一種多信息融合的時空數(shù)據(jù)概念模型

崩塌、滑坡和泥石流等突發(fā)性災害日益增加。有效的災害防治和災害管理可以減少損失。地質災害數(shù)據(jù)是地質災害防治管理的基礎,高效合理的數(shù)據(jù)庫設計是地質災害預警預報系統(tǒng)建設的關鍵。地質災害的發(fā)生受很多外部因素(降雨、地震活動、人類活動等)的影響,是一個動態(tài)變化的過程。然而,現(xiàn)有的地質災害信息系統(tǒng)基本都是基于靜態(tài)數(shù)據(jù)庫建設的,只存儲地質災害信息在某一個時間點的快照,當災害信息發(fā)生變化時,用新的快照替換原有快照信息。這樣建立的災害信息數(shù)據(jù)庫僅反映了災害發(fā)展過程中某一階段的情況,不僅無法管理地質災害的防治過程,也無法對災害數(shù)據(jù)的變化過程進行分析,更不能準確地預測災害發(fā)展趨勢。因此,建立一個動態(tài)、能反映地質災害時空變化過程的災害數(shù)據(jù)庫,對于災害防治過程管理、災害發(fā)育規(guī)律研究及災害趨勢預測具有重要意義。數(shù)據(jù)庫建設的依據(jù)是數(shù)據(jù)模型設計。時空數(shù)據(jù)模型是一種有效組織和管理時態(tài)地理數(shù)據(jù),屬性、空間和時間語義更完整的地理數(shù)據(jù)模型。概念模型是數(shù)據(jù)模型的基礎,因為模型與人們的思維越貼近,越容易在應用系統(tǒng)中實現(xiàn)。面向對象模型提供了泛化、特例化、聚合和關聯(lián)等機制,易于支持時態(tài)GIS中各種形式的時空數(shù)據(jù)。目前,時空數(shù)據(jù)模型的理論研究有很多,但是其應用研究大多集中在土地管理方面,也有一些海洋、交通等方面的應用。本文以地質災害現(xiàn)象的時空表達為依據(jù),設計了面向對象的地質災害時空數(shù)據(jù)概念模型,并在此數(shù)據(jù)模型基礎上,對地質災害時空變化過程進行合理的存儲和表達,以便對地質災害的發(fā)育規(guī)律進行分析,進而可以預測災害發(fā)展趨勢。1自然災害特征信息地質災害數(shù)據(jù)是對地質災害的空間屬性、地質屬性以及災害屬性的描述。地質災害數(shù)據(jù)的形成過程是以快照形式出現(xiàn)的,記錄瞬時的災害狀態(tài);而地質災害的形成與區(qū)域的背景條件密不可分,反映災害的空間分布情況。因此,地質災害數(shù)據(jù)具有時間特征、空間特征和很多屬性特征。除此之外,地質災害數(shù)據(jù)還具有多尺度特征,包括空間多尺度、時間多尺度及工作多尺度。在空間上,可以從全國、省、地區(qū)、縣、單個災害體等尺度描述;在時間上,可以從災害的孕育初期、孕育中期、臨災、災害發(fā)生、災后等尺度描述;在工作上,災害防治工作分基礎調查、應急調查、群測群防、專業(yè)監(jiān)測預警、工程治理等階段。地質災害特征信息作為描述各類地質災害現(xiàn)象的專業(yè)信息,它是反映地質災害最為原始的信息,同時也是對地質災害進行管理、分析的基礎數(shù)據(jù)。地質災害特征信息主要是通過對地質災害開展基礎調查、應急調查以及群測獲取的。如圖1所示,地質災害特征信息包括反映地質災害單體與區(qū)域分布特征的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)及多媒體數(shù)據(jù)等,多媒體數(shù)據(jù)可以作為一類特殊結構的屬性數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)包括災害時空信息、氣象水文資料、地質地貌資料、災情信息、災害防治信息等。其中,災害時空信息包含災害統(tǒng)一編號、行政位置、經(jīng)緯度坐標以及最近發(fā)生時間等一系列強時空信息,其他屬性為一般屬性特征。2抗災能力模型建立人類對現(xiàn)實世界的認識是由表及里的,因此,地質災害時空數(shù)據(jù)模型要從對地質災害現(xiàn)象的描述出發(fā),結合地質災害的不同工作階段逐步建立。本文將采用面向對象的方法對地質災害時空數(shù)據(jù)進行建模,表達地質災害的發(fā)展變化過程及貫穿其中的防治管理工作過程。地質災害時空數(shù)據(jù)概念模型由空間要素模型、地質災害空間實體模型和地質災害時空對象模型構成(見圖2)。2.1要素類集見表1空間要素是一個抽象基類,對應于現(xiàn)實世界或抽象實體,用來表達關于現(xiàn)實世界(抽象)實體的可量算或可描述的現(xiàn)象。具有相同幾何類型和相同屬性的要素的集合稱為要素類,共享空間參考系統(tǒng)的要素類集合稱為要素集。空間要素是現(xiàn)象和其表示的結合,要素實例構成空間要素模型。2.2基于gis的理論模型所有的地質災害實體都屬于某一個實體類,該類所具有的特征稱為屬性。每一類都有自己的特定屬性。一個給定的實體是否屬于某一實體類,取決于地質災害工作者對該類的定義。這個定義包括該類的所有成員共有的特征和該類區(qū)別于其他類的特征。地質災害空間實體定義于空間要素模型之上。地質災害實體的屬性、位置、形狀等信息抽象為要素的特征。地質災害空間實體模型是將地質災害信息定義為一組具有關聯(lián)關系的實體對象集,并通過一種通用語言和一個公共數(shù)據(jù)結構,為地質災害數(shù)據(jù)理解和表達提供一個公共的基礎,便于地質災害信息系統(tǒng)的開發(fā)。面向GIS的地質災害空間實體模型通常包含兩部分數(shù)據(jù):①定位數(shù)據(jù)和拓撲數(shù)據(jù),用于描述實體對象的空間位置及拓撲關系;②屬性數(shù)據(jù)或專題數(shù)據(jù),用于描述實體對象的非空間屬性。2.3抗災能力模型設計地質災害現(xiàn)象的時空表達可以概括為:地質災害現(xiàn)象是幾個實體的組合排列集,每個實體都具有位置、屬性(包括時間信息),實體間存在著拓撲關系、語義關系、聚集關系、聯(lián)合關系等。作為時空數(shù)據(jù)模型的主體,時空對象是時間特征、空間特征、專題屬性信息的綜合表現(xiàn)。面向對象時空數(shù)據(jù)模型的核心思想是以描述時空對象為主體,以描述時空關系為目的,用面向對象的基本思想來描述和組織地理時空現(xiàn)象,將時間、空間及屬性在每個時空對象中置于同等重要的地位。時態(tài)GIS中時空對象變化的時間是與引起該變化的事件密切相關的。地質災害時空對象的變化時間是與引發(fā)地質災害變化的事件相關聯(lián)的。本文以面向對象技術為基礎,以時空對象的過程描述為主體,從地質災害的變化過程出發(fā),結合地質災害的防治管理過程,設計了地質災害時空對象:Object(i)=f(ObjID,ObjSi,ObjAi,ObjBi,ObjRi)(i=1,2,3,??n)(1)Οbject(i)=f(ΟbjΙD,ΟbjSi,ΟbjAi,ΟbjBi,ΟbjRi)(i=1,2,3,??n)(1)其中,ObjID表示對象的唯一標識號,對應災害體的統(tǒng)一編號;ObjSi表示對象的空間信息;ObjAi表示對象的屬性信息,包括時間特征;ObjBi表示對象相關的行為操作特征,對應引發(fā)地質災害變化的事件;ObjRi表示對象與其他對象之間的關系,對應地質災害的防治管理工作。在此基礎上,地質災害現(xiàn)象時空表達的一體化數(shù)據(jù)模型如圖3所示。在該模型中,地質災害現(xiàn)象被表達為一個具有相互關系的對象集。一個時空對象可以是許多其他時空對象的聚合。每個對象不僅具有空間信息、屬性信息和時間信息,而且與其他對象之間存在拓撲關系和語義關系。3地震的時空過程3.1自然災害對象的時空變化地質災害的時空變化主要包括空間變化和屬性變化。時空對象狀態(tài)的變化包括3種類型:連續(xù)變化、離散變化和級進變化。在災害孕育初期、孕育中期、臨災、災害發(fā)生及災后整個發(fā)展變化過程中,地質災害時空對象的狀態(tài)發(fā)生離散型變化,災害對象的每一次狀態(tài)變化是瞬間完成的,在時空域中離散分布。文獻指出,空間對象可能有兩種形式的變化:量的變化和質的變化。地質災害對象的時空變化也包括量的變化和質的變化,量的變化是對象屬性或空間位置的局部變化,質的變化結果是對象消亡(可能伴隨新對象的產(chǎn)生)。本文通過地質災害對象的產(chǎn)生、狀態(tài)更新、消亡3種時空過程來表達地質災害對象在其生命周期中的量變和質變。本文以地質災害現(xiàn)象的時空表達為依據(jù),用時空對象的狀態(tài)變化因果序列來表現(xiàn)地質災害時空過程。伴隨著地質災害防治管理各階段的工作,災害對象存在如下變化過程:1)在基礎調查階段,對地質災害對象的狀態(tài)進行首次記錄,即對象產(chǎn)生。2)在群測群防與專業(yè)監(jiān)測過程中,對災害對象的狀態(tài)變化進行記錄,對象狀態(tài)更新。3)在臨災或災害發(fā)生后,通過應急調查記錄災害的狀態(tài)變化。如果災害還可能再次發(fā)生,則對象狀態(tài)更新;如果災害不會再次發(fā)生,則對象消亡;如果原災害體演變成新的災害體,則該對象消亡,并有新對象產(chǎn)生。4)在工程治理階段,對地質災害的治理結果進行記錄。通過工程治理或搬遷避讓等措施,如果災害體還存在危險性,則對象狀態(tài)更新;如果災害體不存在危險性,則對象消亡。3.2信息表存儲機制根據(jù)地質災害的時空變化過程分析,設計了如下的災害對象狀態(tài)存儲機制:1)每個災害體的對象狀態(tài)首次被記錄時,賦予一個全局唯一標識(即統(tǒng)一編號),通過此標識對災害對象在各階段的狀態(tài)進行關聯(lián)。2)將災害體的基本信息與對象狀態(tài)變化過程分別記錄。災害體的基本信息用基本信息表存儲,內容如表1所示?，F(xiàn)有災害對象狀態(tài)記錄與歷史發(fā)生過的災害狀態(tài)記錄分別用現(xiàn)勢信息表和歷史信息表存儲,其內容都如表2所示。3)現(xiàn)勢信息表和歷史信息表具有“互斥性”,任何一個災害對象都不能同時出現(xiàn)在現(xiàn)勢信息表和歷史信息表中。4)災害對象的每一個狀態(tài)首次被記錄時,“發(fā)生時刻”與“變化時刻”為同一個值,對象狀態(tài)發(fā)生變化時,將前一條狀態(tài)記錄中“變化時刻”的值修改為當前狀態(tài)發(fā)生的時刻,同時新增一條對象狀態(tài)記錄。5)當一個災害對象消亡時,將該對象在現(xiàn)勢信息表中的所有狀態(tài)記錄移到歷史信息表中,并在基本信息表中記錄災害對象的狀態(tài)、消亡時刻及消亡原因。上述存儲機制有幾個優(yōu)點:①數(shù)據(jù)冗余小。對災害的基本信息和變化過程分別進行管理,使得相對固定的災害基本信息只記錄一次。②數(shù)據(jù)分析方便。對災害變化過程的記錄不僅包括災害的狀態(tài)信息,而且包括災害的變化原因和所處工作階段,便于信息管理和分析。③數(shù)據(jù)檢索效率高。在災害對象發(fā)展變化過程中,對災害對象狀態(tài)的查詢與更新只需操作現(xiàn)勢信息表;在災害對象消亡后,則只需查詢歷史信息表就可獲取歷史災害的發(fā)展變化過程。3.3訪問狀態(tài)和流程的表達1狀態(tài)變化過程記錄通過查詢?yōu)暮拘畔⒈砑纯色@得某個時刻存在的所有災害的統(tǒng)一編號和狀態(tài)(是否消亡)。首先根據(jù)消亡狀態(tài)標識判斷災害體的狀態(tài)變化過程記錄存儲在歷史信息表中還是現(xiàn)勢信息表中,再進一步查詢?yōu)暮w的狀態(tài)記錄。如查詢Tn時刻的災害分布情況,可在災害基本信息表中檢索“出現(xiàn)時刻”在Tn之前并且“消亡時刻”在Tn之后的災害體。還可根據(jù)每個災害體的消亡狀態(tài),從歷史信息表或現(xiàn)勢信息表中獲取Tn時刻該災害體的狀態(tài),檢索“發(fā)生時刻”在Tn之前并且“變化時刻”在Tn之后的狀態(tài)記錄即可。2災害體狀態(tài)查詢與記錄由于災害基本信息表中記錄了所有災害的基本信息及消亡狀態(tài),因此,可以通過查詢?yōu)暮拘畔⒈慝@取災害體的消亡狀態(tài),根據(jù)消亡狀態(tài)確定該災害體的狀態(tài)變化過程記錄存儲在現(xiàn)勢信息表中還是歷史信息表中,然后利用統(tǒng)一編號查詢相應的表獲得災害體的歷史狀態(tài)序列。4基于時空對象的過程表達本文從地質災害防治管理的角度出發(fā),分析了地質災害的數(shù)據(jù)特征,并提出了面向對象的一體化時空數(shù)據(jù)概念模型。在此基礎上,通過分析地質災害時空變化過程,設計了一種有效的地質災害時空對象存儲方案和時空過程表達機制。本文所提出的地質