土地信息时空数据模型构建方法研究_时空数据模型

　　［摘要］　土地信息具有典型的时空特性，为满足土地信息动态管理的需求，急需研究基于TGIS的土地信息时空数据模型的构建方法。文章在分析土地信息的时空特性的基础上，提出土地信息时空数据模型的构建方法，并介绍土地对象时空操作步骤。该模型能较好地解决土地信息管理的数据组织和数据存储问题，对建立实用的土地动态综合管理信息系统具有十分重要的意义。
　　［关键词］　土地信息管理；时空数据模型；概念模型；逻辑模型；时空操作
　　［作者简介］　周文婷，桂林理工大学南宁分校讲师，硕士，研究方向：TGIS理论和应用，广西　南宁，530000；姚茂华，广西基础地理信息中心，广西　南宁，530000
　　［中图分类号］ P208 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1007-7723（2012）08-0032-0004
　　土地是人类立足的场所、生存的条件和使人类劳动过程能够得以全部实现的基础，是有限的、不可再生的，它既是宝贵的资源又是一笔巨大的资产，科学地管理土地，更集约地经营利用土地已经成为全球关注的问题。随着我国土地使用权制度的改革，土地资产成为我国最大的国有资产，目前城市土地交易日益频繁，如何既能保持与日俱增的土地信息的现势性，又能进行历史数据的管理，对土地信息管理是一个巨大的挑战。而要有效存储和管理土地信息，利用传统的地理信息系统只能记录当前瞬时状态的数据难以实现土地管理中的土地信息动态查询、时空分析和决策等时空信息管理。因此，需要在土地管理中引入时间信息，研究基于TGIS（temporal geographic information systems）的土地信息时空数据模型的构建方法。基于基态修正的面向对象时空数据模型为解决时空数据组织和存储提供了一种较有效的解决方案。本文在此基础上提出一个土地信息时空数据模型的构建方法。
　　一、土地信息管理中的时空特性
　　任何事物的发生或演变都有其时间特征。在土地信息管理中，时间和空间是不可分割地联系在一起的，时间是不可缺少的一维，它不仅作为数据的一个组成部分，而且与空间数据相互关联地存在着。
　　土地信息具有显著的时态特征，表现在土地信息变更的频繁程度、复杂程度和土地信息管理对土地信息变更的要求以及变更处理与否所造成的影响上。具体包括以下几方面[1]：（1）土地变更的内容包括地类名称、土地权属单位、土地权属性质和面积等。土地变更的时空变化有三种：一是属性变化，空间不变；二是空间变化，属性不变；三是空间和属性同时变化。（2）土地管理要求对土地信息的变更几乎都要进行记载。通过对土地历史信息的分析可以获得过去某一时刻的土地权属和利用状况，可以评价过去土地政策的正确性，可以获得将来土地利用的趋势，可以辅助决策者根据过去的土地信息进行决策，可以检查现有数据质量和完整性。（3）上报后的土地信息具有法律意义，土地信息的变更是不是随意的，要经过层层审批把关和协调，稍不留意，就可能引起纠纷。同时，它也是解决土地产权纠纷的依据。
　　二、土地时空数据模型设计
　　目前，国内外学者提出的时空数据模型有十余种，其中实际应用较为成功的模型以基态修正模型为代表[2]，并在应用中根据实际情况进行进一步的扩展和完善[3][4] 。然而，改进的基态修正模型只是从数据的存储方面解决时空数据的问题，没有解决时空数据的空间关系问题。面向对象技术的发展以及在GIS领域的应用，为我们提供了一种更为科学的数据组织方式，面向对象的数据模型更符合客观世界的本质特征，可以很好地解决时空数据的空间关系问题。因此，改进和扩展传统的基态修正模型，构建基于基态修正的面向对象时空数据模型是解决土地信息数据管理问题的一种可行的解决方案，为土地时空概念模型、逻辑模型和物理模型的设计提供理论基础和新的方法。
　　该模型为土地对象赋予时态属性，为土地对象建立一个有效的时间类，来描述土地对象在现实世界中的实际变化历史。每个地理对象用“对象标识+对象空间信息+对象属性信息+对象时间信息+对象操作”表示。基于基态修正的面向对象时空数据模型理论在时空数据建模中具有指导性的作用，其组成见图1。
　　（一）土地时空信息
　　1. 土地对象
　　在土地信息管理中，利用面向对象的思想，即面向土地实体对象，对土地时空信息进行组织和表达，直接支持对象的嵌套和变长记录，且封装对象的所有信息，能更充分、客观地描述土地实体，具有明显的优势。
　　采用面向对象的方法，土地信息作为土地对象，将空间信息、属性信息、时间信息封装起来，构成一个不可分割的独立单元，与其他土地对象发生联系。
　　时间信息指记录土地对象的存在时间，即记录土地对象的创建时间（Createtime）和消亡时间（Endtime）。土地对象的消亡并不是删除土地对象，只是改变土地对象的时间信息，土地对象仍存储在数据库中。在时间信息中，消亡时间（Endtime）有可能是空，这表示该时刻土地对象还存在；如果Endtime是非空，则表示该时刻土地对象已死亡。因此，仍存在的土地对象的时间信息表示为[Createtime，Now]，消亡对象表示为[Createtime，Endtime]。
　　2. 土地对象变更
　　土地对象具有空间、时间和属性特征。其空间特征通过空间类定义，时态特征通过有效时间标记，属性通过面积、权属单位、权属性质等描述。每个对象具有唯一的ID，时空对象的操作有创建、消亡等。
　　按照变化的内容，土地对象随时间的变化主要分为3种：空间变化、属性变化、属性和空间信息同时变化。土地对象发生任何变化都将产生新的土地对象。新的土地对象与旧的土地对象的关系是子对象与父对象的关系。
　　3. 差文件
　　考虑到土地信息的海量性以及土地信息变化较为缓慢的特点，采用动态变粒度的改进基态修正模型[5]，只存储土地对象的基态数据和土地对象的数据变化量（即差文件），这样能大大减少数据冗余，且能充分表达土地对象的变化情况。因此，需要研究差文件数据组织结构。 　　差文件包括土地空间变化信息、土地属性变化信息、创建时间、土地对象操作和与其他差文件的关联信息。
　　土地空间信息发生变化时，需要记录土地对象的空间几何信息。
　　土地属性变化信息只记录变化的属性字段。
　　创建时间指变化发生的时刻，即原土地对象的消亡时间，新土地对象的创建时间。
　　土地对象操作是对土地对象的创建、消亡操作。土地对象操作按土地对象变化的原因，分为地类图斑分割、合并、地类界线调整、复杂变更，线状地物调整、增加线状地物、减少线状地物，增加零星地物、减少零星地物，属性变更等。
　　关联信息指创建的新土地对象与其他土地对象的关系信息。土地对象发生变化后，原土地对象消亡是由于新土地对象创建而发生的，原土地对象与新土地对象有亲缘继承关系，在差文件中，记录上一个差文件的ID，即父对象ID。
　　（二）土地信息时空数据模型
　　基于基态修正的面向对象土地信息时空数据模型需要建立基态库和差文件库。其构成如图3所示。
　　基态库是存储土地对象的基态信息，即某一时刻所有土地对象的信息。根据动态变粒度的改进基态修正模型，基态距是由离现在时刻的远近和数据变化量确定的[5]。根据面向对象的观点，基态库存储基态对象信息和土地对象信息。基态对象信息包括基态对象的时间信息和所包含的土地对象等；土地对象信息包括空间信息、属性信息、时间信息、关联信息、操作信息等。
　　差文件库是存储每次土地对象发生变化产生的差文件信息。差文件库是一个时间序列数据库，存储土地对象时间序列差文件数据。对于任意给定时刻或时段，都可以在差文件库中查询相对于基态的变化量，对基态进行时空运算，得出给定时刻或时段的土地对象信息。
　　基态库与差文件库采用父差文件ID相联。
　　当要获取某时刻的土地对象信息，则在基态数据上按顺序进行差文件的叠加操作，整合出一套完整的土地对象信息。
　　1. 土地对象结构
　　父差文件ID是将土地对象与父差文件进行关联，可以追溯土地对象的亲缘继承关系，并获得土地信息变化量。
　　操作是对土地对象的创建和消亡操作，地类图斑对象的操作主要包括地类图斑分割、合并、地类界线调整、复杂变更、属性变更等，线状地物对象的操作包括线状地物调整、增加线状地物、减少线状地物、属性变更等，零星地物对象的操作包括增加零星地物、减少零星地物、属性变更等。
　　2. 差文件结构
　　差文件包括土地空间变化信息、土地属性变化信息、时间信息、土地对象操作和与其他差文件的关系信息。差文件的结构表示如下：
　　差文件（CID，Geometry，要素代码，属性字段代码，属性字段值，CreatTime， EndTime，父差文件ID，操作）。
　　CID表示差文件的唯一标识符；Geometry表示土地对象变化的空间几何信息；要素代码表示土地对象的类型；属性字段代码和属性字段值表示属性字段的变化值，差文件中只记录变化的属性字段；CreatTime表示差文件的创建时间，即土地对象变化发生的时间，同时，也是新产生土地对象的创建时间，原土地对象的消亡时间；EndTime表示差文件消亡的时间，将创建新的土地对象；父差文件ID是表示消亡土地对象的差文件，是新创建土地对象差文件的父对象，两个土地对象和两个差文件都有亲缘继承关系；操作是土地对象变化的原因，与土地对象中的内容相同，分为地类图斑操作、线状地物操作和零星地物操作等。
　　3. 基态结构
　　在土地信息时空数据模型中，当差文件数达到基态距时，则设立基态，在整个时间过程中，有N个基态，每个基态需要记录基态设立时刻和该时刻的土地对象信息。基态的结构表示如下：
　　基态（JID，ID，RecordTime）
　　JID表示基态的唯一标识符；ID表示土地对象的唯一标识符，一个基态中有多个土地对象标识符；RecordTime表示基态设立时刻。
　　4. 基态距的确定
　　（三）土地对象时空操作
　　土地对象时空操作主要指土地对象的创建和消亡等操作。土地对象的变更包括地类图斑分割、合并、地类界线调整、复杂变更，线状地物调整、增加线状地物、减少线状地物，增加零星地物、减少零星地物，属性变更等。土地对象的创建和土地对象的消亡操作是同时发生的。由于土地面积是守恒的，土地对象在空间上无重叠，也无缝隙，土地的总面积不变，有土地对象消亡，一定有新的土地对象产生。土地对象的创建和消亡操作按土地对象类型可分为地类图斑操作、线状地物操作、零星地物操作，在起始时刻土地对象的创建指土地信息初始建库。实现过程如下：
　　3. 线状地物操作
　　（1）创建土地对象；（2）空间操作：包括线状地物调整、增加线状地物、减少线状地物等。变更原土地对象的几何图形，形成新创建对象的几何图形，记录在差文件中；（3）属性操作：变更属性字段，记录在差文件中；（4）时间操作：记录土地对象的创建时间（CreatTime），即变化时间，记录在差文件中；（4）关联操作：记录新创建土地对象的父对象差文件ID，记录在差文件中。
　　4. 零星地物操作
　　（1）创建土地对象；（2）空间操作：包括增加零星地物、减少零星地物等。根据结点坐标生成新土地对象的几何图形，记录在差文件中；（3）属性操作：变更属性字段，记录在差文件中；（4）时间操作：记录土地对象的创建时间（CreatTime），即变化时间，记录在差文件中；（5）关联操作：在土地对象属性发生变更后，记录新创建土地对象的父对象差文件ID，记录在差文件中。
　　三、结　语
　　本文针对土地信息管理的特点，在研究基于改进基态修正的面向对象时空数据模型的基础上，提出土地时空数据模型。该模型能较好地解决土地信息管理的数据存储和数据组织问题，保证了历史数据和现状数据的统一管理，为建立实用的土地动态综合管理信息系统提供强大的理论基础。下一步需要对该模型的实际应用进行进一步研究，以提高该模型的实用性。
　　［参考文献］
　　［1］缪建明.土地利用变更调查特点分析［J］.中国农业资源与区划,2001,22(4).
　　［2］刘仁义,刘南,苏国中.时空数据库基态修正模型的扩展［J］.浙江大学学报(理学版),2000,27(2).
　　［3］程昌秀,周成虎,陆锋.对象关系型GIS中改进基态修正时空数据模型的实现［J］.中国图象图形学报,2003,8(A)(6).
　　［4］杜道生,舒红.基于同步数据项组和碎分拓扑弧段时间标记的时态地理数据模型［J］.武汉测绘科技大学学报,1997,22(2).
　　［5］姚茂华,周文婷.基于动态变粒度的改进基态修正模型研究［J］.硅谷,2009,(9).

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