（地图学与地理信息系统专业论文）基于orm的时空数据模型构建方法研究.pdf

丝塑 中文摘要 g i s 的主要功能之一是数据管理，而数据更新是其最基本的要求之一。地理数据的现势性是衡 量其使_ e f j 价值的重要标志之一。当前g i s 的核心已经从数据生产转为数据更新，数据更新就意味着 g i s 的可持续发展。此外，g i s 中的时态问题是近十余年来持久不衰的研究热点。但是由于问题的 复杂性，相关研究至今仍然停留在百家争鸣的理论探索阶段。时空数据模型( s t d m ) 是时态地理 信息系统( t g i s ) 的核心问题和主要难点。时空建模是现实的客观需求，也是g i s 深入发展的必然 趋势。 本文通过分析国内外时空数据建模技术的研究现状和发展趋势，评述现有的时空数据模型，比 较分析e r 和u m l 的优缺点引入了一种全新的建模方法o r m ，来探讨基于o r m 时空数据模型 的构建方法。着重研究时空数据的数据特征、概念模型及其时空建模的过程和方法。同时，以湘潭 市房产管理项目中的房产空间数据为例，采用o r m 的数据建模方法建立了房产管理中的时空数据 模型。 本文的主要成果与研究结论如f ：( 1 ) 时空数据模型没有统一的标准，面向对象方法是时空建 模的芨展方向；( 2 ) o r m 是一种进行时空数据建模的全新方法：( 3 ) 时空粒度是时空数据的重要特 征，是影响时空建模的关键因素之一；( 4 ) 从应用系统的角度出发，构建了基丁o r m 的时空建模 方法i ( 5 ) 在分析房产空间数据特征的基础上提出了基于o r m 的房产时空数据管理方法。 本文选择了基于o r m 的时空建模方法具有一定的新意。同时，本文详细研究了时空数据的数 据特征、概念模型及时空建模的过程和方法，可为时空建模相关研究提供借鉴。此外，本研究可以 直接解决应用系统中的时空数据的管理问题，因而具有一定的实用价值。 关键词：o r m ，时空建模，时空数据模型，房产信息系统 a b s t r a c t o n eo ft h em a j o rf u n c t i o n so fg i si sd a t am a n a g e m e n ta n dd a t au p d a t i n gi s o n eo ft h em o s t f u n d a m e n t a lr e q u i r e m e n t so ft h ed a t am a n a g e m e n t t h ek e e p i n gg e o g r a p h i c a ld a t ai na l w a y sn e wh a s b e c o m ea r l i m p o r t a n tm e a s u r ei nt e r m so fi t sa p p l i c a t i o nv a l u e a tp r e s e n t ，t h ek e r n e lo f g i sh a ss h i f t e d f r o md a t ap r o d u c t i o nt od a t au p d a t i n gw h i c hi st h es y m b o lo ft h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fg i s m o r e o v e r , t h et e m p o r a lt e n s eo fg i sw a sc o n t i n u a l l yo n eo f t h eh o tt o p i c si ng i sr e s e a r c hf i e l d h o w e v e r , t h i sr e s e a r c ho nt h et e m p o r a lt e n s eo fg i si ss t i l li nt h es t a g eo fk e e p i n gv a r y i n go p i n i o n sf r o md i f f e r e n t r e s e a r c h e r sb e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h es u b j e c t t h es p a t i o - t e m p o r a ld a t am o d e l ( s t d m ) i sb o t ht h e k e yp r o b l e ma n dt h em o s td i f f i c u l ti s s u ei nt h et e m p o r a lg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ( t g i s ) i ti s o f i m p o r t a n c et oc o n s t r u c t i n gs t d m i nt e r m so f p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t sa n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n tt e n d e n c y o f g i s i nt h i st h e s i s ，t h ep r e s e n tc o n d i t i o n sa n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo ft h et e c h n i q u e sf o rc o n s t r u c t i n g s t d mi nf o r e i g nc o u n t r i e sa n di nc h i n aa r ep r e s e n t e da n da n a l y z e d ，t h ep r e s e n ts t d m a r ed i s c u s s e d ，t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe ra n du m l a r ee x p l o r e d ，a n dt h ed e t a i lo f c o n s t r u c t i n gs t d m i si n d e t a i ld e s c r i b e dt h r o u g hi n c o r p o r a t i n gat o t a l l yn e wm o d e l i n gm e t h o d ，ie ，o b j e c t - r o l em o d e l i n g ( o r m ) t h ee m p h a s i so ft h er e s e a r c ho ft h i st h e s i sw a sp u to nt h ef e a t u r e so fs p a t i o t e m p o r a ld a t aa n di t s c o n c e p t u a lm o d e l sa sw e l l a st h ep r o c e s sa n dm e t h o d o l o g yo f s p a t i o - t e m p o r a lm o d e l i n g b a s e do nt h e s e a n du s i n gt h es p a t i a ld a t ao ft h er e a le s t a t eo fx i a n g t a nc i t yi nh u n a np r o v i n c ea n do r md a t am o d e l i n g m e t h o d o l o g yt h es p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e l ( s t d m ) f o r r e a le s t a t em a n a g e m e n tw a sc o n s t r u c t e d t h em a i nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ：( 1 ) t h e r ei sn ou n i f o r ms t a n d a r di n s t d ma n dt h eo b j e c t - o r i e n t e dm e t h o di st h et e n d e n c yo fs t mi nf u t u r e ；( 2 ) o r mi sat o t a l l yn e wm e t h o d f o rs t m ；( 3 ) t h es p a t i o t e m p o r a lg r a n u l a r i t ya sa ni m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i co fs t d m ，i so n eo ft h em o s t k e ye l e m e n ti ns t m ；( 4 ) t h em e t h o do fs t m w a sp r o v i d e do nt h eb a s i so f p o i n tv i e wo fa p p l i e ds y s t e m ； a n d ( 5 ) t h em e t h o do fm a n a g e m e n tf o rs p a t i o - t e m p o r a ld a t ao fr e a le s t a t ew a sd e v e l o p e db a s e do nt h e a n a l y s i so f t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e r e a le s t a t es p a t i a ld a t a ， i naw o r d ，t h em e t h o do fm o d e lc o n s t r u c t i n gb a s e do no r ma n dd e s c r i b e di nt h i st h e s i sh a ss o m e n e wm e a n i n g s b e s i d e s ，t h ed a t ac h a r a c t e r i s t i c s ，c o n c e p t u a lm o d e l sa sw e l la st h ep r o c e s sa n dm e t h o do f t h e s p a t i o t e m p o r a lm o d e l i n gw h i c ha r e a l l p r e s e n t e da n dd i s c u s s e di n t h i st h e s i sh a v ep r o v i d e dt h e e x p e r i e n c e sf o rt h e s i m i l a r s t u d i e so ft h es p a t i o t e m p o r a lm o d e l i n g m o r e o v e r , t h i ss t u d yh a sac e r t a i n p r a c t i c a lv a l u e sb e c a u s ei tw i l lb eb e n e f i c i a lt os o l v et h em a n a g e m e n tp r o b l e m so fs p a t i o - t e m p o r a ld a t ai n a p p l i e ds y s t e m s k e yw o r d s ：o u e c t r o l em o d e l i n g ( o r m ) ；s p a t i o t e m p o r a lm o d e l i n g ( s t m ) ；s p a t i o - t e m p o r a ld a t a m o d e l ( s t d m ) ；r e a le s t a t ei n f o r m a t i o ns y s t e m ( r e i s ) i i 月u 舌 尽管g i s 和空间数据库已经存在了3 0 多年，但是直到近几年t g i s 才引起人们的广泛关注。这 是现实的客观需求，也是g i s 深入发展的必然趋势。g i s 所描述的现实世界是随时间连续变化的。 因此，g i s 中的时态问题是近十余年来持久不衰的研究热点。当前g s 研究的一个热点是要实现空 间数据的动态追踪和分析，并在此基础上进行预测预报和辅助决策。时间作为一个与空间同等重要 的因素引入到g i s 中来，便产生了时态地理信息系统( t g i s ) 。t g i s 的组织核心是时空数据库 ( s t d b ) ，时空数据库模型( s t d m ) 则是时空数据库的基础。在t g i s 的研究中，最基本和最迫切 的问题就是s t d m 的研究。但是由于问题的复杂性，相关研究至今仍停留在百家争鸣的理论探索阶 段。时空数据模型是t g i s 的核心问题和主要难点。因此，发展具有时空数据集成能力的时空建模 技术已成为当前g i s 领域的一个重要研究方向。至今，国内外学者提出的s t d m 已有数十种，其中 讨论较多的有连续快照模型、基态修正模型、时空复合模型、第一范式关系s t d m 、非第一范式关 系s t d m 、面向对象模型、基于事件的模型等。但是，这些模型绝大多数是针对特定的应用领域而 提出的，通用的、规范化的时空数据模型仍然处于探索阶段。目前g i s 中对时态数据的处理方式主 要有：( 1 ) 时间作为附加的属性数据：( 2 ) 时间作为新的一维：( 3 ) 用面向对象方法表达。面向对 象方法几乎已成为一个默认方法，是在结点、弧段、多边形等几何要素的表达上增加时间，并考虑 空间拓扑结构和时态拓扑关系。 对象角色建模( o r m ) 是微软最新推出的v i s u a ls t u d i o n e t 核心数据建模方法，在建模思想上有 重大突破：( t ) 把事物的属性分离出来，作为一个建模研究的对象；( 2 ) 强调表述的规范化，避免 二义性，并使用语言描述辅助业务规则表达；( 3 ) 强调建模流程。本文用o r m 来进行时空数据的 建模。g i s 中的时态功能缺陷问题至今尚未解决。时空建模的研究可以满足g i s 时空数据管理的需 要、满足g i s 数据更新的需要：同时，可以解决t g i s 中的时态功能缺陷问题，满足应用系统的迫 切需要。 笔者在南京师范大学研究生学习期间，参加了由倪绍祥教授主持的多项课题研究，本人主要负 责g i s 数据处理与分析，模型集成与封装，具备了一定的数据建模理论知识。通过，参加杭州奥维 计算机信息过程有限公司的“湘潭市房产图文一体化管理信息系统”项目的设计和开发，针对解决 该项目中房产时空数据的管理问题，提出了本论文的研究思路。 本论文主要包括如下五章： 1 1 i 第章：分析了时空建模的研究背景和研究意义，概述了国内外时空建模的研究进展和现状， 提出了本论文的研究目的、研究内容及研究方法与技术路线。 第二章：论述了时空建模的相关概念，评述了现有的时空数据模型的优缺点，分析了时空数据 的时空语义特征、时空变化特征和时空粒度特征。 第三章：论述了时空数据的概念模型框架分析了时空数据的建模层次、建模要求和建模关键 问题，详细阐述了基于o r m 的时空数据模型构建方法。 第四章：分析房产空间数据特征和房产时空数据解决方案，并研究房了产历史数据管理方法、 时空数据模型的定义、查询与分析。 第五章：本文的主要研究成果及今后需要进一步探讨的问题。 本文研究的主要内容和取得的主要成果和结论如下： ( 1 ) 时空数据模型没有统一的标准，面向对象方法是时空建模的发展方向： ( 2 ) o r m 是一种进行时空数据建模的全新方法； ( 3 ) 时空粒度是时空数据的重要特征，也是影响时空建模的关键因素之一； ( 4 ) 从应用系统的角度出发，构建基于o r m 的时空建模方法； ( 5 ) 在分析房产空间数据特征的基础上，提出了基于o r m 的房产时空数据管理方法。 需要指出的是，由于t g i s 的复杂性与难度，本文所提出的基于o r m 的时空建模方法所得出 的结论是初步的有待于今后进一步深入研究。同时，由于本人能力所限，文中不足之处在所难免， 恳求专家提出宝贵意见。 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 y 6 4 2 6 3 9 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表 或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 作者签名： 日期： 燮鱼 三细t 华，z 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权 保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查 阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标 题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 日期： 盗坐 三棚皈够c ，z 第一章绪论 第一章绪论 1 1 时空建模的研究背景与意义 1 1 1 研究背景 1 9 9 8 年美国副总统戈尔提出“数字地球”的概念。数字地球是一个以地理坐标为依据的、具有 多分辨率的、由海量数据组成的、多维显示的地球模拟系统。做为数字地球的一个重要组成部分， g i s 可以集成不同来源的空间信息，为发展数字地球提供一个非常好的技术基础；而数学地球概念 的提出，进一步推动了作为其技术支撑的g i s 的发展。g i s 是一种采集、处理、存储、管理、分析 和表达地理空间数据的计算机系统i i 】。地理信息己成为信息时代的一种最重要的信息。 空间、时间和属性构成了地理现象的三个基本要素。地理现象的时间、空间和属性三要素具有 不可分割性，即只有对地理现象时间、空间和属性的完整表达才能揭示地理现象的特征和规律。由 此可以认为，地理信息是由空间、时间和属性三种基本成分构成的。地理信息属于空间信息，它具 有空间特征；地理信息包含各种专题和属性，它具有多维结构特征；地理信息除了具有空间和属性 特征外，还具有明显的时序特征，印动态变化特征。这就要求及时采集和更新地理信息，并寻找其 随时间变化的规律，进而对未来现象或事物作出预测和预报。对地理现象进行完整而准确的表达和 分析是g i s 的核心所在口i 。要真正实现对地理现象完整、准确的描述，必须获得地理现象空间、时 间、属性完整的描述信息，实现时空数据统一存储、管理，并按不同需求提取，进行时序、空间和 时空复合等多种分析。这种对时空数据集成能力的需求是时态g i s ( t g l s ) 发展的内在原因i “。 g i s 所描述的现实世界是随时间连续变化的。当前g i s 研究的一个热点是要实现动态空间数据 的追踪和分析，并在此基础上进行预测预报和辅助决策，即在三维g i s 的基础上考虑时间变化，将 时间作为一个与空间同等重耍的因素引入到g 1 s 中来，这样便产生了t g l s 。t g i s 的关键问题是建 立台适的时间与空间联合的数据模型时空数据模型，以更有效地组织和管理及完善时态地理数 据、属性、空间和时间语义，以便重建历史状态。跟踪变化，预测未来。时空数据模型地建立依赖 于时间的表示方法。目前规范化的时空数据模型正处在探索阶段1 3 1 。 多年来，在业界广泛使用e r 模型进行数据建模。但是e r 模型存在着一些缺点，随着业务系 统的进一步复杂化和业务规则的多样化，模型的表达能力受到很大挑战：而且e r 模型更贴近数据 库实现，t _ _ 卜利于与用户交流。新近推出u m l 的，解决了e r 的一些问题，但是在表达静态业务规则 第一章镶论 上仍然不足。本文引入一种全新的数据建模方法o r m ，来对时空数据进行建模。o r m 是微软的 t e n d r r yh a l p i n 博士在前人研究的基础上，针对以上一些建模方法的缺点，帮助数据建模人员更好把 握业务规则而提出的一种全新的方法，是微软最新的v i s u a ls t u d i o n e t 核心数据建模方法。o r m 的 核心思想是把客观事物看作是对象，用每个对象的角色来描述对象与对象之间的关系。虽然术语上 看上去与其他建模方法无大的区别，但是在建模思想上却有重大突破：( 1 ) 把事物的属性也分离 出来，作为一个建模研究的对象；( 2 ) 强调表述的规范化，避免_ 二义性，使用语言描述辅助业务规 则表达；( 3 ) 强调建模流程。 1 1 2 研究意义 g i s 中的时态功能缺陷问题至今尚未解决。本文中时空建模的研究能满足g i s 时空数据管理和 更新的需要，并可直接解决应用系统中的时态数据的管理问题。此外，还可为时空建模的相关研究 提供借鉴，因而具有一定的理论和实践意义。 1 、满足g 1 s 数据更新的迫切需要 g i s 的主要功能之一是数据管理，而数据更新是其晟基本的要求之一。众所周知，地理数据的 现势性是衡量其使用价值的重要标志。国际摄影测量与遥感学会第四委员会主席df r 汀b e g i n c h 博士 认为，当前g i s 的核心已经从数据生产转为数据更新，数据更新就意味着g i s 的可持续发展”。在 交通规划、移动通讯、地籍管理、房产管理等方面，都要根据现实准确的地理数据来作出正确的分 析与决策。但是由于缺乏切实可行的更新技术目前地理数据库的更新速度远远不能跟上现实世界 的变化速度。因此，对地理信息数据库的更新方法与更新工程的研究已成为摆在我们面前的迫在眉 睫的任务。同时，数据更新的技术和策略也成为学术界和产业部门共同的研究热点。 2 、满足各种应用系统对g i s 时空数据管理功能的紧急需求 2 0 世纪9 0 年代以来，计算机软硬件技术飞速发展，以及时空多分辨率遥感技术、全球定位技 术( g p s ) 等时变地理数据采集手段的出现，为g i s 的建立提供了外部条件。人类社会发展到今天， 人类对其生存的环境的认识和影响能力已经大大提高，已由静态的、局部的上升到动态的全球的水 平a 日益扩展的应用领域向g i s 提出了管理时空数据的需求，进一步发展信息系统以支持时变地理 定位信息是各种应用领域使用者的长期要求。全球增温、生态环境恶化、水资源短缺等近现代以来 出现的胁追人类生存的问题，使我们很有必要重新审视人类活动对自身生存环境的影响，由此启动 了一系列国际性的跨学科研究计划，其中一项重要的内容是研究复杂的大尺度时空过程的演变机制。 当今先进的遥感技术为这种研究提供了丰富多样的数据源，但是g i s 却因为缺乏时空数据分析处理 2 第一章绪论 能力而成为制约进一步研究的瓶颈【5 】。 3 、解决g i s 应用系统中的时空数据管理的瓶颈问题 g i s 中的时态功能缺陷问题至今尚未解决。传统的g i s 是以静态的方式米表现动态的客观世界， 为了保持系统运行过程中数据的现势性，用户必须不断地增加新的数据、删除“过时”的数据。近 年来，大容量存储设备的出现及其性价比的大幅度提高，使得保留“过时”的大量历史数据成为可 能；现实应用对历史查询、过程模拟与趋势预测的迫切需求也使得保存历史数据的必要性曰显突出： 而数据库技术特别是时态数据库技术的发展则为这些功能的实现提供了基本的理论预备。因此，g 1 s 中时态问题的研究己成为近十余年来持久不衰的研究热点。但是由于问题的复杂性，相关研究至今 仍然停留在百家争鸣的理论探索阶段。时空数据模型是时态g i s 的核心问题和主要难点。 4 、时空建模技术已成为当前g i s 领域的一个重要研究方向 t g i s 的组织核心是时空数据库，s t d m ! l ! i j 是时空数据库的基础。在时态g i s 的研究中，最基 本最迫切的就是时空数据模型的研究。s t d m 可更有效地组织和管理、完善时态地理数据、属| 生、 空间和时间语义。为了获得对地理现象的空、司、时间和属性的完整描述信息，实现时空数据的统一 存储和管理，并按不同需求提取，完成时序、空间和时空等多种分析，发展具有时空数据集成能力 的时j 三建模技术，己成为当前g i s 领域的一个重要研究方向。随着“数字地球”在全球的兴起我 国也开始对之进行积极的探讨和研究。作为数字地球重要技术支撑的g i s ，将进入全面发展和应用 时期，而t g i s 是g i s 今后发展的主流方向。 1 。2 国内外时空建模的研究进展 1 2 1 国外研究进展 时空数据模型包括了属性数据的时态问题和空间数据的时态问题两个方面：前者早在2 0 世纪 7 0 年代就已经引起了计算机科学领域特别是数据库研究领域的学者的关注；而空间数据的时态问题 ( 或者说真l e 是g i s 的时态问题) 直到2 0 世纪8 0 年代末才引起人们注意，很快就使得到了有关学 者的重视。目前，国外开始注重时空变化的内部规律研究与表达。 ! 、2 0 世纪7 0 年代来到8 0 年代初，开始了属性数据的时态问题研究。 1 9 7 0 年，g w i e d e r h o l d 和jf f r i e s 研制的医疗系统在处理时态信息方面作了最早的尝试，k a h n k a t a l 丁19 7 7 年在“a r t i f i c a li n t e l l i g e n c e ”杂志上发表的“m e c h a n i z i n gt e n d m p o r a lk n o w l e d g e ”一文 反映了早删关于时态信息的基础陛研究。i 9 8 2 年j b e nz v i 在他的博士论文中提出了时态数据库模 第一章绪论 型，引入了时间区间提出并研究了非一范式的时态数据库，引人了有效时间和事务时间的敬时态 概念，引人了时态索引结构。1 9 8 2 年，l c l i f f o r d 在他的博士论文及相关的一组文章中，对历史数据 库作了开创性工作。他注意到了被管理对象的生命周期( l i f es p a n ) ，研究了在关系、元组、字段值 上加时间信息的技术细节，引人了历史关系模型、历史关系代数，研究了历史数据库中投影、选择、 连接的特殊要求和特殊规律。1 9 8 3 年，sg i n s b u r g 教授提出了对象历史模型，深入分析了基于可计 算元组的对象历史的特殊要求和特殊规律，提出了基于记录、事件驱动的代数结构模型。1 9 8 5 年 r i c h a r ds n o d g r a s s 开发了时态查询语言t q u e l 。1 9 8 6 年s h a r s h ik g a d i a 建立了同时性关系模型。由 于时态数据库研究初期提出的各种专业术语和定义概念比较混乱，s n o d g r a s s 提出一个新的时间分类 方法，用事务时间和有效时间统一了时间概念，并且证明事务时间和有效时间存在正交性，可被独 立应用。此外，他还按照数据库对时间概念和时态信息的处理能力，把数据库分为快照数据库、回 滚数据库、历史数据库和时态数据库6 】【7 1 。 2 、2 0 世纪8 0 年代后期，开始了t g i s 的研究 1 9 8 7 年j a m e sc l i f f o r d 等学者提出了历史关系数据模型口i 。1 9 8 8 年h l f e r 提出了一个关于该方 向的应用实例9 1 。1 9 9 0 年h u n t e r 和w i l l i a m s o n 提出用创建日期和停j r 日期对地块进行时间标记， 针对时空数据库的组织，1 9 8 8 年a r m s t r o n g 给出了两个可供选择的方案，并用实体分类关系图对这 些方案进行了描述a 如果是基t - n n 的数据库，属性历史赋予每+ g r n g i 5 ：，可以避免对每个版本 完整数据层进行存储而造成浪费；如果是基于矢量数据库，可以用起始时间和终止时间明确记录持 续时间，也可以记录单个的时间标记。前者把间隔标记特征与空间位置相联系；后者则把起始时问 与空间位置相联系。1 9 9 1 年h m r a f a a t 描述了一个较早的时空数据库模型1 。为了建立一个矧像数 据库系统，该模型通过扩展关系数据库来处理有效时间和事务时间，并增加了新的代数操作以有效 控制时态维。r a f a a t 等认识到，在g i s 中，变化对地理实体和现象的空间和专题属性都有影响，为 此他们提出了一个存取空间和时态拓扑的方法1 。1 9 9 2 年，g a l ll a n g r a n 发表了他的博士论文“地 理信息系统中的时间”，可认为它是t g i s 研究的正式开始1 ”。在此之前，l a n g r a n 就已对t g l s 设计 的折中方案在t g i s 中存取时间信息等问题做了研究，并建立了一个在自动航海图中跟踪时间信息 的系统。l a n g r a l l 认为，一个地理区域中，发生了什么变化，在什么地方发生变化，这类现象的准确 清楚表述是t g i s 的核心。状态、事件和史料是时态g i s 三个主要数据类型n 3 、2 0 世纪9 0 年代以来，越来越多的学者开始采用面向对象的方法进行时空建模 m f w o r b o y s 研究了在面向对象数据库中为空间线对象创建双时态元素的可能性，并在实现时 使_ = j 线性时间的离散模型。他建议使用面向对象数据库技术支持时空建模，提出了时空对象的概念 和框架。w o c h o w i c e 和h e a l y 建立了一个面向对象的时空数据模型，来反映现实世界的现象和 4 第一章绻论 事件“】。现实世界的现象用几何、拓扑和专题属性表达成复杂的版本对象。模型为对象的过去、现 在和1 未来建立了层次结构，为每个对象版本建立一个带有不同标识的新的对象实例。事件是激发更 新过程的体现，时间被表达为独立的线性的维。r a m a c h a n d r a n 发展了一种时态变化数据模型【j 。 4 、近年来，o i s 学者开始关注时空语义建模 c h r i s t o p h e c l a r a t a u n t 等提出了基于事件的管理时间方法。该方法主要提出了一个适合于地理 应用的概念模型。根据基于事件和基于时间查询，定义了可能与这些体系结构有关的时态操作。几 何物体不只是离散的变化，也可能是连续变化的。m a r t i ne r w i g 等提出了在数据库中建模和查询移动 区域来代表时空多维实体，通过把时空多维实体建模成抽象数据类型来获取它们的结构和行为。 a p r a s a ds i s t a l 等也提出了一个在数据库系统中表达移动对象时空( m o s t ) 数据模型【”t ，该模型提 出了用未来时态逻辑作为m o s t 模型的查询语言，并设计了相应的算法。1 9 9 8 年w e iz h a n g 提出了 时间作为参数建模方法。他认为由于时间对控制地理实体变化的因素的影响( 或作用) 是独立的， 所以可以把时间作为参数来实现对地理现实世界时空变化的定量描述。 5 、国外的一些有关时空建模的研究机构：欧洲科研开发d g x i i 委员会发起建立的一个培训 和交流的研究网络c h o r o c h r o n o s ，主要研究以下问题：空间和时间的结构和表达，s t d b m s 的数据模型和查啕语言，时空信息的图形用户界面，s t d b m s 奇询过程算法、存储结构和索引技术， 以及s t d b m s 的体系结构；美国国家地理信息分析中心( n c g i a ) 在1 9 9 4 年将“g i s 中的时空 推理”列为十大最有潜力的研究课题之一。该课题的研究内容集中于地理空间中相关的有限边界 对象的空间、时间和变化；i s p r s 也成立了“空间数据库的时态特征与数据更新”工作小组。并 于1 9 9 7 年在香港理t 大学、1 9 9 9 年在北京举行了“动态及多维g i s ”i s p r s & i g u 国际工作组会议 ”。可见，在国外d b m s 界和g i s 界对建立时空地理数据库和原型系统已经做了很多努力。 1 _ 2 2 国内研究进展 我国真止研究时空数据模型是从上世纪9 0 年代开始的，主要是在实践应用中提出了一些时空 数据模型( 见表1 1 ) ，或者对国外的一些模型进行改进。国内在时空数据模型具体实现方法、面向 对象等方面研究不断深入，并开始注意到时空现象自身的规律性。 1 、在实践应用中不断提出新的时空数据模型 郭达志提出了种用于矿业开发的空间和时间综合四维数据模型f 2 ”。龚健雅对时空对象模型中 的数据结构实现进行了研究，建议将版本标记和字段时间标记相结合设计对象类型的数据结构，并 提出了瑚对象标识记录对象版本的方法【”l 。此外，他还提出将面向对象的思想和超圈的思想结合起 第一牵缝论 来，建立四维时空数据模型2 “。张山山等提出了用快照序列模型和时间参数模型支持过程模拟的方 法，并结合地震过程模拟进行实例分析“1 。余志文研究了交通网络面向对象的时空数据模型1 2 5 1 1 2 “。 李小娟等设计和开发了基于变化特征状态的时空数据模型的时态土地利用信息系统。王晓栋等提 出了时空地理实体的新概念，将基图修正模型和组合体模型结合起来形成综合时空数据模型”。尹 章才等研究了土地划拨中的时空数据模型【2 9 j ，论述了时间作为地理实体的基本特征及g i s 中地理时 间的模拟方法，并从存储管理和时空语义表现的角度给出了时空数据模型的基本设计思想。张山山 提出了一个城市交通规划时空数据模型”i 。 表1 一l 国内时空数据模型研究统计表 编号时空数据模型( s t d m )作者单位应用领域 l 以事件为核心的面向对象s t d m林广发南京大学房产管理 2城市交通网络面向对象的s t d m 余志文中山大学交通规划 3一种面向对象的s t d m 曹志月中科院北京地理所 地图可视化 4 综合s t d 6 , i王晓栋 清华大学士地监测 5 基_ 二变化特征状态的s t d i李小娟 北京大学土地利用动态监测 6 面向对象的s t d m龚健雅 武汉大学房产管理 7 更新式s t d i 的扩展邵黎霞宁波大学 地籍管理 8基态修正s t d m 的扩展 刘j 二义浙江大学 土地产权产籍 9 基丁地理事件时变序列的s t d m盂令奎 武汉大学宗地历史数据 1 0 基于事件对象的s t d m 的扩展郑扣银浙江大学 时空一体化城建 l l 基于图论的时空数据模型研究尹章才武汉大学 土地划拨 1 2 基于状态和变化的统一s t d m郑扣银 浙江大学地籍管理 1 3 面向对象的城市交通规划s t d m张山山武汉人学 城市交通规划 1 4 三维空间过程模拟的s t d i 张山山 西南交大地震模拟 t 5 一种面向对象的s t d m 及其操作李春葆武汉大学 地籍管理 1 6 一种平面移动对象的s t d m易善桢 清华大学算法研究 1 7 基于k e v i ni a n 3 d 模型的s t d m蔡砥 华东师范大学 模型尊法 1 8 基于特征的s t d m 陆锋北京地理所 模型研究 1 9 基于属性标识位的面向对象s t d m卢炎生 华中科技大学模型算法 2 0 面向对象的s t d m舒红 武汉大学 模型算法 2 l 时空数据面向的n 1 n f 关系基础黄明智 河海大学模犁算法 2 、时空数据模型方面的基础理论研究 黄明智讨论了空间对象的n 1 n f ( 非第一范式) 表达和操作同时讨论了建立在这个基础上的 面状地理要素的时空数据模型3 。史文中等提出了基于过程的时态地理信息系统，井从概念建模到 逻辑建模说明了基于过程动态模型的建立方法3 ”。舒红等从存储管理和时空语义表现角度给出了时 空数据模型的基本设计思想，而且还从时空对象类型及其数据结构、时空操作方面定义了一个面向 对象时空数据模型的逻辑结构9 ”。杜道生等提出基于同步数据项组合碎分拓扑弧段时间标记得时态 6 第一章绪论 地理数据模型【3 4 】。舒红提出了时态对象代数模型【3 5 】，引入了元组、集合、序列和时态4 各基本构造 子来建立时态对象结构的代数模型。邵黎霞提出了对更新式数据模型的扩展方法【“】。郑扣根等提出 了一个基于状态和变化的统一时空数据模型【”。陆锋等提出发展基于特征的时空数据模型是新一代 地理信息系统的核心所在：讨论了基于特征的概念模型要素及相互关系；提出了基于特征的时空数 据模型所面临的关键技术”1 。易善桢等提出了一种平面移动对象的时空数据模型_ o p h 模犁【”1 。 刘仁义对基态修正模型进行了扩展和改进，提出了建立区段快速索引和变粒度索引因子方法，以及 采用历史库、过程库和现实库对时空过程和时空关系进行描述的思路。蔡砥在研究k e v i ni a n3d 模型的基础上，提出了把时间和空间同等对待的紧致时空数据模型【4 。卢炎生等提出了一种新的基 于属性标识位的面向对象时空数据模型”。孟令奎等提出并讨论了一种基丁地理事件时变序列的叫 空数据模型4 “。尹章才等探讨并发展基下图论的时空数据模型。用图的顶点表示时空实体，用酬的 边表示实体的时态关心，该模型能显示表达时空实体与时态关系【4 3 】。 3 、面向对象的时空建模研究 李春葆等提出了一种面向对象的时空数据模型h “，研究了其数据结构、时空数据的建立算法、 时空数据的更新算法及时空数据有询方法，并给出了一个模拟地籍的历史演变的实例。曹忠月等提 出_ ：r 一种面向对象时空数据模型，并从3 个方面描述了该模型的数据结构，包括时空刘象结构、时 空数据组织方式和时空数据存贮方式”“。林广发等设计了一种以事件为核心的面向对g l , j 空数据模 犁【4 “。 1 3 研究目的、内容与方法 1 3 1 研究目的 本文的主旨在于探讨基于o r m 的时空建模方法，在建模与应用实践过程中摸索、总结一些时 空建模的经验和规律，为时空建模者提供一些参考依据。同时，以房产管理中的房产空间数据为研 究对象，采用o r m 的数据建模方法来研究房产管理中时空数据模型，为房产管理信息系统服务。 1 3 2 研究内容 本文选择了基于o r m 的时空建模方法米进行研究，通过分析国内外日_ j 空数据建模技术的研究 现：状、发展趋势t 评述现有的时空数据模型，比较分析e r 和u m l 的优缺点，引入一种全新的建模 方法( o r m ) ，来探讨基于o r m 时空建模方法。着重研究时空数据的数据特征、概念框架，以及时 7 第一章绻论 空建模的过程和方法。同时以湘潭市房产管理项目中的房产空间数据为研究对象，采用o r m 的 数据建模方法来研究房产管理中时空数据模型。主要内容包括以下三个方面： ( 1 ) 在介绍时空建模相关概念的基础上，收集和整理现有时空数据模型，并对其进行评述， 同时分析了时空数据的特征。 ( 2 ) 从时空建模三个层次( 概念建模、逻辑建模和物理建模) 来探讨时空概念模型、时空建 模过程和时空建模方法。 ( 3 ) 以房产空间数据为研究对象，分析房产空间数据的特征，房产时空数据管理的解决方案， 同时研究房产管理中时空数据模型。 1 3 3 研究方法 论文研究首先从阅读国内外相关图书资料、文献和互联网上相关网站内容入手，通过分析国内 外时空数据建模技术的研究现状、发展趋势，评述现有的时空数据模型，比较分析e r 和u m l 的优 缺点，引入一种全新的建模方法( o r m ) ，来探讨基于o r m 时空建模方法。本文的内容就是在此基 础上的理论提高与完善，具体的技术路线如下( 见图1 1 ) ： ( 1 ) 阅读国内外相关图书资料、文献和互联网上相关网站内容，分析时空建模国内外的研究 进展和研究现状： ( 2 ) 对现有时空数据模型进行评述，找出现有s t d m 中存在优缺点，总结出时空建模的要求 和关键问题； ( 3 ) 从考虑数据存储和数据冗余的角度，分析时空数据的语义特征、变化特征和粒度特征： ( 4 ) 从概念建模、逻辑建模和物理建模三个层次，来探讨基于o r m 的时空建模方法； ( 5 ) 结合湘潭市房产管理项目的实例，研究房产的时空数据特征和时空数据模型，对基于o r m 的时空数据建模方法进行实践和评价。 8 第一章绪论 建模对象基于o r m 的时空数据建模方法 。 建模基础 图卜i 研究技术路线框图 9 第二章时空建模基础 2 _ 1 时空建模的相关概念 2 1 1 数据模型与数据结构 数据模型是通过数据手段对现实世界的抽象，是操作与完备性规则经过形式化定义的目标集 合。数据模型包括3 方面内容分别为目标类型集合、目标操作集合及目标操作应用结果和完备性 约束规则集。定义数据模型的结构与内容的过程称为数据建模。形式上，可将数据模型定义为如下 的三元组：d a t am o d e l = ( s ，0 ，t ) ，s 是表示与组织数据的规则，称为数据模型的静态要素。它 不仅给出组织和表示对象、对象属性及对象之间联系的方法，而且给出对它们的约束。o 是对象数 据的操作集台，是数据模型的动态要素，它给出对对象及对象联系的操作、操作之间的联系，对操 作的约柬和例外处理等。t 是数据模型的支持要素，它是数据建模的工具和技术的集合。 数据结构至今尚未有一致公认的定义。一般认为，数据结构是相互之间存在一种或多种特定关 系的数据元素的集合，是指数据记录的编排格式及数据间关系的描述。数据元素是