基于卫星信息的海事应用时空数据模型研究

目前的海洋地理信息系统中数据的表达一般是基于静态时刻的，反映瞬时的海洋信息，在诸如军事、渔业、环境监测、气象、资源等海事应用方面对数据缺乏有效的组织应用手段，难以表现海洋态势演变与海事过程等时空过程。对时空过程的描述包括几何、拓扑、属性三方面，每一时刻的状态均有其相应的描述，需要建立时空数据模型对其进行表述。时空数据模型全面地表达了时空信息的三种基本数据成分：空间数据、属性数据和时间数据，空间数据描述了时空对象的空间属性及其派生关系等，属性数据描述了时空对象的非空间属性，时间数据则反映了对象属性的时序变化及发展规律，对于重构历史状态或未来预测都有着重要的作用，三者共同标识了三维的时空实体。完善的针对海事应用的海洋地理信息系统需要将时空要素统一起来，以表达时空任务，满足特定应用需求。

通过引入时空数据建模技术，完整地表达时空数据及其属性，完善时空语义，实现对海洋历史信息及海事任务过程的查询，跟踪时空变化，全面的对海洋态势和任务推演进行分析预测。在卫星信息数据源的支持下，以海事任务为牵引，以海域、地域、海事要素为中心，建立相应的时空数据模型，增强数据组织和查询能力，提高时空数据库的效率。

2 现有时空数据模型分析

时空数据模型通常由数据结构、数据操作和完整性约束三部分组成，围绕空间、属性、时态三者的复杂关系和组织结构，人们提出了多种时空数据模型，概括起来分为基于时间戳的时空数据模型和基于事件和进程的时空数据模型。

2.1 基于时间戳的时空数据模型

基于时间戳的时空数据模型的实现是通过在空间维的基础上增加时间戳：如序列快照模型、时空复合模型、时空对象模型。

序列快照模型有矢量快照模型和栅格快照模型，它是由一系列时间切片组成的，由于序列快照是对状态数据的完整保存，其数据冗余大。

时空复合模型将空间分割成具有相同时空过程的最大公共时空单元，每一次状态的变化意味着一部分区域从其父体上分离下来成了独立的时空实体。由于每一变化都会引起时空实体的碎分，过碎的复合图形单元带来了时空实体历史状态检索时大量复合图形单元搜索和低效的全局状态重构。

时空对象模型以面向对象的基本思想方法组织时空数据，节点、弧段、多边形等几何要素，在表达上增加时间信息，考虑空间拓扑结构和时态拓扑结构。一个地理实体，无论多么复杂，总可以作为一个对象来建模，其中对象是独立封装的具有惟一标识的概念实体，每个时空对象中封装了对象的时态性、空间特性、属性特性和相关的行为操作与其他对象的关系。

2.2 基于事件和进程的时空数据模型

基于事件和进程的时空数据模型顾及了事件语义的表现，在该类模型中，时空对象状态变化是由相应的时空事件所触发的，通过引入事件表，将相互关联的属性或空间变化记录在同一个事件的各个组件内，显式而有序地给出时间的表达方法，可以建立对象状态与时空事件间的拓扑关系，为高层次的时态操作提供了基础，适于处理基于位置的变化和事件的查询。典型的基于事件的时空数据模型是ESTDM。

Peuquet和Duan认为基于位置或是基于特性的时空模型并不适合用于时态关系的分析，所以提出了一种新的基于栅格的数据模型ESTDM(Event-based Spatio-Temporal Data Model)来组织关于位置变化的时空信息。ESTDM扩展了时空对象模型，较之序列快照模型和时空复合模型，其优点是处理数据的效率以及对时态模式和关系进行分析的能力。序列快照模型中一个快照存储一个完整状态，而ESTDM能够存储相对干前一状态的关系变化。一个基于事件的系列包含了在相关区域中对象的时空动态信息。每个事件都有时间戳，并且与事件组件列表相关联，用以显示在哪里发生了变化。事件组件列表显示了在预定义的位置(一个栅格单元)及特定的时间点所发生的变化。

从时空语义表达重心的角度来看，现有模型中有的侧重概念的表达，有的侧重状态的表达，有的侧重事件过程的表达。从应用领域来看，大多数模型是针对地学应用提出的，如时空复合模型和早期的时空对象模型等，适用于以大范围地质变化为特征的地理时空问题，而海洋数据的连续性同陆地数据不同，海洋中的数据大都是连续的、渐变的，海洋现象的边界具有模糊性，而陆地数据边界一般是突变的、清晰的，因此在海事应用方面，现有的时空数据模型都无法完全满足多要素、高数据复杂度或者是针对海事任务的特定需求。ESTDM支持面向对象技术，侧重于表达移动实体、属性和拓扑关系，更符合现代信息系统对数据模型的要求，海事应用时空数据模型建立在ESTDM的基础上，改进数据存储结构以适应海洋要素的特点，同时增加针对海事任务的专题数据模型以符合各领域的海事应用需求。

3 海战场数据分析

3.1 海战场要素描述

海洋范围广博，环境复杂，要素繁多，对海事应用而言，可能影响海事任务效能的因素有岛屿与滩涂地形、海温、风场、海浪、海流、潮夕、云雨雪雾以及电磁环境、风暴潮、海水透明度和鱼群分布、资源分布、目标部署等特殊要素。归纳起来，可以分为实体(或对象)要素、环境、过程(或事件)3类。

实体封装了海事应用中的研究个体和相应的空间属性、时态属性和行为过程。如鱼群、舰艇等，实体在海洋时空域中以时空点对象的形式出现，其影响范围则以时空面对象的形式出现，所以海事应用中最为重要的时空拓扑关系是点、面关系。

从应用角度看，海洋环境是应用者力图全面了解并希望按己方意图进行利用和控制的海洋态势，如水文、气象、资源分布等。环境由环境状态来体现，由环境对象集与环境状态构成。海洋环境要素数据具有以下特点：

动态性 表现在海洋现象的动态性和海事任务活动范围的动态性。

模糊性 海洋数据的模糊性主要表现在概念和边界上，由于海洋是动态的，有些定义不像陆地上那么严格，由此从概念上产生了模糊性。

时空过程性 主要体现在海洋现象方面。海洋现象具有时空过程性，不但存在于一定的空间范围内，还在时间上具有一定的持续性，也就是过程性。

时空粒度多样性 大多数时空对象的空间属性在时间维的变化较大，性质属性变化较小，应对不同属性采取不同的时间粒度存储。

过程(Course of Action，COA)动态的将实体和环境与具体的对象行为结合起来，完成了特定的功能，是海事应用的牵引，如资源探测、远洋捕捞、海战等。环境和过程本质上都是面向对象，在特定的应用下，环境和过程也可以作为实体来研究。

3.2 卫星信息数据源分析

针对海事应用的卫星数据监测以海洋、海岸带和海事目标、情报等作为遥感监测研究的对象，功能涵盖海洋环境要素监测、海岸带及海岛测绘、导航定位信息等，按功能主要分为遥感专题信息数据、常规地理信息数据、海事应用信息3类。

遥感专题信息数据是从卫星图像中提取的海洋水色、水温信息、海浪潮夕等专题信息数据，通常以栅格形式存储。

地理信息数据是海洋遥感多维动态显示系统的基础数据，是指海洋水体的空间数据，主要有沿海地形数据、海岸线地图数据、海底地形数据等，矢量和栅格数据共同存在。与遥感专题信息数据不同的是，地理信息数据具有相对的稳定性，即在较长一段时间内作为背景的地理信息数据变化不大，可以作为其他数据动态变化的参考。

海事应用信息数据主要有海事目标情报、目标定位导航，来源于不同领域的多功能监测卫星，为海事应用需求提供数据源。

3.3 数据类型

依据时空数据库的存储需求与信息系统对数据类型的要求，从卫星信息数据源中提取与总结出如下数据类型：

(1)矢量数据(海洋环境)：包括各种点实测数据、辅助边界数据和等值线数据；

(2)栅格数据：主要包括海岸带遥感影像数据和地形数据；

(3)场数据：包括由遥感数据反演或实测数据插值得到的海洋要素场数据；

(4)特征数据：在海洋要素场基础上得到的特征数据；

(5)海事要素数据：情报、海事符号、海事实体模型、任务；

(6)元数据：包括地理数据元数据、遥感信息数据元数据、海洋要素数据元数据。

4 基于卫星信息的海战场时空数据建模

时空数据模型是时间数据、空间数据和属性数据的统一体，时空过程如海洋演变过程、海事任务推演则是时空对象表示的综合。通过对海事应用中数据的分析，基于ESTDM模型，采用面向对象技术对实体、环境、过程3个要素进行UML建模，同时以遥感影像信息为例建立了卫星信息的数据存储模型，完整地提出基于卫星信息的海事应用时空数据模型。

4.1 基于特征的海洋时空实体数据模型

基于特征的海洋时空实体数据模型(见图2)包括两大部分：

(1)海洋中实际观测的数据：分为离散点观测数据和连续扫描观测数据。

(2)对象几何特征数据：是指从海洋实体等数据中提取出来的一些点、线、面、体。

以点对象数据为例，点对象数据(Marine Points)是聚合线、面、体对象数据的基础，特征点的数值和空间位置是随时间变化而变化，用以标识特定实体数据，如漩涡的中心点、渔船。

4.2 基于场的海洋时空格网模型

基于场的时空格网模型，是一种多级格网数据模型，用以表达海洋演变、海洋态势等海洋环境，其模型结构图如图3所示。在基于场的时空格网模型中，需要对海洋数据或海洋现象进行三个方面的剖分：

(1)在空间上采用栅格进行离散化；

(2)在时间上进行离散分段；

(3)在属性上要进行分层。

4.3 基于过程的面向海事任务的专题数据模型

针对不同海事任务建立海事过程模型，以二、三维符号对过程进行抽象化，同时增加实体库来模拟海事过程。基于过程的面向海事任务的专题数据模型结构图如图4所示。

4.4 卫星遥感影像数据存储模型

卫星遥感影像数据模型总体结构如图5所示。

5 结 语

海量的卫星信息数据加大了数据组织、存储和查询的难度，为时空数据模型的构建带来了新的问题。时空数据模型的核心是时空过程、时空对象、态势要素及其相互关系的表达，通过分析比较现有各时空数据模型，结合卫星数据源分析和海洋数据特性的研究，针对海事应用任务需求，提出了一种融合实体、环境、过程三要素的改进的ESTDM模型。采用面向对象技术，针对海洋现象和实体的数据特性提出了基于特征的海洋时空实体数据模型和基于场的海洋时空格网数据模型；针对特定的海事任务，提出了基于过程的面向海事任务的数据模型。完整表达了海事应用范围内的时空属性、时空关系和时空过程，为进一步进行数据交换和信息融合提供了理论基础和实现前提，目前已在海军某海战场环境保障系统的数据库建设中得到了应用。