基于時空本體的數(shù)據(jù)庫模型

陳新保,Li Songnian,朱建軍

(1.中南大學(xué)信息物理工程學(xué)院,湖南長沙 410083;2.瑞爾森大學(xué)土木工程系,加拿大多倫多 M5B2K3）

基于時空本體的數(shù)據(jù)庫模型

陳新保1,2,Li Songnian2,朱建軍1

(1.中南大學(xué)信息物理工程學(xué)院,湖南長沙 410083;2.瑞爾森大學(xué)土木工程系,加拿大多倫多 M5B2K3）

構(gòu)建時空本體的出發(fā)點是它能顯式地表達地理時空數(shù)據(jù)所蘊含的學(xué)科感知知識,能有效實現(xiàn)不同學(xué)科間的信息共享。該文從本體論的角度,對動態(tài)變化的地理現(xiàn)象和事物概化,并歸納為時空對象本體、時空事件本體和時空過程本體;從數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)角度,對三類本體進行增強型語義描述、概念化模型圖論、元組表達和語義增強型查詢。該模型注重描述和表達地理現(xiàn)象和事物的動態(tài)變化,也注重描述變化成因。最后,應(yīng)用該模型研究海冰變化,以驗證模型的實用性。

時空本體;時空對象本體;時空事件本體;時空過程本體;海冰本體模型

0 引言

目前,構(gòu)建時空數(shù)據(jù)庫模型有兩種方式[1]:1）利用已有的時間模型和空間模型,主要是在已有時態(tài)模型的基礎(chǔ)上添加對空間的支持能力,或在已有空間模型的基礎(chǔ)上添加對時態(tài)的支持,或?qū)r態(tài)模型與空間模型作正交組合。2）重構(gòu)統(tǒng)一的時空模型,即將時空看作原子實體(時空實體）,并以此作為基本的構(gòu)模單元,構(gòu)建新的時空統(tǒng)一模型。這兩種構(gòu)模方式各有優(yōu)勢,從實現(xiàn)難度講,前者與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫構(gòu)模研究基礎(chǔ)結(jié)合較緊密,易于實現(xiàn);而從理論角度分析,后者則更為完美,因為時空本體能突出邏輯推理[2]和請求等能力?；跀?shù)據(jù)概念模型考慮,將“時空實體”提升到“時空本體”的概念層次,理由是時空本體能強勁地表達學(xué)科感知,實現(xiàn)互通共享。

地理本體是地理信息科學(xué)中一個方興未艾的研究方向,隨著時空本體[3,4]被提出,對其研究取得一定的成果[1,2,5-8],多從邏輯表達的角度對時空本體進行了形式化描述和公理演算[7],并涉及對本體間的時空拓撲關(guān)系描述,多應(yīng)用于推理分析。此時,時空本體缺乏對動態(tài)變化描述和表達以及變化成因的分析。

依據(jù)時空對象標識是否改變,將時空變化區(qū)分為對象級時空變化和屬性級時空變化①基于本體和約束理論的統(tǒng)一時空數(shù)據(jù)模型研究.國家自然基金項目：申請樣本.2004.。前者涉及時空對象標識變化,如分裂、合并等;后者不涉及時空對象標識變化,但空間屬性和物理屬性隨時間變化,空間屬性的變化又分成基于位置、形狀變化和位置/形狀都發(fā)生變化3種形式。本文探討時空本體的動態(tài)變化,即用時空過程本體描述和表達對象級時空變化;用時空對象本體描述和表達時空對象持續(xù)的空間屬性變化;用時空事件本體描述時空對象本體和時空過程本體變化的原因。從時空本體的語義描述、元組表達和增強型語義查詢出發(fā),對時空變化的地理現(xiàn)象和事物構(gòu)建時空數(shù)據(jù)庫模型。本文只討論對象級變化和空間屬性變化的描述和表達。

1 時空本體的增強型語義表達

沿用地理本體[9]的概念,時空本體是特定地理時空信息共同體概念化模型或感知世界的形式化規(guī)范說明;從本體論的角度,它是有別于時間本體和空間本體的一種特殊的地理本體。將時空本體分為時空對象本體、時空事件本體和時空過程本體(分別簡稱為對象本體、事件本體和過程本體）,有利于完備和準確描述動態(tài)變化的地理現(xiàn)象和事物。

1.1 時空對象本體

對應(yīng)于空間屬性變化的3種形式,對象本體可分為移動體、形變體和變化體。從數(shù)據(jù)表達和存儲的角度,對象本體可抽象為表示“點(Point）、線(Line）、面(Region）和體(Volume）”整合了時間(time）的時空數(shù)據(jù)類型。針對基于位置變化的移動對象描述,Güting等[10,11]建立了時空謂詞及其表達代數(shù),包括移動體的基本類型定義、時空操作謂詞(如時態(tài)聚類等）和語義請求語言 (STSQL）等。其中時空謂詞 m oving(point）、moving(line）和 mov-ing(region）分別表示移動的點、線和區(qū)域(簡稱m point、m line或m region）。非時態(tài)謂詞滿足對點、線、面和體的空間拓撲關(guān)系表達。移動體能很好地表達炮彈軌線(Trajectories）、旅游線路(Traveling Paths）和飛機飛行線(Flights）等動態(tài)現(xiàn)象。時空謂詞目前局限于移動對象,強調(diào)對象位置變化的表達,缺乏對對象形變和變異的表達。Sadahiro等[12]對形變和對象變異有眾多描述,但都是對對象的時態(tài)和空間屬性實行分離性闡述,無法對形狀變化和變異的對象實現(xiàn)增強型語義表達,缺乏對象在時空場景下的自主行為(A utonomous Behavio r）[13]。

為此,筆者擴展移動體表達模型[10](Moving Model）以進一步捕捉時空本體隨時間變化的形狀特性。由于“點”為零維空間,其形狀永遠為零,故只有線(line）和區(qū)域(region）發(fā)生形變。考慮到理解難易,暫且只局限于二維空間的線和區(qū)域。有別于以m開頭的時空謂詞,定義了以s開頭的時空謂詞來描述形變體,其中sline和sregion為變化對象的基本數(shù)據(jù)類型,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 形變體內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal structure of Shape-Changed Object Ontology (SCOO）:sline and sregion

解義:關(guān)鍵詞STRUCTURE用于定義類型結(jié)構(gòu);在此定義sline數(shù)據(jù)類型的標識(ID）、時態(tài)屬性(TIM E）和線集合(L INES）,其中l(wèi)ine@{TIM E}表示在某時刻的線(line）狀態(tài)。sregion數(shù)據(jù)類型類似sline結(jié)構(gòu)。

由形變對象的基本數(shù)據(jù)類型派生出4種線操作和5種域操作(表1）。顯然,這些時空謂詞或操作符融入了基本空間數(shù)據(jù)類型(line和region）和時間類型(time）。針對變化對象,其相應(yīng)的類型構(gòu)建器定義為shaping,亦稱形變對象投影觸發(fā)器(Projecting Trigger）。利用shaping對這兩個基本變化對象進行相關(guān)投影操作(Operations）(表1）。

表1 形變體的投影及表達Table 1 Projection and representation of SCOO

在表1中,操作謂詞rng和isolated用于返回所對應(yīng)數(shù)據(jù)類型的投影元素,其中rng為整體返回,而isolated為離散化返回。由于返回元素的差異性,shaping會引發(fā)不同的結(jié)果。同為線投影,就有4種情況:線段延長、線段裁剪、線段打斷和線段整合,它們分別對應(yīng)變化對象線型操作符:s_Ex t_L ine、s_Cut_L ine、s_B rk_L ines和s_Int_L ine。同樣,就域變化對象,產(chǎn)生5種情況:區(qū)域增大(s_Ex t_Region）、區(qū)域縮小(s_Shk_Region）、區(qū)域部分增大/部分縮小(s_S_E_Regions）、區(qū)域分裂(s_B rk_Regions）和區(qū)域整合(s_Int_Region）。另外,變化對象一些比較復(fù)雜的空間操作可以通過表1中的謂詞進行組合描述,如求解某一區(qū)域?qū)ο驪形狀變化后的增大部分和縮小部分的邊界,用LET(專門用于定義函數(shù)的操作符）定義一個s_shk__Region_L ine函數(shù):

其中,操作common_border用于提取相鄰對象的共同邊界;操作initial用于提取移動/形變對象的最初狀態(tài)。當然還可以進一步討論形變對象在時間和空間域上交集操作,在此省略。

在基于時空本體的概念化模型中,時空對象本體圖示為矩形加該本體名稱,其對象本體間的語義關(guān)系[9]有父子關(guān)系(Kind-of）、整體和部分關(guān)系(Part-of）等,其圖解如圖2所示。

圖2 對象本體及其本體間關(guān)系圖解Fig.2 Schema of S-T object ontology and its relationships

1.2 時空事件本體和過程本體

事件本體理解為一個孤立的“實體”(暫且不論它與其它事件本體的關(guān)系）。該“實體”存在出現(xiàn)(appearance）而后消失(disappearance）的過程,關(guān)注所發(fā)生的時間和地點。過程本體強調(diào)多個對象或事件關(guān)聯(lián)或變異對象關(guān)聯(lián)(如對象分裂、組合等）的表達。事件本體和過程本體的基本類型,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。提取事件的元素用事件謂詞evt(E-vent_name）,提取事件的發(fā)生時間和地點的謂詞描述為time(Event）和location(Event）,而提取過程的子過程用過程謂詞pro(N）。

圖3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的事件本體和過程本體Fig.3 Internal structures:event-ontology and process-ontology

時空本體的概化模型詮釋著事件本體與對象本體和過程本體的作用與關(guān)系(圖4）。對象本體參與著事件本體和過程本體,其參與的角色(Role）有推動者(perpetrator:如觸發(fā)、維持和結(jié)束事件(或過程）等）、影響者(influencing role:如facilitator(促進）和hindrance(阻礙））和調(diào)停者(mediator:促進但不直接）。使用“涉及謂詞[14]”involves將這些角色統(tǒng)一表述為involves(Evt(或pro）→Obj,Ef fect/ Role）,該謂詞使“作用關(guān)系”更具有語義化(即由“誰與誰”的關(guān)系明確地描述成“誰對誰”的關(guān)系）。為此,對象對事件的關(guān)系可表述為:involves(Obj→Evt(或pro）,Role）。反之,事件本體(或過程本體）作用于對象本體的功效(Effect）有產(chǎn)生(creation o r new）、支持(sustaining in being）、增強/削弱(reinforcement/degradation）、損害(destruction）、分裂/合并(sp lit/merger）和移除(remove）等,這種關(guān)系表述為:involves(Evt(或pro）→Obj,Effect）。

事件本體也是過程本體的參與者,只是對象本體和事件本體在過程本體中的作用域不一致:對象本體存在空間域中,而時空事件本體更多存在(發(fā)生在）時間域中,即一個過程本體是一個(或多個）對象本體在連續(xù)時間內(nèi)所發(fā)生的多個事件本體,且參與的多個對象本體與事件本體存在關(guān)聯(lián)性。

圖4 事件及其作用圖解Fig.4 Schema for the event and itseffects

時空過程本體由過程子組成,過程子可以是事件和對象,甚至是子過程等。在基于時空本體的概念化模型中,過程演示多樣,其最簡單的方式如圖5所示。事件本體作用于過程本體的效果(Effect）有觸發(fā)(Initiation）、促進(Facilitation）、阻礙(Block）、結(jié)束(Termination）等關(guān)系,可統(tǒng)一表征為:involves (Pro→Evt,Effect）;而過程本體對事件本體的作用(Effect）有“引發(fā)新事件本體的誕生(Born）”或“已存在事件(但未參與該過程）的消失(Disappearance）”,即involves(Evt→Pro,Effect）。

圖5 最簡單的過程圖解Fig.5 Schema of the simplest S-T process ontology

2 時空本體的元組表達

時空本體的邏輯定義可表達成一個三元組:G_ EN={G_EN_ID,G_EN_NAM E:G_EN_TYPE,G _RELA TION},它們分別表示時空本體的標識(G_ EN_ID）、本體名(G_EN_NAM E）及其本體類別(G _EN_TYPE:GeoObject、Geo Event和 GeoProcess）、本體間關(guān)系(FO_RELA TION）,其中時空本體間的關(guān)系指對象、事件和過程存在某種作用關(guān)系。

對象本體可表示成四元組 G_O={GO_ID,A, S,[ST]},該四項分別表示對象本體標識(GO_ID）、屬性描述子(A）、空間描述子(S）和空間拓撲(ST）。對象本體就是基于快照(snapshots）的時空數(shù)據(jù)模型:同時間下的多個對象本體可以構(gòu)成一個“幀”,多個時間下的“幀”構(gòu)成了“時間戳”。

事件本體亦可表示成四元組 G_E={GE_ID, GO_ID,A_FE,[H T]},該四項分別表示事件標識(FE_ID）、所參與事件的對象本體(GO_ID）、事件屬性(作用或反作用）描述子(A_FE）和歷史拓撲(H T）。基于事件本體的時空數(shù)據(jù)模型[7]強調(diào)事件歷史拓撲的描述(事件與其它事件間的歷史關(guān)聯(lián),如有序或無序的、離散或連續(xù)的等）。

過程本體較復(fù)雜,參與過程可能是對象或事件或兩者共存。依此,過程本體需表示成六元組 G_P ={GP_ID,GO_ID,GE_ID,A_GP,S_GP,[HT]},該六項分別表示過程標識(GP_ID）、參與過程的對象標識(GO_ID）、該對象在過程中所發(fā)生事件標識(GE_ID）、過程屬性描述子(A_FP）、過程子(S_FP）和歷史拓撲(H T）。過程本體側(cè)重內(nèi)部過程子(S_ FP）的順序或邏輯描述以及事件參與該過程的關(guān)聯(lián)。

3 實例:海冰本體數(shù)據(jù)庫模型的構(gòu)建

3.1 海冰本體模型

根據(jù)海冰的形狀類型及變化特征,將海冰實體大致分為3類[15]:1）冰帽(Ice cap）:對象標識不變,冰的物理屬性(面積、冰厚、冰表層粗糙度等）和空間屬性(形變但位置不變(或基本不變））隨時間變化,如極地冰帽;2）冰山(Ice Berge）:對象標識不變,冰的物理屬性(體積、冰厚等）和空間屬性(形狀和位置都變化）隨時間變化;3）浮冰(Ice Pack/Floe）:對象標識不定,物理屬性和空間屬性都變化。

將易確定標識的冰帽和冰山直接構(gòu)建為“冰帽和冰山(對象）本體”,對難以確定和跟蹤標識的浮冰單體,采用劃地區(qū)域范圍(zone,同ice charts）表示同特性的浮冰體,并標識該區(qū)域為“浮冰(對象）本體”。就浮冰本體所經(jīng)歷的“形成(grow）”、“破裂(sp lit）”、“漂移(drift）”和“集聚(group）”等歷程(可理解為“過程子”）構(gòu)建“浮冰過程本體”。需注意的是,定義該“過程本體”很復(fù)雜,因為這幾個過程子極有可能同時發(fā)生。利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)的“包裝”特性,將其理解為浮冰變化的內(nèi)部有這些“過程子”。最后,對極地冰蓋一角所發(fā)生的脫落(斷裂）等事件構(gòu)建為“事件本體”。更細化,冰帽和冰山自身的融化和增長可定義為形變體,而漂移中的冰山又可定義為移動體。由于冰帽的特性,在二維空間冰帽的變化呈現(xiàn)為動態(tài)(成長/收縮:grow ing/shrinking）的幾何區(qū)域;在三維空間則抽象為變化的幾何體。該文只討論二維空間下的動態(tài)變化。

圖6構(gòu)建了基于海冰本體的概念化模型,其語義關(guān)系有:Instance-of為某本體的實例;Kind-of為本體間的父子關(guān)系,如冰山從冰帽脫落出來,可定義為父子關(guān)系;Part-of為本體間的整體/部分關(guān)系,如冰帽、冰山和浮冰都是海冰的構(gòu)成部分;Process-of為某本體參與的過程,如浮冰所參與的“形成→破裂→漂移→集聚”過程本體;Event-of為某本體所要發(fā)生的事件,如冰帽的脫落和冰山的漂移等。

圖6 海冰本體概念化模型Fig.6 Conceptualmodel of sea-ice ontology

3.2 海冰本體元組

依據(jù)海冰本體概念化模型,對各海冰本體的實體進行元組構(gòu)建,方便數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)?；诖?分別構(gòu)建Sea_Ice、Icecap和Iceberg等對象本體元組,浮冰本體參與的Icepark_p rocess浮冰過程本體元組以及冰帽脫落事件 Icecap_event和天氣異常事件Weather_event等事件本體元組。

解義:no_＊和＊_name為該元組的標識(即內(nèi)鍵或外鍵標識）和名稱。＊_event和＊_p rocess對應(yīng)于事件本體和過程本體,無＊_event和＊_p rocess字符串標識則為對象本體。s_route和s_area分別記錄形變對象的輪廓線和面積變化,而route和area表示移動對象的位移線路和因位移所侵占的面積。

3.3 請求和增強型語義查詢

海冰變化是海洋各要素(如氣壓、風(fēng)暴、洋流和溫度等）間相互影響和制約的結(jié)果。海洋要素事件都影響著海冰的消融和增長,并且空間范圍不定、時間長短不一。可以理解冰帽一角的脫落事件是導(dǎo)致冰帽萎縮的一個直接原因。由于海洋是一個復(fù)雜而龐大的體系,人們很難羅列海洋要素間的關(guān)系。為說明增強型語義表達和查詢,本文只探討簡單關(guān)系,未涉及海冰與其它海洋要素的關(guān)系,并對海冰變化可能感興趣的查詢問題進行增強型語義表達。相關(guān)問題請求、語義型查詢(近似SQL語言[11]）及其解義描述如下:

問題1:極地冰蓋A在時間區(qū)間[t1,t2]是否存在萎縮?萎縮區(qū)域和范圍?萎縮多快?

解義:左邊數(shù)字代表行碼(下同）。謂詞 ELEM EN T為提取元素(該元素帶有時間和空間屬性）操作符。行碼1用于提取(查詢）滿足冰帽名為A的所有元素;行碼2用謂詞 atperiods獲取時間區(qū)間[t1,t2]的變化對象;行碼3-11定義了Query2函數(shù)用于獲取萎縮區(qū)域,值得注意的是,返回的 s_region_p為sregion類型,附有空間和時間屬性;行碼12用謂詞 mbool實現(xiàn)is_shrikage布爾數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換,使其兼有時間特性,從而s_shrikage具有“A在時間區(qū)間[t1,t2]為真或假”之意;行碼13-15用謂詞 val、area和velocity分別對萎縮區(qū)域?qū)ο髎_region_p求取空間區(qū)域(extent）、面積和變化速率。

問題2:冰帽斷裂事件E1何時何地發(fā)生?與斷裂事件E2的關(guān)系?

解義:行碼1-4和5-8分別獲取事件A和B所發(fā)生的時間和地點(謂詞location求得）;行碼9用事件謂詞 dist_event度量事件之間的空間和時間距離;行碼10-15用判斷 IF語句斷定事件關(guān)系緊密程度;行碼17給予函數(shù)的事件A和B的例子實現(xiàn)。

問題3:區(qū)域 Q浮冰發(fā)生漂移?往何方漂移?漂移路線?

解義:行碼1-2對浮冰(Icepark）請求、面域area與該區(qū)域Q交集,用謂詞 isem pty檢測是否有浮冰在此區(qū)域內(nèi);行碼3查詢區(qū)域Q內(nèi)浮冰所經(jīng)歷的過程;行碼5-6用路由謂詞routes和方向謂詞direction確定漂移路線和方向。

3.4 與其它海冰數(shù)據(jù)模型對比

To rill等[16,17]較早提出面向?qū)ο蟮暮Ｑ髷?shù)據(jù)概念模型,B reman[18]提出海洋數(shù)據(jù)模型 (A rc M arine Data Model）并闡述其應(yīng)用。在上述模型的基礎(chǔ)上, ESRI公司[19]于2006年設(shè)計和開發(fā)了海洋數(shù)據(jù)模型(M arine Data Model）,但該模型主要針對海洋相關(guān)要素數(shù)據(jù)(如大氣、洋流等）,也可實用于海冰數(shù)據(jù)。這些模型非常方便海冰數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測的存儲、管理(更確切地講,是海冰物理屬性數(shù)據(jù)的存儲和管理）,卻缺乏描述海冰空間屬性數(shù)據(jù)變化特征?；趫鯷20]的柵格數(shù)據(jù)模型和基于 Ice Charts[21]的矢量數(shù)據(jù)模型能有效地組織海冰數(shù)據(jù),但都只停留于海冰在某個時間的狀態(tài)呈現(xiàn),缺乏對海冰變化(尤其是變化成因）的描述。本文提出的基于海冰本體的數(shù)據(jù)庫模型可整合海洋各要素數(shù)據(jù),將海冰本體和海洋各要素本體細化成對象本體、事件本體和過程本體;依據(jù)三者及其內(nèi)在關(guān)聯(lián)的增強型語義描述,能有效表達海冰變化及其成因。

4 結(jié)語

該文從時空本體的數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)角度,探討了時空數(shù)據(jù)本體的增強語義描述和元組表達?；跁r空本體的數(shù)據(jù)庫模型是將時空本體作為構(gòu)建原子;將時空本體分為時空對象本體、時空事件本體和時空過程本體,分別描述三者變化及其關(guān)聯(lián)表達,并強化三者關(guān)系,探討變化成因。針對時空本體的特性,給予時空本體以增強時空語義的表達能力、模型概念化的語義關(guān)系描述和語義增強型查詢等。該模型比較適合連續(xù)和斷續(xù)變化的地理現(xiàn)象和事物的描述和表達(如海冰數(shù)據(jù)實例）,且易于數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)。

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Database M odel Based on Spatio-tem poral On tology

CHEN Xin-bao1,2,L ISong-nian2,ZHU Jian-jun1
(1.School of Info-physical and Geometrics Engineering,Central South University,Changsha 410083,China;
2.Department of Civil Engineering,Ryerson University,Toronto N 5B 2 K3,Canada）

The primary purpose of building the spatio-temporal(S-T）ontology is to explicitly rep resent S-T information contained the commonly-perceived know ledge,and to realize the sharingof information between different disciplines.From the perspectiveof ontology, this paper conceptualizes the dynamic changes for the geographical phenomena and things,and further refines the S-T ontology which is classified as the S-T object ontology,S-T event ontology and S-T processontology.From the perspectiveof databasemodeling,thispaper conducts these typesof S-T ontology on semantics-enhanced descriptions,conceptualmodel schematizations,tup le exp ression,and semantic-based query.This p roposed model can help imp roving on descrip tionsof dynamic changes for geographical phenomena and things.In addition,the inherent relationships between three ontologies can demonstrate the causal of changes.Finally,the model has been applied into sea-ice phenomena varying with time,and then verified its feasibility.

S-T ontology;S-T object ontology;S-T event ontology;S-T p rocessontology;sea-ice ontology concep tualmodel

TP301

A

1672-0504(2010）05-0001-06

2010-05-06;

2010-07-29

國家留學(xué)基金委資助項目(留金出[2007]3020）

陳新保(1980-）,男,博士研究生,研究方向為時空數(shù)據(jù)模型和高級時空分析等。E-mail:chenxinbao_520@hotmail.com