基于过程的面向对象时空数据模型数据组织方法李景文1a,1b, 邹文娟1a,1b, 田丽亚 2 ,农佳捷3，苏浩3 (1a.桂林理工大学土木与建筑工程学院，桂林541004；1b.广西空间信息与测绘重点实验室，桂林541004；2.湛江市规划勘测设计院，湛江524000；3.广西科技信息网络中心，南宁530012)摘要：在分析现有时空数据模型和面向对象方法的基础上，提出了基于过程的面向对象时空数据模型，该模型能反映时空对象的演变过程，以及在这个过程中产生的事件因果联系，并且通过过程语义和面向对象思想两者的结合较好地解决了时空动态数据的组织、存储和查询问题。
关键词：时空数据模型；过程；面向对象；数据组织中图分类号:文献标识码：文章编号：0 引言随着时态GIS应用的不断推广，时空数据模型已成为国内外众多学者的研究热点。
Peuquet和Duan提出了基于事件的时空数据模型[1]，该模型能较好地反映地理现象状态改变的因果关系，有利于时空分析，但难以表达事件的历史回溯和动态反演；舒红等提出了基于对象的时空数据模型[2]，该模型能隐式地表达对象的几何与拓扑关系的动态变化，但是也难以解决诸如引起对象变化的原因、发展程度、变化趋势等问题；张丰等提出了基于过程的时空数据模型[3]，该模型重点表达了参与变化的时空对象和时空过程以及变化的因果联系、演变和约束关系，但在表达与分析突发事件或离散过程的地理实体或现象时具有一定的应用局限性。
本文从时空语义建模的角度出发，以过程语义和面向对象为基础，构建了基于过程的面向对象时空数据模型，研究和探讨了基于该模型的时空数据组织和时空查询，表达了时空语义并实现了在语义层面上的数据共享[4]，同时实现了时空对象在时间特征、空间特征和属性特征上的统一表达和管理以及在时间轴上的无缝描述。
1空间对象变化的过程语义描述基于过程语义的时空数据模型[5]，将过程对象作为完整的表达载体，该类模型采用分级的思想对“过程→状态”进行提取，然后回溯复原“状态→过程”，从而提供给对象变化更丰富的时空语义和更完整的动态表达。
1.1状态、事件、过程的相互关系状态是在特定的时间里，空间实体客观存在的形式，表达对象相对恒定的过程。
空间对象的存在是指在其生命周期内从出生时态到死亡时态之间的相对稳定的一个过程，空间对象的产生和死亡是一个瞬间状态，空间对象的存在是一个相对稳定的状态[6]。
事件是空间对象在时间维上从一个状态到另一个状态的质变过程，每个事件代表一个状态变化。
一个事件的发生一定有唯一的开始时间和结束时间，而一个时间段或时间点可对应多个事件。
因此事件在时间维上的顺序表达了空间对象变化的时空过程。
过程是基于分类或抽象所得到的逻辑上相连的事件序列。
过程实质上是时间轴上相邻两个状态间的时空对象细化而成的多个具有特殊意义的操作，这些操作导致对象从量的变化到质的变化。
状态（S-State）、事件（E-Event）及过程（P-Process）之间的关系如图1和图2所示：收稿日期：2010-9-基金项目：广西自然科学基金重点项目(桂科自2011GXNSFD018003)；广西科学研究与技术开发计划项目(桂科能0992030-1、10100018-2)；.作者简介：李景文(1971-)，男，博士，教授，从事GIS理论和应用方面的研究。
E-mail:lijw2008@对象状态的变化只反映了状态之间的时间先后关系，并不能说明状态之间存在的因果关系[7]；事件是由外界驱动产生的，它是状态变化的原因，而且能记录发生的所有变化，但不能描述时空变化的详细过程和内部动因；过程不仅能够揭示时空对象状态发生变化的外部原因，还更进一步地表达了事件系列间的内部联系，进而细化空间对象内部变化的时空因果关系。
1.2过程语义描述事件语义描述地理实体的某一状态或特定时间内的空间、属性变化情况，未能详细表达变化的原因和过程，在特定的尺度上，事件对时空语义的描述粒度还是粗放的。
时空过程反映着对象状态变化的因果序列，它实质上是一系列沿时间轴的时空目标的演变过程，时空变化包括沿时间轴的空间变化、拓扑变化和属性变化[3]。
过程语义实质上是在事件语义的基础上对地理实体变化的连续描述，因此过程语义表达的语义粒度比事件语义更为详实。
本文将在特定时间尺度下相邻两个状态间的地理实体用过程语义来描述，并将地理实体抽象成时空对象，通过将时空对象的过程语义表达连续时间的时空对象演变过程。
2基于过程的面向对象时空数据模型基于过程的面向对象时空数据模型是以面向对象方法为基础，结合事件与过程之间的相互关系，以及基于过程语义表达事件变化的内在联系，从而体现出地理事件之间的时空拓扑关系并解决了在时空变化中对空间对象的查询、历史回溯、分析等问题。
2.1基于过程的面向对象时空数据概念模型描述面向对象方法是将地理实体抽象为时空对象，将时空对象的属性特征、空间特征以及行为动态等有关知识“封装”在对象结构中，每一类时空对象是独立封装的具有唯一能确定自己是产生或消失的标识的概念实体。
外界驱动事件的发生，而作为事件自身特性的过程操作最终引发时空对象的状态改变，在变化过程中，对象的存在与否可以通过表达对象性质或结构的唯一标识来判断。
时空过程反映着对象状态变化的因果序列，因此时空过程建模既要表达空间实体及实体间的各种相互关系，也要表达实体间的事件关联关系。
基于过程的面向对象时空数据概念模型为：< Object，Event，Constraint Rule >；用BNF范式形式化描述如下：①Object参数的描述< Object >∷= < OID > < Spatial > < Temporal > < Attribute > <Operation >；式中< Object >表示时空对象，可以是简单时空点、线、面对象，也可以是复杂时空对象（由简单时空对象组合而成）；<OID>为时空变化过程中对象的唯一标识号；< Spatial >为描述时空对象的空间几何形状、空间分布、空间位置与空间相关性等空间特征；<Attribute>反映时空对象的时空变化和非时空变化信息，是对事物本质特征和对空间实体的语义定义；< Temporal >为对象的时态描述；< Operation > 表达对时空对象的关系操作、拓扑操作和几何操作等时空操作，可描述为：< Operation >∷= < Relational Operations >∣< Topoloical Operations >∣< Geometric Operations >②Event参数的描述< Event >∷= < EID > < ETS > < Proi > < ETE > < EN>（i≥1）；式中< Event >是时空变化中发生的事件；< EID > 表示事件的唯一标识号，< ETS >、< ETE >表示事件发生的起始和结束时刻；< EN > 为事件的名称；< Proi >属于该事件的过程序列，< Proi >的描述如下：< Pro >∷= < PID > < ProiName > < Object1 > < Object2 > <…> < Objectj > < S > < Object1 > < Object2 > <…> < Objectk >(j≥1，k≥1)；上式中，< Pro > 为构成事件的的i个过程，时空对象是事件和过程作用的主体，某个事件一发生，一个过程或若干个过程的就随即启动，这样就可能有一个或者多个对象参与到若干个变化过程中，达到质变后，事件便结束；Objectj表示变化前的空间对象的集合，Objectk表示变化后的时空对象的集合；< S >表示过程的变化类型，一般分为连续变化（↗）和离散变化（△），变化类型可描述为：< S >∷= < 离散变化>∣< 连续变化>；③Constraint Rule 参数的描述< Constraint Rule >∷= < RID > < RM >；式中< Constraint Rule >为约束规则，可以描述为引起系列事件构成相互联系的条件，在特定应用中有相对应的规则也可以预定义符合自己应用的约束规则，其中包含规则ID及规则描述。
基于过程的面向对象概念模型表达了参与时空变化的对象、事件、过程的形式化描述，以及它们之间组成的相互关系，能够实现时空对象的空间、时间、属性的统一描述与表达。
2.2基于过程的面向对象时空数据逻辑模型基于过程的面向对象时空数据模型主要包含事件域、过程域、对象域。
事件域和过程域描述时空变化的时间语义，如变化的原因、过程等；对象域描述空间语义信息，主要包含空间关系语义和属性语义。
采用面向对象的方法对基于过程的面向对象时空数据模型进行逻辑设计，并表示这些域和语义类的关系，如图4所示。
对象变化必然引起相关属性的变化，对象与对象之间也是互相关联的，如一个事件引起的相关过程变化会引发另一个或者多个对象的变化。
通过过程变化的标识将发生变化的地理实体关联起来，通过这种关联方式可以支持连续时间和离散时间内的变化，还能描述时空演变过程。
该逻辑模型结构表达了状态对象(State Object)、事件对象（Event Object ）、过程对象(Process Object)之间的层次关系。
过程对象间的连接关系利用图4中的Sequence Relationship 来实现，过程对象连续渐变的存储与分析通过图中的Constraint Rule 与Event 实现。
Sptial Object 为空间对象，通过ObjectID 来记录与过程相关联的对象，一个过程允许有多个对象参与；Object Relationship 为描述对象的空间关系信息。
3基于过程的面向对象模型的时空数据组织与查询3.1模型的时空数据存储方法基于过程的面向对象模型的数据管理是将地理实体按照模型的要求以空间对象的方式将空间几何信息和属性信息统一存储到对象－关系数据库Oracle Spatial 的SDO_GEOMETRY 字段中。