張 彩 麗，吳 靜，鄧 敏

(中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083)

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移動點與參考地物時空關(guān)系的自然語言描述方法研究

張 彩 麗，吳 靜，鄧 敏

(中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083)

基于分解-組合的思想，首先對移動點的運動軌跡進(jìn)行細(xì)化，并分別對移動點與參考地物目標(biāo)的時空拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行描述，在此基礎(chǔ)上綜合考慮它們之間的方向關(guān)系和距離關(guān)系，并對自然語言時空關(guān)系進(jìn)行定義和集成描述。最后，通過實例對移動點運動軌跡進(jìn)行了自然語言描述和應(yīng)用分析。文中實現(xiàn)的移動對象運動軌跡的形式化描述方法，可廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航系統(tǒng)中，對時空查詢、時空分析及時空推理等諸多問題的研究具有重要意義。

移動對象；時空關(guān)系；自然語言

0 引言

移動對象是空間與時間耦合框架下的統(tǒng)一體，大致分為兩類：位置隨時間不斷發(fā)生變化的移動點對象；形狀隨時間不斷發(fā)生變化的移動面對象，其中移動點對象(如汽車、行人、颶風(fēng)眼等)在交通控制、運輸管理、車輛導(dǎo)航、移動位置服務(wù)等領(lǐng)域廣受關(guān)注。在日常交流中，人們經(jīng)常使用自然語言描述社會活動中各種空間對象之間的空間位置關(guān)系，尋找并確定相應(yīng)的服務(wù)對象，因而對時空關(guān)系進(jìn)行更高層次的自然語言描述可以設(shè)計更友好的人機交互界面，幫助人們快速查詢，使得任何人能在任何時候、任何地點享受地理信息的服務(wù)。與靜態(tài)對象的空間關(guān)系描述類似，移動對象間的時空關(guān)系可劃分為時空拓?fù)潢P(guān)系、時空方向關(guān)系和時空距離關(guān)系。目前對于時空拓?fù)潢P(guān)系的研究成果較多[1-4]，但與拓?fù)潢P(guān)系相比，方向關(guān)系和距離關(guān)系則更貼近人們生活、用途更為廣泛，是時空數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)和自然語言的一種有效連接手段[5]。

高勇等[6]將路徑信息服務(wù)視為城市交通指揮系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等信息系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的內(nèi)容，并對移動點-參考地物空間拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行建模，將其表示為“變化前觀測時刻”、“突變時刻”、“變化后觀測時刻”的三元組：R=(Rts,Rtm,Rte)；Naet等[7]將移動對象的運動軌跡表達(dá)為線，擴(kuò)展空間線與面之間的19種拓?fù)潢P(guān)系，并用來描述足球的運動模式；Kurata等[8]用有向線表達(dá)移動點的軌跡，基于9+-intersection矩陣區(qū)分了26種有向線與面目標(biāo)之間的拓?fù)潢P(guān)系。但以上3種模型均不能區(qū)分軌跡直接穿過邊界或沿著邊界穿出等一些細(xì)節(jié)關(guān)系，且這些模型均側(cè)重拓?fù)潢P(guān)系的研究，而未考慮方向關(guān)系和距離關(guān)系。在采用自然語言對移動對象軌跡進(jìn)行描述時，通常不是某一種類型的時空關(guān)系(如“穿過”、“進(jìn)入”、“中東部”、“遠(yuǎn)離”等)，而是多種類型時空關(guān)系的組合，如“穿過中東部”、“從東部邊界進(jìn)入”、“遠(yuǎn)離某城市”、“靠近某城郊西”等[9]。因此，單獨使用時空拓?fù)潢P(guān)系、方向關(guān)系或距離關(guān)系無法描述這種復(fù)雜的自然語言時空關(guān)系。針對上述問題，本文對移動點的運動軌跡進(jìn)行細(xì)化，綜合考慮拓?fù)潢P(guān)系、方向關(guān)系與距離關(guān)系，并對移動點對象與參考地物的自然語言時空關(guān)系進(jìn)行定義及形式化描述。

1 基于分解-組合的時空拓?fù)潢P(guān)系建模

1.1 移動點與參考地物時空拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)

由文獻(xiàn)[10-12]可知，復(fù)合關(guān)系可視為由多個基本關(guān)系組成，在時間段I=[t0,tn-1](?t0,t1,…,tn-1∈I且t0

表1 移動點與參考地物的基本空間/時空拓?fù)潢P(guān)系

Table 1 The basic spatial /spatio-temporal topological relations between a moving point and a reference feature

移動點/參考點移動點/參考線移動點/參考面空間拓?fù)潢P(guān)系disjointmeetdisjointmeetdisjointmeetinside時空拓?fù)潢P(guān)系DisjointMeetDisjointMeetDisjointMeetInside

對于參考面A，移動點B特征軌跡點集和特征軌跡段集LS的建立步驟為：1)將時間段I內(nèi)移動點B的起始點記為(t0,p0)并記入到特征軌跡點集PS中；2)隨時間進(jìn)行跟蹤掃描，將移動點與參考面邊界的交點分別記為(t1,p1),(t2,p2),…,(tn-2,pn-2)，依次將這些交點及移動點B的終點(tn-1,pn-1)記入到PS，并將(ti,pi),(ti+1,pi+1)之間的特征軌跡段記為(Ii,fi(x,y,t))，依次記入特征軌跡段集LS；3)依次對特征軌跡段(Ii,fi(x,y,t))進(jìn)行掃描判斷，如果fi-1??A∧fi??A，則從PS、LS中分別去掉(ti,pi),(Ii,fi(x,y,t))，并分別將PS、LS中的下標(biāo)i+1,…,m減1，直到LS中的軌跡段掃描判斷完為止。對于移動點與參考點/線，將步驟2中移動點與參考面邊界的交點改為移動點與參考點/線的交點。對于移動點與參考點，步驟3可省略。圖1為移動點軌跡細(xì)化實例。

圖1 移動點軌跡細(xì)化實例

Fig.1 A detailed illustration of moving point trajectory

記特征軌跡點(ti,pi)(0≤i≤n-1)與參考地物A的基本空間拓?fù)潢P(guān)系為top(A,ti)，特征軌跡段(Ii,fi(x,y,t))(0≤i≤n-2)與參考地物A的基本時空拓?fù)潢P(guān)系為top(A,Ii)，則時間段I內(nèi)移動點B與參考地物A的時空拓?fù)潢P(guān)系可以表達(dá)為時間段I內(nèi)移動點B軌跡細(xì)化片段與參考地物A拓?fù)潢P(guān)系的集成：Top(A,B,I)=(top(A,t0),top(A,I0),…,top(A,tn-2),top(A,In-2),top(A,tn-1))。

1.2 移動點與參考地物的復(fù)合時空拓?fù)潢P(guān)系定義

理論上，時間段I內(nèi)移動點與參考地物的時空拓?fù)潢P(guān)系有許多種，基于上述方法本文給出了一些常見復(fù)合時空拓?fù)潢P(guān)系的定義，根據(jù)移動點與參考點、線、面定義的相同與不同列于表2。為便于區(qū)分，這里用P表示移動點，p、l、r分別表示參考點、線、面。其中“→”表示拓?fù)潢P(guān)系發(fā)生變化的先后順序，“←”表示某時空拓?fù)潢P(guān)系的逆。

表2 移動點與參考點、線、面復(fù)合時空拓?fù)潢P(guān)系定義

Table 2 Definitions of composite spatio-temporal topological relationships between a moving point and a reference point (or a reference line or a reference region)

定義1P(p，l，r)≡-Arrival≡disjoint→Disjoint→meet定義2Pr?Enter≡disjoint→Disjoint→meet/Meet→Inside定義3P(p，l)?Leave≡P(p，l)?Arrival←Pr?Leave≡Pr?Enter←定義4Pr?Go?away?from≡Pr?Arrival←定義5Pp?Cross≡Pp?Arrival→Pp?Leave Pr?Cross≡Pr?Enter→Pr?Leave定義6Pp?Return≡meet→Disjoint→meet定義7Pr?In?touch≡Inside→meet→Inside定義8Pr?Out?touch≡disjoint→Disjoint→meet→Disjoint→disjoint定義9Pr?Bypass≡disjoint→Disjoint→Meet→Disjoint→disjoint

根據(jù)以上思想，圖1a、圖1c中時間段I內(nèi)移動點B與參考地物A的時空拓?fù)潢P(guān)系分別表達(dá)為：Top(A,B,I)=(disjoint,Disjoint,meet,Disjoint,disjoint)、(disjoint,Disjoint,meet)，相應(yīng)的復(fù)合關(guān)系為：Pp-Cross、Pr-Arrival。

2 集成方向、距離的復(fù)雜時空關(guān)系定義及描述

由空間認(rèn)知可知拓?fù)潢P(guān)系是實現(xiàn)各類空間信息集成描述的基礎(chǔ)，而方向關(guān)系和距離關(guān)系是對空間目標(biāo)相對位置關(guān)系的進(jìn)一步約束。因此需根據(jù)不同類型的參考地物，在時空拓?fù)潢P(guān)系的基礎(chǔ)上描述局部方向關(guān)系和距離關(guān)系。

2.1 集成方向的復(fù)雜時空關(guān)系定義及描述

2.1.1 移動點/參考點 移動點與參考點方向關(guān)系的自然語言描述大多只考慮起始及終止特征軌跡點，考慮到投影模型不能提供人們常用的東南西北的方位關(guān)系，F(xiàn)rank通過比較得出基于錐體模型在方向描述上較優(yōu)的結(jié)論，本文采用8方向錐形模型判斷起始與終止特征軌跡點與參考點的方向關(guān)系。

定義1Pp-Start-d(A,B)≡(top(A,t0)=disjoint)∧dir(A,t0)，其中d∈(N,S,W,E,NW,NE,SW,SE)?移動點B從參考點A的d方向出發(fā)。

定義2Pp-End-d(A,B)≡(top(A,t0)=disjoint)∧dir(A,tn-1)，其中d∈(N,S,W,E,NW,NE,SW,SE)?移動點B到達(dá)參考點A的d方向。

2.1.2 移動點/參考線 移動點與參考線方向關(guān)系的描述大多只考慮起始特征軌跡點及與參考線時空拓?fù)潢P(guān)系為Meet的特征軌跡段，考慮到對于線參考地物(河流、道路)通常不會使用所有絕對方向謂詞(例如，汽車沿著湘江從南往北行駛，在某時刻該汽車位于湘江東或湘江西；或者汽車沿著五一大道從西往東行駛，在某時刻位于五一大道東或西)，本文采用文獻(xiàn)[14]的方法根據(jù)參考線的走向?qū)臻g方向關(guān)系進(jìn)行劃分。

定義1Pl-Start-d(A,B)≡(top(A,t0)=disjoint)∧dir(A,t0)，其中d∈(N,S,W,E)?移動點B從參考線A的d方向出發(fā)。

定義2Pl-End-d(A,B)≡(top(A,tn-1)=disjoint)∧dir(A,tn-1)，其中d∈(N,S,W,E)?移動點B到達(dá)參考線A的d方向。

定義3Pl-Along-d(A,B)≡(top(A,Ii)=Meet)∧(dir(ti,ti+1)=d)，其中特征點間方向關(guān)系采用四方向錐形模型，d∈(N,S,W,E,O)?移動點B沿著參考線A向d運動。

2.1.3 移動點/參考面 對于參考面，方向關(guān)系的描述需同時考慮特征軌跡點和特征軌跡段,其方向關(guān)系可以根據(jù)杜世宏等[10]提出的細(xì)節(jié)方向關(guān)系模型進(jìn)行判斷。

定義1Pr-Start-d(A,B)≡(top(A,t0)=disjoint)∧dir(A,t0)，其中d∈(N,S,W,E,NW,NE,SW,SE,O)?移動點B從參考面A的d方向出發(fā)。

定義2Pr-Start-d(A,B)≡(top(A,t0)=(top(A,t0)=inside)∧dir(A,t0)，其中d∈(NP,SP,WP,EP,NWP,NEP,SWP,SEP,O)?移動點B從參考面A的d部出發(fā)。

定義3Pr-Start-d(A,B)≡(top(A,t0)=meet)∧dir(A,t0)，其中d∈(NL,SL,WL,EL,NWL,NEL,SWL,SEL,O)?移動點B從參考面A的d邊界出發(fā)。

定義4Pr-End-d(A,B)≡(top(A,t0)=disjoint)∧dir(A,t0)，其中d∈(N,S,W,E,NW,NE,SW,SE,O)?移動點B到達(dá)參考面A的d方向。

定義5Pr-End-d(A,B)≡(top(A,t0)=inside)∧dir(A,t0)，其中d∈(NP,SP,WP,EP,NWP,NEP,SWP,SEP,O)?移動點B到達(dá)參考面A的d部。

定義6Pr-End-d(A,B)≡(top(A,t0)=meet)∧dir(A,t0)，其中d∈(NL,SL,WL,EL,NWL,NEL,SWL,SEL,O)?移動點B達(dá)到參考面A的d邊界。

定義7Pr-Enter_d(A,B)≡(top(A,Ii)=Disjoint)∧(top(A,Ii+1)=Inside)∧(dir(A,ti+1)=d)或(top(A,Ii)=Meet)∧(top(A,II+i)=Inside)∧(dir(A,ti+1)=d)，其中d∈(NL,NWL,WL,SWL,SL,SEL,EL,NEL)?移動點B從參考面A的d邊界進(jìn)入。

定義8Pr-Leave_d(A,B)≡(top(A,Ii)=Inside)∧(top(A,Ii+1)=Disjoint)∧(dir(A,ti+1)=d)或(top(A,Ii)=Meet)∧(top=(A,Ii+1)=Disjoint)∧(dir(A,ti+1)=d)，其中d∈(NL,NWL,WL,SWL,SL,SEL,EL,NEL)?移動點B從參考面A的d邊界離去。

定義9Pr-In-touch_d(A,B)≡(top(A,Ii)=Inside)∧(top(A,Ii+1)=Inside)∧(dir(A,ti+1)=d)，其中d∈(NL,NWL,WL,SWL,SL,SEL,EL,NEL)?移動點B內(nèi)切參考面A的d邊界。

定義10Pr-Out-touch_d(A,B)≡(top=Disjoint)∧(top(A,Ii+1)=Disjoint)∧(dir(A,ti+1)=d)，其中d∈(NL,NWL,WL,SWL,SL,SEL,EL,NEL)?移動點B外切參考面A的d邊界。

定義11Pr-Alongside_d(A,B)≡(top(A,Ii)=Meet)∧(dir(A,Ii)=d)，其中d為8方向邊界方向關(guān)系NL,NWL,WL,SWL,SL,SEL,EL,NEL或4方向邊界方向關(guān)系NL4,SL4,EL4,WL4?移動點B沿著參考面A的d邊界運動。

定義12Pr-Cross-d(A,B)≡(top(A,I)=Cross)∧(top(A,Ii)=Inside)∧(dir(A,Ii)=d)，其中d∈面目標(biāo)A內(nèi)部的復(fù)合方向(NP4,WP4,SP4,EP4,CPNS,CPEW,CPSW-NE,CPNW-SE,CP)?移動點B穿過參考面A的d部。

2.2 集成距離的復(fù)雜時空關(guān)系定義及描述

移動點與參考地物的時空距離關(guān)系與特征軌跡段中移動軌跡點與參考地物的距離有關(guān)，于是，根據(jù)特征軌跡段與參考地物的時空拓?fù)潢P(guān)系可得相應(yīng)的描述規(guī)則。

特征軌跡段與參考地物的時空拓?fù)潢P(guān)系為3種：Disjoint、Inside、Meet，而特征軌跡段與參考地物時空拓?fù)潢P(guān)系為Meet時，這一軌跡段內(nèi)移動軌跡點與參考地物的距離均為0，故不考慮距離也能描述移動點沿著參考地物運動，本文集成Disjoint、Inside這兩種時空拓?fù)潢P(guān)系與距離關(guān)系對移動點與參考地物的復(fù)雜時空關(guān)系進(jìn)行定義(圖2)。

對于參考地物為面的情況，定義d(?A,ti)為軌跡點pi到參考面A邊界的最小距離，dmin(?A,Ii)為特征軌跡段li中各軌跡點到參考面A邊界最小距離的最小距離，dmax(?A,Ii)為特征軌跡段li中各軌跡點到參考面A邊界最小距離的最大距離，d(?A,ti+1)為軌跡點pi+1到參考面A邊界的最小距離。

(1)特征軌跡段與參考面相離(Disjoint)。

定義1Pr-OutApproach≡d(?A,ti)>=dmax(?A,Ii)>dmin(?A,Ii)>=d(?A,ti+1)?移動點B逐步靠近參考面A。

定義2Pr-OutGo-away-from≡d(?A,ti)<=dmin(?A,Ii)

定義3Pr-OutAround≡d(?A,ti)≈dmin(?A,Ii)≈dmax(?A,Ii)≈d(?A,ti+1)?移動點B圍著參考面A運動。

定義4Pr-OutApproach-Away≡d(?A,ti)>dmin(?A,Ii)

定義5Pr-OutAway-Approach≡d(?A,ti)d(?A,ti+1)?移動點B逐步遠(yuǎn)離參考面A然后靠近。

(2)特征軌跡段被參考面包含(Inside)。

定義6Pr-InApproach≡d(?A,ti)>=dmax(?A,Ii)>dmin(?A,Ii)>=d(?A,ti+1)?移動點B逐步靠近參考面A內(nèi)部邊界。

定義7Pr-InGo-away-from≡d(?A,ti)<=dmin(?A,Ii)

定義8Pr-InAround≡d(?A,ti)≈dmin(?A,Ii)≈dmax(?A,Ii)≈d(?A,ti+1)?移動點B圍著參考面A內(nèi)部運動。

定義9Pr-InApproach-Away≡d(?A,ti)>dmin(?A,Ii)

定義10Pr-InAway-Approach≡d(?A,ti)d(?A,ti+1)?移動點B逐步遠(yuǎn)離參考面A內(nèi)部邊界然后靠近。

圖2 移動點與面目標(biāo)時空距離關(guān)系實例

Fig.2 An example of spatio-temporal distance relationships between a moving point and a reference region

當(dāng)參考地物為點/線時，特征軌跡段與其時空拓?fù)潢P(guān)系為Disjoint，時空距離關(guān)系的定義與移動點/面的第一種情況相同。其中，d(?A,ti)為軌跡點pi到參考點/線A的最小距離，dmin(?A,Ii)為特征軌跡段li中各軌跡點到參考點/線A最小距離的最小距離，dmax(?A,Ii)為特征軌跡段li中軌跡點到參考點/線A最小距離的最大距離，d(?A,ti+1)為軌跡點pi+1到參考點/線A的最小距離。

根據(jù)以上集成方向和距離的復(fù)雜時空關(guān)系定義，圖1b可以描述為：移動點B從參考線A的北方向出發(fā)，逐步靠近參考線A，沿著參考線A向東運動，逐步遠(yuǎn)離參考線A，最終到達(dá)參考線A南方向。

3 實驗分析

根據(jù)上述集成方向的復(fù)雜時空關(guān)系描述方法，基于Microsoft公司的Visual Studio 2008平臺，采用C#編程語言，使用ESRI公司的ArcEngine組件庫，對圖3a中移動點的軌跡進(jìn)行描述，如圖3b。

根據(jù)本文提出的思想在實際應(yīng)用中可以根據(jù)移動用戶請求，進(jìn)行出行規(guī)劃生成最優(yōu)路徑，最后對該路徑用自然語言進(jìn)行描述，實現(xiàn)圖文轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果通過移動通訊網(wǎng)絡(luò)對移動用戶提供服務(wù)。如果在導(dǎo)航應(yīng)用中需要對行駛距離進(jìn)行定性描述，可以根據(jù)上述集成距離的復(fù)雜時空關(guān)系描述方法進(jìn)行描述；如果需要對行駛距離進(jìn)行定量描述，只需對特征軌跡段長度進(jìn)行計算即可。

圖3 實驗分析

Fig.3 A test for moving point trajectory

不僅如此，根據(jù)上述定義還可以對移動軌跡進(jìn)行快速的定位查詢，這不僅可以應(yīng)用于LBS、軍事領(lǐng)域，還有助于正確掌握臺風(fēng)、氣旋等各種風(fēng)暴所造成的災(zāi)害方位，進(jìn)行快速救災(zāi)處理。時空數(shù)據(jù)庫的查詢語言為STQL，可進(jìn)行一些復(fù)雜時空分析操作，設(shè)有模式如下：

Countries(id:integer,name:string,geometry:region)

Planes(id:integer,name:string,route:mpoint)

查詢1 查詢在我方領(lǐng)空西北邊界逗留的敵機

SELECT p.name

FROM Planes,Countries

WHERE Countries.name="China" ANDAlongside_NWL(Countries.geometry,p.route)

查詢2 查詢逐步靠近我方領(lǐng)空的敵機

SELECT p.name

FROM Planes,Countries

WHERE Countries.name="China" ANDPr-OutApproach(Countries.geometry,p.route)

4 結(jié)論

本文根據(jù)移動點對象的特性，基于分解-組合的思想對移動點與參考目標(biāo)的時空拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行表達(dá)。該方法不僅解決了現(xiàn)有模型存在的移動點軌跡內(nèi)部與參考地物相交的一些細(xì)節(jié)關(guān)系區(qū)分問題，而且綜合考慮方向、距離關(guān)系對復(fù)雜自然語言時空關(guān)系進(jìn)行了定義及描述，對時空查詢及推理具有一定的研究意義。本文移動對象運動軌跡的形式化描述方法可廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航系統(tǒng)中，下一步將結(jié)合時空推理的方法，對移動對象的運動軌跡進(jìn)行預(yù)測。

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Natural-Language Description of Spatio-temporal Relationships between Moving Points and Reference Features

ZHANG Cai-li,WU Jing,DENG Min

(SchoolofGeosciencesandInfo-Physics,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)

Modeling spatio-temporal relationships between moving objects is of great significance for spatio-temporal queries,spatio-temporal analysis and reasoning.Based on the slice representation of moving point′s trajectory,a novel method is proposed to describe the spatio-temporal topological relationships between a moving point and reference feature.At the same time,an integrated framework is presented for the representation of spatio-temporal relationships between moving points and reference features according to the description rules of natural language,where the topological,directional and distance relations between moving points and reference features are considered together.Finally,a case study is provided to demonstrate the application and feasibility of the proposed method in this paper.

moving objects;spatio-temporal relationships;natural language

2014-09-17；

2014-12-28

國家自然科學(xué)基金項目(41171351、40871180)：中南大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2012zzts008)

張彩麗(1989-)，女，碩士研究生，主要研究移動對象時空關(guān)系自然語言描述與智能查詢。E-mail：renlisi888@126.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.03.003

P208

A

1672-0504(2015)03-0012-05