摘要：隨著我國土地調查工作的開展，獲得了大量的土地調查歷史數據，尤其是農村土地數據，具有典型的時態特征，使其存儲和管理對現有的時態數據模型提出了挑戰。土地變化的模擬、查詢和顯示的根本在于時空數據模型的建立。本研究在對農村土地調查數據的時間、空間語義分析的基礎上，借助于面向對象思想，對時空數據建模進行了研究，提出適合于農村土地調查數據的面向對象時空屬性概念模型，為土地時空信息的有效組織、管理和查詢提供了新的思路和方法，達到了降低數據冗余，提高檢索效率的目的。

關鍵詞：土地調查歷史數據；時空數據模型；面向對象；土地時空信息

中圖分類號： S127文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）09-0387-04

收稿日期：2013-11-28

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2012BAJ23B04）。

作者簡介：胡彥波（1987—），男，河南濮陽人，碩士研究生，主要從事時態數據模型方面研究。

通信作者：朱華吉，山東濰坊人，博士，副研究員，主要從事時態GIS理論方面研究。E-mail：zhuhuaji@126.com。自全國土地第1次調查以來，我國進行了全面的土地調查工作。到目前為止，共獲得了第1次全國土地調查、過渡期、第2次全國土地調查3個時期的土地調查資料，得到了海量的土地調查歷史數據，特別是農村土地調查數據。如何有效地管理這些數據，需找到一種合適的時空數據模型，關鍵問題是時空數據模型的構建方法。一種合理時空數據模型要能有效地組織、管理和完善時態地理數據的空間、屬性和時間語義，提高時空數據的輸入、檢索、查詢和更新及操作效率，以便重建歷史狀態、跟蹤變化、預測未來[1]。

農村土地調查數據具有顯著的時態特征，信息變更頻繁、復雜，但相對緩慢。包含有明顯的土地對象，即地類圖斑、線狀地物和零星地物。本研究結合面向對象的思想，在基態修正模型的基礎上，提出了一種適合農村土地調查數據面向對象的建模方法，對農村土地調查數據進行組織管理，自然、充分地表示了農村土地的的真實面貌。

1時空數據建模理論

時空數據建模是針對如何合理有效地表達、記錄和管理現實世界時空變化實體及其關系與行為的研究，是建立時態地理信息系統的重要基礎。而時態地理信息系統是面向時空數據進行組織、管理和分析，任何信息系統的表達能力在很大程度上取決于底層數據模型的設計。因此，一個合理的數據模型必須考慮：節省存儲空間、加快存取速度、表現時空語義[2]。

1.1時空建模層次

數據模型設計目的是將客觀事物抽象成計算機可以表示的形式。通過對地理實體從現實世界到計算機內部表示的不斷抽象，GIS數據模型由概念模型、邏輯模型、物理模型3個有機聯系的層次組成[3]。對現實世界的抽象和概括綜合，邏輯模型通過一系列表格和數據記錄實現概念模型與用計算機語言描述實體之間的轉換，而物理模型則涉及存儲設備、文件格式、訪問方法、數據位置等，從物理上來實現這些描述的方法（圖1）。

1.2地理實體建模成分分析

地理空間是由具有各種關系的地理實體組成的，地理實體不斷發生著各種變化，具有空間特征、時間特征、屬性特征。時空數據模型就應該是對地理實體的空間特征、時間特征、屬性特征及其關系的完整描述。分析地理實體的3種成分的基本語義，以便形成正確、語義豐富的數據模型。（1）空間特征。地理實體存在于地理空間中，其位置、形狀、大小等由空間特征表達，是GIS系統描述的主要內容。（2）時間特征。通過對時間描述來表達地理實體隨時間變化的特性。（3）屬性特征。表達了地理實體具體的領域語義，如果沒有屬性特征，則地理實體在GIS中的表達是沒有意義的幾何圖形，無法描述地理空間中紛繁復雜的地理現象。

2面向對象時空數據模型

2.1基態修正模型

農村土地調查數據現實性比較強，變更頻繁，但變化相對緩慢，因此存儲時，為了減少數據冗余，選擇基態修正模型。設立使用最為頻繁的現在的狀態作為基態，每次變化后將前一狀態相對于最新狀態的變化部分存入歷史庫。它經存儲或入庫后，其數據內容會被變更數據不斷修正。而差文件主要描述局部地區的變更數據，包括土地空間變化信息、土地屬性變化信息、創建時間、土地對象操作和與其他差文件的關聯信息。基態修正模型對變更數據的有效組織顯得尤為重要，它關系到時空信息的快速更新和歷史數據的高效查詢。

2.2基于面向對象的基態修正模型

在基態修正模型的基礎上，引入面向對象技術，對時空數據模型進行進一步擴展，設計基于基態修正的面向對象時空數據模型，是構建土地信息時空數據模型的關鍵。面向對象技術數據組織方式更符合客觀世界的本質特征，為時空數據組織提供了有效方法，從而解決了時空數據的存儲問題。

每個時空數據對象由空間信息、屬性信息、時間信息3部分構成，在時空數據庫中它作為一條記錄被存儲，方便了時空對象的查找。該模型為地理對象賦予時態屬性，建立一個有效的時間類，來描述該對象在現實世界中的實際變化歷史。從地理信息更新或歷史時空信息查詢的角度來看，操作都是針對具體的時空數據對象，這些操作的實現一般都借助于對象的 ID 和時間信息。不同數據對象被標志以不同的 ID，整個生命周期其 ID 也將保持不變[1]。基于基態修正的面向對象時空數據模型理論在時空數據建模中具有指導性的作用，時空數據模型組成見圖2。

3農村土地調查時空數據建模過程

3.1農村土地對象

本研究中以農村土地信息管理為例，建立農村土地調查時空數據模型。農村土地信息作為土地對象，將空間信息、屬性信息、時間信息封裝起來，構成一個不可分割的獨立單元，與其他對象發生聯系。土地對象可以分為面狀土地對象（地類圖斑）、線狀土地對象（線狀地物）和點狀土地對象（零星地物），土地對象構成見圖3。

3.2農村土地對象變更

農村土地對象空間特征通過空間類定義，時態特征通過有效時間標記，屬性通過面積、權屬單位、權屬性質等描述。每個對象具有唯一的ID，時空對象的操作有創建、消亡等[4]。土地對象隨時間的變化主要分為3種：空間變化、屬性變化、屬性和空間信息同時變化（圖4）[5]。（1）空間變化。包括地類圖斑分割、合并、地類界線調整、復雜變更，線狀地物調整，增加線狀地物、減少線狀地物，增加零星地物、減少零星地物等。（2）屬性變化。包括地類圖斑屬性變更，線狀地物屬性變更，零星地物屬性變更等。

3.3農村土地調查時空數據模型創建

農村土地調查數據包含有明顯的時空對象：地類圖斑、線狀地物和零星地物。在進行數據組織時，選擇面向對象的數據模型，可以更自然直觀地以豐富的語義來描述復雜的農村土地對象[6]。

3.3.1地理實體抽象農村土地是一個不斷變化的地理空間，按照面向對象的觀點，從建模的角度，每個地理實體可被看作一個對象，是獨立封裝的具有唯一標志的概念實體。每個對象中封裝了對象的時態性、空間特性、屬性特性和相關的行為操作及與其他對象的關系（圖5）

。

每個對象有3個基本特征，時間、空間、屬性，可被抽象表達為3個基本類：空間類（Spatial Class）、時間類（Temporal Class）、屬性類（Attribute Class）。面向對象的時空數據模型可以更加完整、正確地表達地理實體的各種語義，可以表示為對象Object（ID，Spatial，Temporal，Attribute，Operation，Relationship）。其中，ID為該模型的唯一對象標志，在整個生存周期中不發生變化；Spatial、Temporal、Attribute分別對應對象的空間、時間、屬性特征；Operation表示該對象的各種時空操作，主要包括時間操作、空間操作、屬性操作及時空屬性聯合操作；Relationship表示該對象與其他對象的關系，包括父子關系等。

3.3.2概念模型面向對象的分析和設計就是建立系統的模型，將所有對象組織為一個分層結構來表達客觀實體及其之間的關系，真實模擬現實世界。面向對象的方法為系統模型的建立提供了分類、概括、聯合、聚集4種語義抽象技術和繼承、傳播2種語義抽象工具[7]。本研究采用為統一建模語言UML（unified modeling language），對數據模型進行描述。圖6為UML的部分圖例：

根據對農村土地調查數據的分析與抽象，按照基態修正的面向對象模型觀點，將土地對象歸納為時空屬性點對象、時空屬性線對象和時空屬性面對象，并建立農村土地調查數據時空概念模型[8]，時空概念模型見圖7。

3.3.3邏輯模型基于基態修正的面向對象時空邏輯模型需要建立基態庫和差文件庫[9]。基態庫和差文件庫構成見圖8。根據面向對象的觀點，基態庫存儲基態對象信息和土地對象信息。基態對象信息包括基態對象的時間信息和所包含的土地對象等：土地對象信息包括空間信息、屬性信息、時間信息、關聯信息、操作信息等。差文件庫是存儲每次土地對象發生變化產生的差文件信息。差文件庫是一個時間序列數據庫，存儲土地對象時間序列差文件數據。對于任意給定時刻或時段，都可以在差文件庫中查詢相對于基態的變化量，對基態進行時空運算，得出給定時刻或時段的土地對象信息。

3.3.3.1土地對象邏輯結構土地對象分為地類圖斑、線狀地物、零星地物，內容包括空間信息、屬性信息、時間信息、關聯信息、操作信息。結構表示為：

（1）

地類圖斑對象（ID，Geometry，要素代碼，地類代碼，地類名稱，權屬性質，……，Create Time，End Time，父差文件ID，操作）。

（2）

線狀地物對象（ID，Geometry，要素代碼，地類代碼，地類名稱，長度，寬度，……，Create Time，End Time，父差文件ID，操作）。

（3）

零星地物對象（ID，Geometry，要素代碼，地類代碼，地類名稱，權屬單位代碼，權屬單位名稱，……，Create Time，End Time，父差文件ID，操作）。

其中，ID為土地對象的唯一標志符；Geometry表示土地對象的空間幾何信息；Create Time表示土地對象的創建時間；End Time表示土地對象的消亡時間；父差文件ID是將土地對象與父差文件進行關聯；操作是對土地對象的創建和消亡操作。

3.3.3.2差文件邏輯結構差文件包括土地空間變化信息、土地屬性變化信息、時間信息、土地對象操作和與其他差文件的關系信息。結構表示如下：差文件（CID，Geometry，要素代碼，屬性字段代碼，屬性字段值，Create Time，End Time，父差文件ID，操作）。

3.3.3.3基態邏輯結構當差文件數達到基態距時，則設立基態，在整個過程中，有N個基態，每個基態需要記錄基態設立時刻和該時刻的土地對象信息。基態的結構表示為基態（JID，ID，Record Time）。

3.3.4物理模型物理數據模型是概念模型在計算機內部具體的存儲形式和操作機制，是系統抽象的最低層，它必須轉化為計算機能夠處理的方式才能實現。主要包括空間數據的物理組織、空間存取及索引方法、數據庫總體存儲結構等。按照面向對象分析和設計思想，物理數據模型的設計和實現的主要內容如下：（1）存儲方式選擇。選擇較為靈活動態多級索引的基態修正方法。（2）定義字段。主要是將邏輯數據模型中的各屬性映射為字段（Fields），包括數據類型定義和數據完整性控制。（3）物理表設計。目的是主存和二級存儲的高效利用以及數據的高速處理。基于面向對象的農村土地調查時空數據模型的時空對象類的劃分從空間、時間、屬性、操作和關系5個方面來設計，分別為空間類表（零星地物表、線狀地物表、地類圖斑表）、時間類表、屬性類表、操作類表和關系類表5種表結構[10]。5種表結構的表頭統一由字段名稱、字段類型和說明3部分組成，以地類圖斑為例，5種關系表見圖9。（4）文件組織。進行時空索引的設計，實現數據的快速存取。

4結束語

通過研究在基態修正模型的基礎上，結合面向對象的思想，提出一種適用于農村土地調查數據的時空數據模型，有效組織、存儲、管理農村土地對象的時間、空間和屬性3方面的完整描述信息，表達實體隨時間的變化。從概念模型、邏輯模型、物理模型3個層次對地理信息進行抽象和建模。就模型中時空對象類、時空關系表達、存儲方式以及模型應用等方面進行了系統的研究。至于后期數據庫的創建還有數據的組織和查詢，需要進行下一步研究。

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