(shù)據(jù)更新”工作小組[4]??傊?,在國(guó)外的 DBMS和GIS領(lǐng)域,對(duì)建立時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)原型系統(tǒng)己經(jīng)做了大量的工作[5]。
南京大學(xué)林廣發(fā)建立的面向房產(chǎn)管理應(yīng)用領(lǐng)域的以事件為核心的面向?qū)ο骃TDM[6],中山大學(xué)余志文研究了面向交通規(guī)劃的面向?qū)ο骃TDM[7],北京師范大學(xué)李小娟等設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的面向土地利用信息系統(tǒng)的基于特征的STDM等[8]。在理論研究方面,武漢大學(xué)舒紅等從存儲(chǔ)管理和時(shí)空語(yǔ)義表現(xiàn)角度給出的STDM的基本設(shè)計(jì)思想[9],清華大學(xué)易善禎等提出的平面移動(dòng)對(duì)象的STDM等[10]。
利用目前時(shí)空數(shù)據(jù)建模方法,結(jié)合數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)建模方法,建立表達(dá)歷史和地理信息的數(shù)據(jù)模型,該模型以北京為背景,在考查城市的歷史沿革、變遷、城市性質(zhì)和要素的基礎(chǔ)上,提煉出金、元、明、清代、民國(guó)和中華人民共和國(guó)各個(gè)時(shí)期發(fā)生的重大歷史事件,面向這些事件,描述出每一事件對(duì)城市形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)演變的影響,試圖勾勒出沿北京城市歷史發(fā)展進(jìn)程,城市形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)變化的趨勢(shì)。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)許多學(xué)者從多個(gè)研究角度,提取收集整理遙感圖像數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)、各種歷史文獻(xiàn),通過(guò)定性化和定量化分析,對(duì)北京城市歷史發(fā)展過(guò)程中城市形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展動(dòng)力和特征進(jìn)行了大量的研究,主要有匡文慧等基于歷史地圖、地形圖和遙感影像提取了1932年以來(lái),北京主城區(qū)城市空間擴(kuò)張,以及建筑密度空間信息,對(duì)1932年以來(lái)北京主城區(qū)土地利用空間擴(kuò)張?zhí)卣髋c機(jī)制進(jìn)行了分析[11];柴彥威等通過(guò)分析北京市60年來(lái)在人口、居住、產(chǎn)業(yè)、社會(huì)等方面取得的成就以及相應(yīng)空間格局的演變,得出各種新的城市空間使得城市空間發(fā)展更趨復(fù)雜化,未來(lái)北京城市空間調(diào)整與城市轉(zhuǎn)型更加深化,將形成分散多中心結(jié)構(gòu)的世界城市的結(jié)論[12];孫洪銘等通過(guò)對(duì)新北京城市總體規(guī)劃方案中的城市空間布局問(wèn)題的研究,總結(jié)了北京城市空間布局的特點(diǎn)[13];楊云鵬、張景秋通過(guò)對(duì)北京城區(qū)市級(jí)以上博物館的時(shí)空間分布研究,得出了其在1949~1979年、1980~1995年和1996~2007年3個(gè)歷史發(fā)展階段中,空間分布隨著時(shí)間的變化特征[14];張景秋等采用實(shí)證研究法對(duì)北京中心城區(qū)的公共開(kāi)敞空間布局及社會(huì)空間分異現(xiàn)象進(jìn)行相應(yīng)分析,得出北京中心城區(qū)的公共開(kāi)敞空間具有沿交通干道集中布局、西密東疏及各個(gè)城區(qū)分布不均等特點(diǎn),以及在北京中心城區(qū)內(nèi)具有不同社會(huì)屬性的人群在利用公共開(kāi)敞空間時(shí)在空間上存在較為明顯的差異[15];張景秋等對(duì)發(fā)展與城市變化階段進(jìn)行了分析,得出了新中國(guó)成立后至改革開(kāi)放前,改革開(kāi)放至20世紀(jì)80年代中后期,從20世紀(jì)90年代中后期至21世紀(jì)早期,2008年奧運(yùn)申辦成功后4個(gè)階段,北京城市辦公業(yè)的空間格局演變軌跡及其布局特征[16];姜世國(guó)等基于1984年、1999年 Landsat TM遙感圖像,根據(jù)分形理論用半徑法研究了北京城市形態(tài),得出了北京城市形態(tài)的分形集聚特征[17];王新生等基于國(guó)家資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)土地利用數(shù)據(jù),借助GIS軟件支持,分別計(jì)算了1990年和2000年北京平面輪廓形狀的分維、緊湊度和形狀指數(shù)以及城市的用地?cái)U(kuò)展類(lèi)型,給出了北京城市空間形態(tài)變化的時(shí)空特征[18];關(guān)麗等基于多維數(shù)據(jù)模型對(duì)城市建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行挖掘研究,得出城市建設(shè)用地的空間格局及其演變特征[19]。
大量的研究成果從多個(gè)側(cè)面反映出北京城市發(fā)展進(jìn)程中的城市形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)的變化特征,將這些研究成果與歷史事實(shí)一起用一種時(shí)空數(shù)據(jù)模型來(lái)描述和表達(dá),為數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)建模提供數(shù)據(jù)表達(dá)基礎(chǔ),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和城市空間特征分析。
事件是現(xiàn)實(shí)世界的具體活動(dòng)或行為,它引發(fā)了地理要素的創(chuàng)建、消亡以及狀態(tài)的各種變更。從現(xiàn)實(shí)世界的時(shí)間反映各個(gè)地理要素的變更過(guò)程,不僅符合日常人們對(duì)事件的認(rèn)知,也為地理要素動(dòng)態(tài)反演歷史過(guò)程奠定基礎(chǔ)。
北京作為歷史文化名城,有其復(fù)雜的歷史背景。從金貞元元年(1153)北京成為國(guó)都開(kāi)始,中華大地上發(fā)生著許多重要的歷史事件,這些事件對(duì)北京的城市形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)有著重要的影響,其中城市形態(tài)的變化,包括城市空間的擴(kuò)張、城市的土地利用;城市空間布局和分布,包括北京城市辦公業(yè)、北京博物館的分布、北京中心城區(qū)公共開(kāi)敞空間的布局幾個(gè)方面,是目前在事件驅(qū)動(dòng)下研究北京城市形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)的主要方面和成果。
基于歷史事件的面向城市形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)的時(shí)空數(shù)據(jù)模型主要表達(dá)的典型歷史事件下的城市形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)的空間信息、時(shí)態(tài)信息和屬性信息,并表達(dá)空間目標(biāo)之間的關(guān)系和事件的時(shí)態(tài)之間的關(guān)系,在時(shí)空和屬性語(yǔ)義3個(gè)方面完整模擬客觀地理世界。
典型歷史事件在時(shí)間軸上形成了一個(gè)以時(shí)間為序的事件鏈,該事件鏈為線(xiàn)性有序的主鏈。每個(gè)事件之間又存在多個(gè)子事件為分隔標(biāo)識(shí)的時(shí)間段,這些時(shí)間段又構(gòu)成了有序的時(shí)間段線(xiàn)性鏈,為時(shí)間段子鏈,如圖1所示。
翻轉(zhuǎn)課堂、微課、慕課對(duì)傳統(tǒng)的教育模式均產(chǎn)生了巨大的沖擊。然而,大數(shù)據(jù)新技術(shù)教學(xué)模式并不意味著可以取代教師,新教學(xué)模式不過(guò)是重新定義了教育,課堂上通過(guò)減少灌輸,增加互動(dòng)從而對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行優(yōu)化。由此可見(jiàn),大數(shù)據(jù)時(shí)代更加呼喚具有信息素養(yǎng)的應(yīng)用型人才,信息素養(yǎng)較高的英語(yǔ)教師,才有更開(kāi)闊的視野,才不會(huì)在新時(shí)代背景中被淘汰。
圖1 基于城市歷史事件的事件鏈
表達(dá)城市形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)的空間信息可以以事件主鏈和時(shí)間段子鏈為時(shí)間維,以三維立方體快照模式表達(dá)和存儲(chǔ)。
時(shí)空立方體模型是較早出現(xiàn)的時(shí)空模型之一,由Hagerstrand最早提出。該模型是個(gè)三維立方體,由空間二維的幾何位置和一個(gè)時(shí)間維組成,描述了二維空間沿著第三個(gè)時(shí)間維演變的過(guò)程。任意給定一個(gè)時(shí)間點(diǎn),就可從三維的立方體中獲取相應(yīng)的截面,即現(xiàn)實(shí)世界的平面幾何狀態(tài)。任何一個(gè)空間實(shí)體的演變歷史都是空間-時(shí)間立方體中一個(gè)實(shí)體。該模型形象直觀地運(yùn)用了時(shí)間維的幾何特性,表現(xiàn)了空間實(shí)體是一個(gè)時(shí)空體的概念,對(duì)地理變化的描述簡(jiǎn)單明了,易于接受。
城市時(shí)空數(shù)據(jù)模型中的城市形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)作為二維空間,可在時(shí)間維度上表示,即將元、明、清、中華明國(guó)以及中華人民共和國(guó)作為時(shí)間維,在該時(shí)間跨度中,將某個(gè)事件發(fā)生時(shí)間點(diǎn)作為任意給定時(shí)間點(diǎn),截取三維立方體的一個(gè)截面,即立方體切片,為該事件發(fā)生時(shí)的城市形態(tài)和空間結(jié)構(gòu),即城市的平面幾何狀態(tài)。而對(duì)立方體的切塊,就是某個(gè)時(shí)代城市空間實(shí)體的演變歷史。
快照模型是典型而傳統(tǒng)的時(shí)空數(shù)據(jù)模型,最早的快照模型是Armstrong在1988年提出的序列快照模型,方法簡(jiǎn)單,只是將一系列時(shí)間切片上的快照保存起來(lái),以反映整個(gè)空間特征的狀態(tài),根據(jù)需要對(duì)指定時(shí)間片斷進(jìn)行播放[20]。但因其將打上時(shí)間戳未發(fā)生變化的所有特征重復(fù)存儲(chǔ),會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余。為了減少數(shù)據(jù)冗余,1992年Langran在序列快照模型上進(jìn)行改進(jìn),提出了基態(tài)修正模型。它采用起始狀態(tài)底圖和相鄰時(shí)間切片之間的變化來(lái)對(duì)變化的時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行表示和存儲(chǔ)[21]。這種方式對(duì)變化進(jìn)行了顯式存儲(chǔ),因而很容易獲得切片之間的狀態(tài),同時(shí)減少了數(shù)據(jù)冗余,節(jié)省了存儲(chǔ)空間[22]。所以,之所以選擇改進(jìn)的快照模型是因?yàn)槠浣7椒ㄖ械拇鎯?chǔ)、查詢(xún)和操作都較為簡(jiǎn)單,可針對(duì)柵格和矢量數(shù)據(jù)??煺盏臅r(shí)間切片為歷史事件的定格時(shí)刻(如圖2所示),快照的內(nèi)容為該歷史事件為驅(qū)動(dòng)因素下的空間狀態(tài),空間數(shù)據(jù)發(fā)生變化的頻率與事件發(fā)生的時(shí)間是一致的。
圖2 基于快照的時(shí)空立方體
時(shí)空特征數(shù)據(jù)分為兩類(lèi),一類(lèi)為典型歷史事件及其子事件下所產(chǎn)生的歷史特征數(shù)據(jù),另一類(lèi)為該事件及其子事件下所產(chǎn)生的地理(空間)特征數(shù)據(jù)。時(shí)空特征數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以使用基于規(guī)范化關(guān)系數(shù)據(jù)模式的多維星型模型來(lái)表示,具有4個(gè)維度表和一個(gè)事實(shí)表(如圖3所示),4個(gè)維度表分別為時(shí)間段維度表、歷史特征維度表、城市形態(tài)特征維度表和城市空間結(jié)構(gòu)特征維度表;一個(gè)事實(shí)表為時(shí)間-空間事實(shí)表。
圖3 表達(dá)城市形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)的時(shí)空特征的多維星形模型
4個(gè)維度表和一個(gè)事實(shí)表分別以一個(gè)規(guī)范化關(guān)系數(shù)據(jù)模式來(lái)表示。之所以采用該種結(jié)構(gòu),是使模型的適應(yīng)性和可擴(kuò)充性增強(qiáng),在需要表達(dá)更多的歷史和地理(空間)特征數(shù)據(jù)以反映更多的城市在歷史和地理方面的事實(shí)和研究成果時(shí),可靈活增加維數(shù)和事實(shí)表的個(gè)數(shù),以適應(yīng)變化的需求。
綜合以上的歷史事件表達(dá)、城市形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)的空間信息表達(dá)和時(shí)空特征表達(dá),形成多維星座快照模型。該模型為事實(shí)星座模型,在該模型中時(shí)間-空間事實(shí)表分解為時(shí)間-城市形態(tài)事實(shí)表和時(shí)間-城市空間結(jié)構(gòu)事實(shí)表2個(gè)表,這2個(gè)事實(shí)表共享時(shí)間維度表。
多維星座快照模型的概念結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 多維星座快照模型
多維星座快照模型的主體結(jié)構(gòu)為關(guān)系模型,使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理空間數(shù)據(jù),其好處是可將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一存放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中,利用SQL語(yǔ)言統(tǒng)一對(duì)2種數(shù)據(jù)進(jìn)行操作,簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)操作接口。同時(shí),可利用SQL Server和Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)管理空間和屬性數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)空間和非空間數(shù)據(jù)的一體化集成和統(tǒng)一管理[23],針對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)的提取和分析,也可在基本SQL的基礎(chǔ)上完成,體現(xiàn)出該模型的操作實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單性,為向數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)模式轉(zhuǎn)換提供便利。
多維星座快照模型的多維數(shù)據(jù)模式的域定義,如表1所示。
表1 多維數(shù)據(jù)模式的域定義
多維星座快照模型的各數(shù)據(jù)模式的定義如下。
(1)事件關(guān)系模式。
(2)空間信息關(guān)系模式。
(3)歷史特征數(shù)據(jù)關(guān)系模式。
(4)時(shí)間屬性關(guān)系模式。
(5)城市形態(tài)特征維度表關(guān)系模式。
(6)城市空間結(jié)構(gòu)特征維度表關(guān)系模式。
(7)時(shí)間_城市形態(tài)事實(shí)表關(guān)系模式。
(8)時(shí)間_城市空間結(jié)構(gòu)事實(shí)表關(guān)系模式。
(9)值類(lèi)型關(guān)系模式。
為了充分說(shuō)明多維星座快照模型的結(jié)構(gòu)和表達(dá)內(nèi)容的特點(diǎn),表2~表10給出了基于該模型的簡(jiǎn)化了的實(shí)例表。
表2 事件實(shí)例表
表3 空間信息實(shí)例表
表4 歷史特征屬性實(shí)例表
表5 時(shí)間屬性實(shí)例表
表6 城市形態(tài)特征維度實(shí)例表
表7 城市空間結(jié)構(gòu)特征維度實(shí)例表
表8 時(shí)間_城市形態(tài)事實(shí)實(shí)例表
表9 時(shí)間_城市空間結(jié)構(gòu)事實(shí)實(shí)例表
表10 值類(lèi)型表
使用時(shí)空數(shù)據(jù)模型在時(shí)間、空間和特征語(yǔ)義方面對(duì)城市形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)的模擬、抽象和表示,是對(duì)城市歷史和地理信息的全方位表示。典型歷史事件的發(fā)生對(duì)城市時(shí)空數(shù)據(jù)的變化有著重要的影響。以事件和事件間子事件為分割標(biāo)識(shí)的時(shí)間段為多層時(shí)間粒度,多粒度下的多維星座快照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)了北京歷史和地理事實(shí)、城市形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)中的主要地理要素和城市研究的重要成果,模型結(jié)合了多維星形模型和時(shí)間快照模型的特點(diǎn),以關(guān)系模型為主題框架,利用關(guān)系模型和多維星座模型的表達(dá)靈活、邏輯結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和操作實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的特點(diǎn),為建立數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)模型提供概念表達(dá)。
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