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一种通用的网络时空数据模型

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第３２卷第９期　２０１５年９月　计算机应用与软件　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｖｏｌ＿３２　Ｎｏ．９　Ｓｅｐ．２０１５　一种通用的网络时空数据模型　张忠贵　吴信才　湖北武汉４３００７４）　（中国地质大学（武汉）信息工程学院（武汉中地数码科技有限公司湖北武汉４３００７４）　（地理信息系统软件及其应用教育部工程中心湖北武汉４３００７４）　摘要　网络时空数据模型是研究市政、交通、电力等网络基础设施时空过程的基础。目前，顾及时空拓扑关系的网络时空数据　模型缺乏深入研究。分析网络要素的共性时空特征，给出了时空对象、网络时空对象等共性概念的数学描述，构建了一种通用的网　络时空数据模型ＮＳＴＤＭ（Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒｌａ　Ｄａｔａ　Ｍｏｄｅ１），完整表达了网络的时空语义，具有较强的普适性和实用性。并通过燃　气管网时空演变分析实例，验证了所提出的模型的可行性与有效性。　关键词　ＧＩＳ网络时空数据模型　中图分类号ＴＰ３　Ｐ２０８　文献标识码Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－３８６ｘ．２０１５．０９．０２０　Ａ　ＧＥＮＥＲＡＬ　ＮＥＴＷｏＲＫ　ＳＰＡＴＩｏＴＥＭＰｏＲＡＬ　ＤＡＴＡ　ＭｏＤＥＬ　Ｚｈａｎｇ　Ｚｈｏｎｇｇｕｉ　＇　Ｗｕ　Ｘｉｎｃｍ　＇　（Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆｏＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｈｕｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ）　（Ｗｕｈａｎ　Ｚｏｎｄｙ　Ｃｙｂｅｒ　ｔｅｃｈ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｈｕｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ）　（Ｅｎｇｉｅｎｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒｆｏｒ　ＧＩＳ　Ｓｏｔｆｗａｒｅ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｈｕｂｅｉ，Ｃｈｉａｎ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌ　ｄａｔａ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｕｄｙｉｎｇ　ｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｏｆ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｍｕ—　ｎｉｅｉｐａｌ，ｔｒａｎｓｐｏｒｔ，ｅｌｅｃｔｉｒｃｉｔｙ．Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ，ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌ　ｄａｔａ　ｍｏｄｅｌ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｌａｃｋｓ　ｉｎ—ｄｅｐｔｈ　ｓｔｕｄｙ．Ｔｈｉｓ　ｐａ—　ｐｅｒ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｓｐａｔｉｌａ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｏｒａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｇｉｖｅｓ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｇｅｎｅｒｉｃ　ｃｏｎｃｅｐｔｓ　ｉｎ—　ｃｌｕｄｉｎｇ　ｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒｌａ　ｏｂｊｅｃｔ，ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒｌａ　ｏｂｊｅｃｔ，ｅｔｃ．，ａｎｄ　ｂｕｉｌｄｓ　ａ　ｇｅｎｅｒｌａ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒｌａ　ｄａｔａ　ｍｏｄｅｌ（ＮＳＴＤＭ）．ＮＳＴ—　ＤＭ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　ｅｘｐｒｅｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌ　ｓｅｍａｎｔｉｃｓ　ｏｆ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄ　ｈａｓ　ｓｔｒｏｎｇ　ｕｎｉｖｅｒｓａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｖｅｒｉｆｉｅｓ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｍｏｄｅｌ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂｙ　ａｎａｌｙｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇａｓ　ｎｅｔｗｏｒｋ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ＧＩＳ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌ　ｄａｔａ　ｍｏｄｅｌ　断变化中，导致网段和结点之间的时空拓扑关系非常复杂，对于　０　引　言　如何构建时空网络数据缺乏深入研究　。　当前我国城镇化进程显著加快，网络规模也迅速扩大，规模　市政、交通、电力等网络基础设施是支撑城市经济稳定发展　庞大的网络设施以及日益严峻的运行安全形势，对城市网络设　和社会和谐的重要基础保障。网络要素随着城市的扩张，基础　施管理水平提出了很高要求。而空间数据模型偏向于市政网络　设施建设工程的开展，在空间布局、空间位置、属性信息、拓扑信　设施现状资料管理的需求而设计，难以满足网络设施动态管理　息等方面会随着时间的推移而改变，具有典型的时空特征。　的需求。因此，需构建能够表达网络时空语义，完整反映空间信　数据模型是信息集成管理的基础。空间数据模型是关于现　息、属性信息、拓扑信息的时空演变规律的网络时空数据模型，　实世界中空间实体及其相互联系的概念，它为描述空间数据的　为基础设施的规划、设计、建设、管理提供更好的支撑。　组织和设计空间数据库模式提供基本方法…。目前，网络空间　数据模型的研究已经比较成熟，已经在市政、交通、电力等领域　１　时空对象数学描述　得到了广泛应用　Ｉ４　。时空数据模型是研究时空过程的基　础　，包括序列快照时空数据模型、基态修正时空数据模型、时　从建模方法上分析，面向对象的时空数据模型目前已经成　空复合模型、时空立方体模型、Ｎ１ＮＦ时空数据模型等　’　Ｊ。网　收稿日期：２０１４—０４—１５。国家“十二五”科技支撑计划重点项目　络时空数据模型不仅需要记录网络要素的历史状态，更重要的　（２０１１ＢＡＨ０６Ｂ０４）；湖北省科技支撑计划项目（２０１３ＢＡＡ０９９）；武汉市关　是记录网络要素间的拓扑关系的变化过程，较不具有网络拓扑　键技术攻关计划项目（２０１３０１０６０２０１０１９１）。张忠贵，工程师，主研领域：　特征的时空数据模型更为复杂。同时，网络在时间轴上处于不　ＧＩＳ应用。吴信才，教授。　
第９期　张忠贵等：一种通用的网络时空数据模型　变化过程。　定义６网络　８５　为时空数据建模的重要方法。时空对象包括时态对象（包括时　间、属性对象）、空间对象（包括几何、属性、制图、拓扑对象等）、　属性对象　Ｊ。其中，属性对象与具体应用密切相关，无法一一　列举，本节给出时空对象、时态对象、空间对象的数学描述，并以　此为基础构建网络时空数据模型。　定义１时空对象ＳＴ＝｛ＩＤ，Ｔｅｍｐｏｒａｌ，Ｆｅａｔｕｒｅ｝　ＮｅｔＷｏｒｋＴ＝＜ＧｅｏｍｅｔｒｉｃＮｅｔｗｏｒｋＴ，ＬｏｇｉｃＮｅｔｗｏｒｋＴ，ＥｄｇｅＣｌａｓｓＴ，　ＪｕｃｔｉｏｎＣｌａｓｓＴ＞　ＧｅｏｍｅｔｒｉｅＮｅｔｗｏｒｋＴ＝｛ＧｅｏｍｅｔｒｉｅＮｅｔｗｏｒｋｌＴ，ＧｅｏｍｅｔｒｉｃＮｅｔｗｏｒｋ２Ｔ，　…，ＧｅｏｍｅｔｉｒｃＮｅｔｗｏｒｋｎＴ｝　ＬｏｇｉｃＮｅｔｗｏｒｋＴ＝｛ＬｏｇｉｃＮｅｔｗｏｒｋｌ＇Ｔ，ＬｏｇｉｃＮｅｔｗｏｒｋ２Ｔ，…，Ｌｏｇ—　时空对象为时态对象和属性对象的组合，可表达特定时间　的空间对象，包括对象标识（ＩＤ），时态对象（Ｔｅｍｐｏｒａ１），空间对　象（Ｆｅａｔｕｒｅ）。如现状道路空间对象、历史道路空间对象为一个　ｉｃＮｅｔｗｏｒｋｎＴ｝　ＪｕｃｔｉｏｎＣｌａｓｓＴ＝｛ＪｕｅｔｉｏｎＣｌａｓｓｌ　Ｔ，ＪｕｃｔｉｏｎＣｌａｓｓ２Ｔ，…，Ｊｕｃｔｉｏｎ—　时空对象。　定义２时态对象Ｔｅｍｐｏｒａｌ＝｛ＩＤ，Ｔｉｍｅ，Ａｔｔｒｉｂｕｔｅ｝　时态对象为时间对象和属性对象的组合，可表达特定时间　的属性特征，包括对象标识（ＩＤ），时间对象（Ｔｉｍｅ，在市政网络　设施管理业务中，可以通过有效时间表达），属性对象（Ａｔｔｒｉｂ—　ｕｔｅ）。如市政管道的变更记录是一个典型的时态对象。　定义３空间对象Ｆｅａｔｕｒｅ＝｛ＩＤ，ｇｅｏｍｅｔｒ