黃麗娜，闞子涵， 李冬琳

（1.武漢大學 資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079）

基于時空基態(tài)修正的三維電子地圖設計與實現(xiàn)

黃麗娜1，闞子涵1， 李冬琳1

（1.武漢大學 資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079）

在分析幾種基態(tài)修正模型特點的基礎上，研究一種適合于表達時空信息回溯與演變的三維時空數(shù)據(jù)模型。首先建立初始時期的基態(tài)三維模型，再按照預先設置的時間粒度由遠及近建立各歷史時期的基態(tài)修正模型,并將其應用于三維場景的組織和管理，進行校園三維電子地圖原型系統(tǒng)的設計與開發(fā)，實現(xiàn)校園時空信息的回溯與演變。初步實驗表明，本研究提出的基態(tài)增量模型具有存儲三維數(shù)據(jù)冗余量小、數(shù)據(jù)組織和管理較為高效的特點。

三維地圖；時空數(shù)據(jù)模型；基態(tài)增量；時態(tài)GIS

目前，廣泛應用于生產生活的地理信息系統(tǒng)可分為靜態(tài)GIS與時態(tài)GIS兩類[1,2]。靜態(tài)GIS只能反映某一地區(qū)的瞬時地理情況，不能反映歷史的發(fā)展和變遷，也不能預測未來的發(fā)展情況。時態(tài)GIS是一種采集、存儲、管理、分析與顯示地理實體隨時間變化信息（或時空信息）的計算機系統(tǒng)[2]。時態(tài)GIS的核心是時空數(shù)據(jù)模型[3]，即將地理實體的時間特征、空間特征、屬性特征恰當?shù)亟M織起來，準確反映地理實體的狀態(tài)和演變過程。

1992年，Gail Langran提出文件系統(tǒng)支持下的時空立方體模型、連續(xù)快照模型、基態(tài)修正模型、時空復合模型4種時空數(shù)據(jù)模型[4]，標志著GIS時空數(shù)據(jù)建模的正式開始[5]。隨后國內外很多學者都做了這方面的嘗試。例如，Raafat以一個交通網(wǎng)為例，提出一種符合第一范式關系的時空數(shù)據(jù)模型，并闡述了歷史GIS空間拓撲關系[2]；閆宏斌利用歷史庫、過程庫、現(xiàn)實庫對時空過程和時空關系進行描述、模擬，擴展了基態(tài)修正模型[6]；曹偉、花向紅等采用面向對象的時空模型，將時態(tài)GIS應用于地籍管理信息系統(tǒng)[3]；薛存金、周成虎等以連續(xù)漸變地理實體的表達、組織、存儲為研究對象，提出了面向過程的時空數(shù)據(jù)模型[7]。這些理論豐富了時空數(shù)據(jù)模型以及時態(tài)GIS的內涵，推進了時態(tài)GIS的發(fā)展。但是，以上研究多停留在二維平面數(shù)據(jù)的時空組織上，如今更需要一種適合于三維模型的時空數(shù)據(jù)組織方案來反映某一地區(qū)三維場景的時空變化。

在現(xiàn)有的時空數(shù)據(jù)組織模型中，基態(tài)修正模型具有存儲量小、易于進行時態(tài)變化分析的特點[6]。基于此，本文在分析基態(tài)修正的時空數(shù)據(jù)模型特點的基礎上，設計一種適用于三維模型的時空數(shù)據(jù)組織方法，通過對三維模型的基態(tài)修正信息進行增量式存儲與調度，實現(xiàn)三維GIS中時空變化信息的有效表達。

1 基于基態(tài)修正的時空數(shù)據(jù)組織

1.1 基態(tài)修正模型的基本原理

基態(tài)修正模型的基本思想是把某一地理區(qū)域的當前狀態(tài)作為基態(tài)，將其歷史狀態(tài)作為對基態(tài)的修正。實現(xiàn)過程為：首先存儲某一區(qū)域地理現(xiàn)象的初始狀態(tài)（基態(tài)），再按照一定的時間間隔存儲發(fā)生變化的地理現(xiàn)象，即新舊狀態(tài)的信息差。那么，某個時刻的地理現(xiàn)象，理論上應該是通過對之前所有時間段地理現(xiàn)象進行邏輯累加的結果。這種存儲方式由于沒有單獨存儲每個時間點的完整的地理現(xiàn)象，而是只存儲部分變化的現(xiàn)象，具有數(shù)據(jù)冗余較少、便于數(shù)據(jù)傳輸、能表述地物目標的時空變化過程等優(yōu)勢[8]。

目前，時空數(shù)據(jù)模型主要有5種基態(tài)修正方式[9-11]，如圖1所示。

圖1a中，將當前狀態(tài)設為基態(tài)，將每個歷史時間點相比于基態(tài)的變化數(shù)據(jù)存儲為一個文件。圖1b為圖1a的改良，即每個歷史時期存放的是相比于上個歷史時期的變化數(shù)據(jù)。顯然，圖1b比圖1a減少了數(shù)據(jù)的冗余，但是由于把當前狀態(tài)存儲為基態(tài)，所以當追溯的歷史時期較為久遠時，檢索所需的時間復雜度將大大提高。圖1c和圖1d分別用分級索引的方法，將中間點也存為基態(tài)，這樣調用后面的歷史時期時，可以降低檢索的時間復雜度，但是數(shù)據(jù)的存儲量也會增加。圖1e為動態(tài)多級檢索方法[11]，即在檢索過程中，動態(tài)創(chuàng)建多個基態(tài)，可大大縮減索引的時間。但是動態(tài)基態(tài)的創(chuàng)建同樣會增加數(shù)據(jù)的存儲量，當創(chuàng)建多個基態(tài)時，將會造成大量的數(shù)據(jù)冗余。

圖1 5種基態(tài)修正模型

1.2 基于基態(tài)修正的數(shù)據(jù)組織方法

若需要再現(xiàn)地理目標或現(xiàn)象隨時間的變化過程，且這種變化可以抽象為目標的增加或減少時，采用基態(tài)修正模型可有效地進行時空數(shù)據(jù)組織。將地理目標或現(xiàn)象最原始的狀態(tài)作為基態(tài)，再存儲每一時期相對于上一時期的修正數(shù)據(jù)，以此降低數(shù)據(jù)文件的存儲量。

在三維GIS的時空信息可視化表達中，為了降低三維數(shù)據(jù)模型存儲的復雜性，可以將三維模型的變化抽象為增加過程。對于作為基態(tài)的三維數(shù)據(jù)模型，當新空間目標出現(xiàn)時，對應于新三維模型的正增加；當原空間目標消失時，對應原三維模型的負增加；若空間目標發(fā)生變化，則對應于三維模型的變化經歷了先負增加再正增加2個階段。對圖1b中模型進行改進，三維時空數(shù)據(jù)的基態(tài)修正組織模型如圖2所示。

圖2 三維時空數(shù)據(jù)的基態(tài)修正組織模型

圖2將歷史時期分為6個時間段，以“1930年以前”這一時期作為基態(tài)，“1930年”文件存儲相比于“1930年以前”增加的數(shù)據(jù)，“1950年”文件存儲相比于“1930年”增加的數(shù)據(jù)。依此類推，每個時間文件存儲的都是相比于上一個時間的“增量”。在圖2中，“增量”一行為當前文件實際存儲的數(shù)據(jù)，“增量累加后的結果”一行表示的是當前時期的實際數(shù)據(jù)。這樣每個時間文件只需存儲相比上一時間的“增量”，大大降低了數(shù)據(jù)量。三維模型增量數(shù)據(jù)調度流程如圖3所示。

圖3 三維模型調度流程圖

2 時態(tài)三維電子地圖的設計與實現(xiàn)

為驗證本文提出的基于基態(tài)修正的三維時空數(shù)據(jù)組織方案的可行性，以武漢大學文理學部校園為實驗樣區(qū)，利用ArcGIS 9.3和Google SketchUp 6的相關功能模塊制作校園三維時態(tài)電子地圖，對武漢大學文理學部自1930年至今的校園場景變化過程進行再現(xiàn)。

2.1 三維模型的基態(tài)增量組織

我們將武漢大學最原始的狀態(tài)作為基態(tài)，建立校園地物三維模型，然后將不同歷史時期的增量變化信息進行三維建模和存儲。當對某一時期的校園三維場景進行可視化表達時，相當于對前一歷史時期的基態(tài)三維場景進行修正。

從可操作性的角度出發(fā)，我們根據(jù)校園歷史建筑的不同發(fā)展時期設立顯示時間節(jié)點，然后建立對應時間圖層分別存儲在對應的增量數(shù)據(jù)集中，如表1所示。

2.2 動態(tài)三維電子地圖的實現(xiàn)效果

本文在VS2008環(huán)境下，通過ArcEngine二次開發(fā)，編寫C#程序開發(fā)應用界面并加載ArcScene中的模型數(shù)據(jù)，通過圖層管理不同時期的增量數(shù)據(jù)。三維電子地圖場景的時態(tài)變化信息顯示如圖4所示。

表1 基于基態(tài)修正模型的數(shù)據(jù)組織情況

圖4 武漢大學校園三維電子地圖時態(tài)信息變化顯示效果

3 結 語

本文將基態(tài)增量數(shù)據(jù)模型用于三維模型的數(shù)據(jù)組織，并通過基態(tài)增量的方式將三維GIS與時態(tài)GIS結合起來，進行武漢大學校園時空信息變化的可視化，為動態(tài)三維電子地圖的數(shù)據(jù)組織研究提供實證。實驗表明，在三維GIS的環(huán)境下，本文所使用的基態(tài)增量模型所存儲的數(shù)據(jù)量為最小，數(shù)據(jù)組織和管理更為高效。但是當數(shù)據(jù)量增大時，數(shù)據(jù)的調度效率就會降低。如何將本文的基態(tài)增量模型進行完善以適合大數(shù)據(jù)量的組織和管理，是本模型需要繼續(xù)研究的問題。

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P208

B

1672-4623（2015）01-0165-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.055

黃麗娜，博士，講師，主要從事地理信息可視化研究。

2013-11-11。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41101448、51008138）；國家基礎科學人才培養(yǎng)基金資助項目（J1103409）。