基于时空基态修正的三维电子地图设计与实现

黄丽娜，阚子涵， 李冬琳

（1.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079）

基于时空基态修正的三维电子地图设计与实现

黄丽娜1，阚子涵1， 李冬琳1

（1.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079）

在分析几种基态修正模型特点的基础上，研究一种适合于表达时空信息回溯与演变的三维时空数据模型。首先建立初始时期的基态三维模型，再按照预先设置的时间粒度由远及近建立各历史时期的基态修正模型,并将其应用于三维场景的组织和管理，进行校园三维电子地图原型系统的设计与开发，实现校园时空信息的回溯与演变。初步实验表明，本研究提出的基态增量模型具有存储三维数据冗余量小、数据组织和管理较为高效的特点。

三维地图；时空数据模型；基态增量；时态GIS

目前，广泛应用于生产生活的地理信息系统可分为静态GIS与时态GIS两类[1,2]。静态GIS只能反映某一地区的瞬时地理情况，不能反映历史的发展和变迁，也不能预测未来的发展情况。时态GIS是一种采集、存储、管理、分析与显示地理实体随时间变化信息（或时空信息）的计算机系统[2]。时态GIS的核心是时空数据模型[3]，即将地理实体的时间特征、空间特征、属性特征恰当地组织起来，准确反映地理实体的状态和演变过程。

1992年，Gail Langran提出文件系统支持下的时空立方体模型、连续快照模型、基态修正模型、时空复合模型4种时空数据模型[4]，标志着GIS时空数据建模的正式开始[5]。随后国内外很多学者都做了这方面的尝试。例如，Raafat以一个交通网为例，提出一种符合第一范式关系的时空数据模型，并阐述了历史GIS空间拓扑关系[2]；闫宏斌利用历史库、过程库、现实库对时空过程和时空关系进行描述、模拟，扩展了基态修正模型[6]；曹伟、花向红等采用面向对象的时空模型，将时态GIS应用于地籍管理信息系统[3]；薛存金、周成虎等以连续渐变地理实体的表达、组织、存储为研究对象，提出了面向过程的时空数据模型[7]。这些理论丰富了时空数据模型以及时态GIS的内涵，推进了时态GIS的发展。但是，以上研究多停留在二维平面数据的时空组织上，如今更需要一种适合于三维模型的时空数据组织方案来反映某一地区三维场景的时空变化。

在现有的时空数据组织模型中，基态修正模型具有存储量小、易于进行时态变化分析的特点[6]。基于此，本文在分析基态修正的时空数据模型特点的基础上，设计一种适用于三维模型的时空数据组织方法，通过对三维模型的基态修正信息进行增量式存储与调度，实现三维GIS中时空变化信息的有效表达。

1 基于基态修正的时空数据组织

1.1 基态修正模型的基本原理

基态修正模型的基本思想是把某一地理区域的当前状态作为基态，将其历史状态作为对基态的修正。实现过程为：首先存储某一区域地理现象的初始状态（基态），再按照一定的时间间隔存储发生变化的地理现象，即新旧状态的信息差。那么，某个时刻的地理现象，理论上应该是通过对之前所有时间段地理现象进行逻辑累加的结果。这种存储方式由于没有单独存储每个时间点的完整的地理现象，而是只存储部分变化的现象，具有数据冗余较少、便于数据传输、能表述地物目标的时空变化过程等优势[8]。

目前，时空数据模型主要有5种基态修正方式[9-11]，如图1所示。

图1a中，将当前状态设为基态，将每个历史时间点相比于基态的变化数据存储为一个文件。图1b为图1a的改良，即每个历史时期存放的是相比于上个历史时期的变化数据。显然，图1b比图1a减少了数据的冗余，但是由于把当前状态存储为基态，所以当追溯的历史时期较为久远时，检索所需的时间复杂度将大大提高。图1c和图1d分别用分级索引的方法，将中间点也存为基态，这样调用后面的历史时期时，可以降低检索的时间复杂度，但是数据的存储量也会增加。图1e为动态多级检索方法[11]，即在检索过程中，动态创建多个基态，可大大缩减索引的时间。但是动态基态的创建同样会增加数据的存储量，当创建多个基态时，将会造成大量的数据冗余。

图1 5种基态修正模型

1.2 基于基态修正的数据组织方法

若需要再现地理目标或现象随时间的变化过程，且这种变化可以抽象为目标的增加或减少时，采用基态修正模型可有效地进行时空数据组织。将地理目标或现象最原始的状态作为基态，再存储每一时期相对于上一时期的修正数据，以此降低数据文件的存储量。

在三维GIS的时空信息可视化表达中，为了降低三维数据模型存储的复杂性，可以将三维模型的变化抽象为增加过程。对于作为基态的三维数据模型，当新空间目标出现时，对应于新三维模型的正增加；当原空间目标消失时，对应原三维模型的负增加；若空间目标发生变化，则对应于三维模型的变化经历了先负增加再正增加2个阶段。对图1b中模型进行改进，三维时空数据的基态修正组织模型如图2所示。

图2 三维时空数据的基态修正组织模型

图2将历史时期分为6个时间段，以“1930年以前”这一时期作为基态，“1930年”文件存储相比于“1930年以前”增加的数据，“1950年”文件存储相比于“1930年”增加的数据。依此类推，每个时间文件存储的都是相比于上一个时间的“增量”。在图2中，“增量”一行为当前文件实际存储的数据，“增量累加后的结果”一行表示的是当前时期的实际数据。这样每个时间文件只需存储相比上一时间的“增量”，大大降低了数据量。三维模型增量数据调度流程如图3所示。

图3 三维模型调度流程图

2 时态三维电子地图的设计与实现

为验证本文提出的基于基态修正的三维时空数据组织方案的可行性，以武汉大学文理学部校园为实验样区，利用ArcGIS 9.3和Google SketchUp 6的相关功能模块制作校园三维时态电子地图，对武汉大学文理学部自1930年至今的校园场景变化过程进行再现。

2.1 三维模型的基态增量组织

我们将武汉大学最原始的状态作为基态，建立校园地物三维模型，然后将不同历史时期的增量变化信息进行三维建模和存储。当对某一时期的校园三维场景进行可视化表达时，相当于对前一历史时期的基态三维场景进行修正。

从可操作性的角度出发，我们根据校园历史建筑的不同发展时期设立显示时间节点，然后建立对应时间图层分别存储在对应的增量数据集中，如表1所示。

2.2 动态三维电子地图的实现效果

本文在VS2008环境下，通过ArcEngine二次开发，编写C#程序开发应用界面并加载ArcScene中的模型数据，通过图层管理不同时期的增量数据。三维电子地图场景的时态变化信息显示如图4所示。

表1 基于基态修正模型的数据组织情况

图4 武汉大学校园三维电子地图时态信息变化显示效果

3 结 语

本文将基态增量数据模型用于三维模型的数据组织，并通过基态增量的方式将三维GIS与时态GIS结合起来，进行武汉大学校园时空信息变化的可视化，为动态三维电子地图的数据组织研究提供实证。实验表明，在三维GIS的环境下，本文所使用的基态增量模型所存储的数据量为最小，数据组织和管理更为高效。但是当数据量增大时，数据的调度效率就会降低。如何将本文的基态增量模型进行完善以适合大数据量的组织和管理，是本模型需要继续研究的问题。

[1] 吴信才，曹志月.时态GIS的基本功能、概念及实现方法[J].地球科学：中国地质大学学报，2002,27(3):241-245

[2] 王家耀，魏海平，成毅，等.时空GIS的研究与进展[J].海洋测绘，2004,24(5):1-4

[3] 曹伟，花向红，许跃民.时态GIS及其应用[J].地理空间信息，2005,3(6):31-38

[4] Langrang G. Time in Geographic Information Systems Technical Issues in GIS [M].London : Taylor & Francis Ltd1 ,1992

[5] 王贺封.时空数据模型及TGIS研究[J].测绘与空间地理信息，2006,29(4):11-13

[6] 闫宏斌.时态GIS数据模型及基态修正时空数据模型的扩展[J].三晋测绘，2002,9(3-4):41-45

[7] 薛存金，周成虎，苏奋振，等.面向过程的时空数据模型研究[J].测绘学报，2010,39(1):95-101

[8] 林艳，刘万增，韩刚.基态修正的GIS数据库增量更新建模[J].测绘科学，2012,37(4):199-201

[9] Langran G,Chrisman N R. A Framework for Temporal Geographic Information [J].Cartographica,1988,25:1-14

[10] 张祖勋，黄明智.时态GIS数据结构的研讨[J].测绘通报，1996(1):19-22

[11] 曹志月，刘岳.一种面向对象的时空数据模型[J].测绘学报，2001,31(1):87-92

P208

B

1672-4623（2015）01-0165-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.055

黄丽娜，博士，讲师，主要从事地理信息可视化研究。

2013-11-11。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41101448、51008138）；国家基础科学人才培养基金资助项目（J1103409）。