面向对象的区域规划空间信息时空数据模型

      中图分类号：N945.1;TU984

      1　引言

      区域规划是对区域内未来一定时期社会经济发展的总体部署。广义的区域规划内容涉及地区国民经济与社会发展中长期规划、城镇体系规划、土地利用总体规划以及区域内交通、能源、水利、通讯、旅游、卫生及其他社会发展事业等专项规划。长期以来，由于规划体制不适应区域发展的客观要求，区域规划在实施过程中存在大量问题，主要表现在：一方面不同部门所进行的专项规划在空间上往往存在较大矛盾，如土地利用总体规划与城市总体规划在城市用地安排上经常出现不协调；另一方面，综合性较强的地区国民经济与社会发展中长期规划往往侧重于对国家阶段性发展战略的重复阐释以及对统计型社会经济发展指标的制定，而忽视了建设项目空间布局的内容[1]。即将展开的“十一五”规划将进行规划体制的重大改革，改革的重点内容之一就是突出强调空间规划的内容[1]，将把经济中心、城镇体系、产业聚集区、基础设施以及限制开发地区等规划内容落实到具体的地域空间。

      GIS技术是进行区域规划空间信息管理的重要工具。将地理信息技术应用于各项区域性专题规划已有较长的历史，然而，在传统的空间数据模型技术框架下集成具有动态性和复杂性的区域规划空间信息仍面临许多困难。到目前为止，组织和管理空间信息的空间数据模型已经历了两个主要阶段：CAD数据模型和Coverage数据模型。CAD数据模型是通过点、线、面将地理数据存贮在二进制文件中，缺乏属性信息。Coverage数据模型较CAD前进了一大步，支持属性数据，将空间数据与属性数据有机地结合在一起。然而，CAD和Coverage都仅用点、线、多边形等几何元素描述空间实体，从而缺乏对空间实体或现象的显式定义及其基础关系的描述[2]。

      随着面向对象技术不断发展和成熟，建立面向对象的数据模型给空间数据的管理带来了广阔的发展前景。一个现实的地理实体，无论多么复杂，总可以作为一个对象来建模。本文基于时态GIS的理论，用面向对象的方法建立区域规划空间信息的时空数据模型，比较成功地使复杂的区域规划空间信息得以有效的组织和管理。

      2　面向对象方法

      面向对象方法是一种运用对象、类、继承、封装、聚合、消息传递、多态性等概念来构造模型的方法。其基本思想是从现实世界中客观存在的事物（即对象）出发，并在模型构造中运用人类的自然思维方式。在面向对象中以类的形式进行描述，通过对类的引用而创建的对象是数据模型的基本单位，这些对象对应着现实中的各个事物，它们的属性与操作刻画了事物的静态和动态特征[3]。

      

      图1　区域规划空间对象和类之间的关系示例

      Fig.1 Examples of relations between objects and classes in regional planning

      面向对象方法认为[4]，客观世界是由各种各样的对象组成。在对象中封装了描述对象静态特征（如状况）的属性和反映对象动态特征（如状况变化）的方法，形成严格模块化的实体。属性支持各种数据类型，提供了对数组类和数列类空间数据的支持，且可以在属性上以K树或四叉树的方式建立索引，对空间数据进行有效管理。属性和方法相同的对象可以进一步抽象成类，每个对象是它的一个实例。类、父类和子类构成类之间的层次结构。对象和类之间的关系有：①继承关系，如图1(a)，“公路”和“铁路”是“道路”的子类，“道路”是“公路”和“铁路”的父类，在“公路”和“铁路”中除了拥有自己特有的属性和方法以外还可以直接继承所有在“道路”中定义的属性（如名称、长度、等级等）和方法（如重建、提高等级等）进行重用；②聚集关系，也叫部分整体关系，如图1(b)，表示“城市”和“道路”是“省”的组成部分，“省”是由“道路”和“城市”以及其它组成的；③依赖关系，如图1(c)，表示“城市”和“城市用地”这两个类是一种互相影响的关系，一方的变化将引起另一方的变化，也就是说，城市的扩张和城市用地之间相互依赖；④关联关系，包括一对一、一对多、多对一和多对多的关系。图1(d)表示一对一的关系，即每个省级行政单元只能拥有一个省会城市，同时一个省会城市也只能从属于一个省级行政单元；图1(e)表示一对多的关系，即每一个省级行政区域可以包括多个城市；图1(f)表示多对一的关系，可以把多对一关系理解为一对多关系的逆向关系，即多种土地利用类型同时存在于一个区域；图1(g)表示多对多的关系，即一条交通线可能穿过几个省区，而一个省区又有若干条交通线。

      3　时空数据模型

      目前，规范化的时空数据模型尚处在探索阶段。面向对象的时空数据模型有时空立方体模型、时间快照模型、基态修正模型、时空复合模型等。各种模型时态的实现有两种方式，一是把时间作为时间维加入模型中，另一种方式是把时间作为其中的一个属性。这里采用的是后者。时空数据模型的一般数据结构可以表示为[5]，其中ID是对象的标识，可以唯一标识一个时空对象；Attr(t)表示随着时间变化的非空间属性；Spatial(t)则表示随着时间变化的空间属性；Temporal(Tv,Td)表示对象的时间属性，反映对象的产生，状态的改变及消亡的生命历程，有效时间Tv和事务时间Td是正交的；Actions则表示对于对象的操作，包括定义对象的时间、空间及属性的各种运算操作，实现同类对象或者不同类对象之间的相互联系，从而使对象的数据和操作紧密联系起来。