基于过程的面向对象时空数据模型数据组织方法
数据模型的介绍
数据模型的介绍数据模型是指对现实世界的事物和关系进行抽象和描述的一种方式，它是构建信息系统的基础。
通过数据模型，可以对数据进行组织、管理和操作，使其更加高效和可靠。
本文将介绍数据模型的概念、分类和应用。
一、数据模型的概念数据模型是指对现实世界中的事物和其关系进行抽象和描述的一种方式。
它用于描述数据的结构、约束和操作，使得数据可以以一种有意义和一致的方式进行组织和管理。
数据模型可以看作是对现实世界中的事物进行建模的过程，通过对事物进行抽象和描述，可以更好地理解和处理现实世界中的问题。
数据模型可以是物理的或概念的，可以是图形的或数学的，可以是静态的或动态的。
不同的数据模型适用于不同的应用场景和需求。
二、数据模型的分类根据数据模型的特征和表达能力，可以将数据模型分为多种类型，常见的有层次模型、网络模型、关系模型和对象模型等。
1.层次模型层次模型是最早的数据模型之一，它将数据组织成树形结构，每个节点表示一个实体，每个节点之间通过父子关系进行连接。
层次模型的优点是结构简单，易于理解和实现，但缺点是不够灵活，对数据的查询和更新操作有一定限制。
2.网络模型网络模型是在层次模型的基础上进行扩展的，它允许一个节点有多个父节点，通过指针进行连接。
网络模型的优点是可以更好地表示实体之间的复杂关系，但缺点是结构复杂，不易理解和维护。
3.关系模型关系模型是目前应用最广泛的数据模型，它将数据组织成二维表格，通过行和列的交叉表示实体和属性之间的关系。
关系模型的优点是结构简单，易于理解和操作，具有较好的灵活性和扩展性。
4.对象模型对象模型是基于面向对象思想的数据模型，它将数据组织成对象的集合，每个对象具有自己的属性和方法。
对象模型的优点是能够更好地表示现实世界中的复杂关系和行为，但缺点是实现和性能方面的挑战较大。
三、数据模型的应用数据模型广泛应用于信息系统的设计和开发过程中，它是构建数据库、数据仓库、知识库等系统的基础。
数据模型可以帮助开发人员更好地理解和分析业务需求，设计和优化数据结构，实现数据的高效存储和访问。
时空数据模型简介
时空数据模型以后需注意方面
时空数据模型的研究成果仍然与实际应用具有很大 差距。具体表现为：理论研究多、实际应用少；数据模 型多、软件工具少。在后续研究中，需注意以下几个方 面：
（1）理想的时空数据模型应该能够集成空间、专题、时 间三方面特征，综合离散、连续的表达方式，符合人类 认知的逻辑思维，描述what/where/when三种语义，并 且能够与现有的主流的GIS软件集成，支持扩展，以满 足不同应用的需要。
面向对象的时空数据模型
面向对象方法是在节点、弧段、多边形等几 何要素的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。缺点是， 没有考虑地理现象的时空特性和内在联系，缺 少对地理实体或现象的显式定义和基础关系描 述。
时空数据模型研究中存在的问题
（5）没有充分考虑数据移植问题。目前，无 论是科学研究还是实际生产应用中都积累了 丰富的时空数据。如何让这些数据适应新的 模型，并且将其移植到新的时态GIS系统中 是必须面对的一个难题。一种可能的解决方 案是建立数据接口，将原有数据进行格式转 换，然而这种数据移植风险是值得关注的。 在构建新的时空数据模型时应充分考虑与现 有的主流GIS软件的集成与兼容问题。
地学中的时空观
人类对地学中时空概念的认知可以追溯到19世纪末20世纪 初。1899年Davis对地貌循环的研究；1925年Sauer对历史地理 学的研究；1939年Hartshorne对地域差异的研究；说明了人类 很早就认识到地学中时空相互作用的重要性。
地学对象之间的空间关系往往随着时间而变化，与时间关 系交织在一起就行成了多种时空关系。Tryfona把空间关系分为 拓扑关系、方向关系和度量关系，把时间分为有效时间、事务 时间和存在时间。Allen提出了基于时态区间代数理论的时态拓 扑关系模型。Egenhofer 、Szmurlo等对空间拓扑关系的渐变规 律、时空概念理解做了一些探讨，给出了反映拓扑关系时空变 化的最邻近拓扑关系邻接图。舒红、陈军等给出了时空拓扑关 系的定义和基于点集理论的形式化描述，并针对时空数据建模 中存在的时空语义模糊问题，提出了时间尺度和事件序列两种 时间概念模型。
常用的数据建模方法
常用的数据建模方法在数据分析和数据科学领域，数据建模是一项核心任务，它涉及将现实世界中的业务过程和数据转化为适合分析和处理的结构化形式。
常用的数据建模方法可以根据不同的需求和问题进行选择，下面介绍几种常见的数据建模方法。
1. 关系数据模型：关系数据模型是一种常用的数据建模方法，它使用关系型数据库来组织和管理数据。
关系数据模型使用表格的形式来表示实体和实体之间的关系，并使用主键和外键来建立表之间的联系。
这种模型适用于需要进行复杂查询和关联操作的场景，如企业管理系统和金融交易系统。
2. 维度建模：维度建模是一种基于维度和事实的数据建模方法。
在维度建模中，数据被组织成事实表和维度表的形式。
事实表包含了业务过程中的度量指标，而维度表则包含了描述度量指标的上下文信息。
维度建模适用于分析型应用场景，如数据仓库和商业智能系统。
3. 实体关系模型：实体关系模型是一种用于建模现实世界中实体和实体之间关系的方法。
在实体关系模型中，实体用实体类型来表示，而关系用关系类型来表示。
实体关系模型适用于需要建立实体和实体之间关系的应用场景，如社交网络和知识图谱。
4. 层次数据模型：层次数据模型是一种用于表示具有层次结构关系的数据的方法。
在层次数据模型中，数据被组织成树形结构，其中每个节点都有一个父节点和零个或多个子节点。
层次数据模型适用于需要表示层次结构的数据，如组织结构和产品分类。
5. 对象关系模型：对象关系模型是一种将面向对象和关系型数据模型相结合的方法。
在对象关系模型中，数据被视为对象的集合，每个对象具有属性和方法，并且可以通过对象之间的关系进行连接和操作。
对象关系模型适用于需要同时处理结构化和半结构化数据的应用场景，如XML数据处理和文档管理系统。
除了上述常用的数据建模方法，根据不同的需求和问题，还可以使用其他的数据建模方法，如网络数据模型、面向文档模型等。
选择合适的数据建模方法可以帮助我们更好地理解和分析数据，从而得出有价值的洞察和决策。
软件工程建模的方法
软件工程建模的方法
软件工程建模的方法有以下几种：
1. 面向过程的建模方法：这种方法主要关注软件系统的输入、处理和输出过程，通过绘制数据流图、结构图、状态转换图等图形化方式来描述系统的结构和功能。
2. 面向对象的建模方法：这种方法主要关注软件系统中的对象及其相互关系，通过绘制类图、对象图等图形化方式来描述系统的结构和行为。
3. 数据库建模方法：这种方法主要用于描述软件系统中的数据模型，通过绘制实体关系图、关系模式、数据流程图等图形化方式来描述数据库的结构和关系。
4. 结构化建模方法：这种方法主要关注软件系统的组织结构和模块划分，通过绘制模块图、层次结构图等图形化方式来描述系统的组织关系和模块之间的调用关系。
5. UML（统一建模语言）建模方法：这种方法是一种标准化
的建模方法，通过使用UML语言规范来描述软件系统的各个
方面，包括需求、设计、实现、测试等，通过绘制用例图、类图、时序图、活动图等图形化方式来描述系统的结构和行为。
这些建模方法可以根据具体的需求和情况灵活选择和组合使用，以达到对软件系统的准确描述和全面分析的目的。
数据建模工具及方法
数据建模工具及方法数据建模是指将现实世界中的数据抽象为可理解和处理的模型的过程。
这些模型可以是数学模型、统计模型、图形模型等。
数据建模工具则是辅助这一过程的软件工具，它们提供了各种功能和特性，使数据建模更加简便和高效。
本文将介绍数据建模的常见工具及方法，并对其进行详细说明。
一、数据建模工具1. ERWinERWin是一款功能强大的数据建模工具，它支持从概念到物理层次的建模。
它的主要特点包括逻辑模型和物理模型之间的同步，支持多种数据库平台，自动生成数据库脚本等。
2. PowerDesignerPowerDesigner是一款市场领先的数据建模工具，它支持从概念到物理层次的建模。
它具有可视化建模、自动生成文档、版本控制等功能，支持多种数据库平台，并且能够与其他开发工具实现无缝集成。
3. VisioVisio是一款通用的图形建模工具，它可以用于建模、设计、文档化、通信和自动化业务过程。
Visio支持多种图表类型，如流程图、组织结构图、数据流图等，可以根据需要进行修改和定制。
4. LucidchartLucidchart是一款基于云的在线图形建模工具，它支持各种图表类型和模板，如流程图、UML图、数据库模型等。
Lucidchart具有实时协作、版本管理和导出、嵌入等功能，可以方便地与团队成员合作。
5. SQL Power ArchitectSQL Power Architect是一款免费的开源数据建模工具，它支持从概念到物理层次的建模。
SQL Power Architect具有直观的界面、自动化建模、生成数据库脚本等功能，可以满足中小型项目的数据库建模需求。
二、数据建模方法1.实体-关系模型(ER模型)ER模型是一种广泛应用的数据建模方法，它基于实体、关系和属性的概念进行建模。
ER模型通过实体(实体类)、属性和关系(关联)来描述现实世界中的信息，从而得到完整的数据模型。
2.维度建模维度建模是一种针对数据仓库和商业智能系统设计的数据建模方法，它以事实表和维度表为核心进行建模。
地理信息系统原理-空间数据模型与数据结构
面对象 Class
属性
属性
体 3-Complex
面 2-Complex
线对象 Class
属性
线 1-Complex
点对象 Class
属性
点 0-Complex
三角形 2-simplex
线段 1-simplex
节点 0-simplex
33
空间地物
复杂地物
13 类空间对象
复杂
柱状地物
体状地物
数字立体模型
部分
节点 0-simplex
X,Y,Z
31
三维对象的拓扑数据模型
体状对象
面状对象
线状对象
点状对象
1 BodyID
1 SurfaceID
1
LineID
1 PointID
N
体1
N
4
5
面
1
6
N
3 4
边
1
1
2 结点
ElementID
FaceID
EdgeID
NodeID
X
Y
Z
32
三维复杂实体的逻辑模型
体对象 Class
• 模型：
• 时间作为属性（time stamp）
• 序列快照模型( Sequent Snap shots) • 基态修正模型(Base State with Amendments) • 时空复合模型( Space - time Composite) • 时空立方体模型( Space - time Cube)
表示形成三维空间目标表示,其优点是便于显示和数据更新, 不足之 处是空间分析难以进行。 （2）体模型(Volume model)
面向对象方法学
表示类的图
4.2 表示关系的符号
如前所述，类图由类及类与类之间的关系组成。定 义了类之后就可以定义类与类之间的各种关系了。 类与类之间通常有关联、泛化（继承）、依赖和细 化等4种关系。 1. 关联
关联表示两个类的对象之间存在某种语义上的联系。 例如，作家使用计算机，我们就认为在作家和计算 机之间存在某种语义连接，因此，在类图中应该在 作家类和计算机类之间建立关联关系。
（3） 实例(instance)
实例就是由某个特定的类所描述的一个具体的对 象。类是对具有相同属性和行为的一组相似的对象 的抽象，类在现实世界中并不能真正存在。实际上 类是建立对象时使用的“样板”，按照这个样板所 建立的一个个具体的对象，就是类的实际例子，通 常称为实例。当使用“对象”这个术语时，既可以 指一个具体的对象，也可以泛指一般的对象，但是， 当使用“实例”这个术语时，必然是指一个具体的 对象。
（1） 普通关联
普通关联是最常见的关联关系，只要在类与类之间 存在连接关系就可以用普通关联表示。普通关联的 图示符号是连接两个类之间的直线。通常，关联是 双向的，可在一个方向上为关联起一个名字，在另 一个方向上起另一个名字（也可不起名字）。为避 免混淆，在名字前面（或后面）加一个表示关联方 向的黑三角。
面向对象方法学的优点
1. 与人类习惯的思维方法一致 传统的程序设计技术是面向过程的设计方法，这
种方法以算法为核心，把数据和过程作为相互独立 的部分，数据代表问题空间中的客体，程序代码则 用于处理这些数据。
2. 稳定性好
传统的软件开发方法以算法为核心，开发过程基 于功能分析和功能分解。用传统方法所建立起来的 软件系统的结构紧密依赖于系统所要完成的功能， 当功能需求发生变化时将引起软件结构的整体修改。 事实上，用户需求变化大部分是针对功能的，因此， 这样的软件系统是不稳定的。
信息模型构建方法
信息模型构建方法信息模型构建方法指的是在信息系统或数据管理领域中，用于构建和描述信息模型的方法论和技术。
信息模型是对现实世界中的信息进行抽象和描述的模型，用于理解、管理和处理数据的结构、属性和关系。
以下是几种常见的信息模型构建方法：一、实体-关系模型（Entity-Relationship Model）：实体-关系模型是描述现实世界中实体之间关系的一种模型。
它通过实体（Entity）和实体之间的关系（Relationship）来表示数据的结构和关联，包括实体的属性（Attribute）、实体之间的联系（Relationship）等。
实体-关系模型常用于数据库设计和数据建模。
二、层次模型（Hierarchical Model）：层次模型是一种树状结构的数据模型，其中数据以父-子关系的形式组织。
每个父节点可以有多个子节点，但每个子节点只能有一个父节点。
层次模型常用于组织和管理具有层级关系的数据，例如组织结构、文件系统等。
三、关系模型（Relational Model）：关系模型是一种基于关系代数和关系演算的数据模型，用于描述数据之间的关系。
它将数据组织为二维的关系表（Relation），每个关系表包含多个元组（Tuple）和多个属性（Attribute），并通过主键（Primary Key）和外键（Foreign Key）来建立关联。
关系模型是关系型数据库管理系统（RDBMS）的基础。
四、面向对象模型（Object-Oriented Model）：面向对象模型是一种基于对象和类的数据模型，将数据和操作封装为对象，通过类和继承建立对象之间的关系。
面向对象模型适用于描述具有复杂结构和行为的数据，常用于面向对象编程和软件开发中。
五、面向过程模型（Process-Oriented Model）：面向过程模型是一种基于过程和操作的数据模型，将数据组织为过程和操作的集合，描述数据的流程和处理逻辑。
面向过程模型适用于描述数据处理流程和业务流程，常用于流程建模和业务流程管理中。
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基于过程的面向对象时空数据模型数据组织方法李景文1a,1b, 邹文娟1a,1b, 田丽亚 2 ,农佳捷3，苏浩3 (1a.桂林理工大学土木与建筑工程学院，桂林541004；1b.广西空间信息与测绘重点实验室，桂林541004；2.湛江市规划勘测设计院，湛江524000；3.广西科技信息网络中心，南宁530012)摘要：在分析现有时空数据模型和面向对象方法的基础上，提出了基于过程的面向对象时空数据模型，该模型能反映时空对象的演变过程，以及在这个过程中产生的事件因果联系，并且通过过程语义和面向对象思想两者的结合较好地解决了时空动态数据的组织、存储和查询问题。
关键词：时空数据模型；过程；面向对象；数据组织中图分类号:文献标识码：文章编号：0 引言随着时态GIS应用的不断推广，时空数据模型已成为国内外众多学者的研究热点。
Peuquet和Duan提出了基于事件的时空数据模型[1]，该模型能较好地反映地理现象状态改变的因果关系，有利于时空分析，但难以表达事件的历史回溯和动态反演；舒红等提出了基于对象的时空数据模型[2]，该模型能隐式地表达对象的几何与拓扑关系的动态变化，但是也难以解决诸如引起对象变化的原因、发展程度、变化趋势等问题；张丰等提出了基于过程的时空数据模型[3]，该模型重点表达了参与变化的时空对象和时空过程以及变化的因果联系、演变和约束关系，但在表达与分析突发事件或离散过程的地理实体或现象时具有一定的应用局限性。
本文从时空语义建模的角度出发，以过程语义和面向对象为基础，构建了基于过程的面向对象时空数据模型，研究和探讨了基于该模型的时空数据组织和时空查询，表达了时空语义并实现了在语义层面上的数据共享[4]，同时实现了时空对象在时间特征、空间特征和属性特征上的统一表达和管理以及在时间轴上的无缝描述。
1空间对象变化的过程语义描述基于过程语义的时空数据模型[5]，将过程对象作为完整的表达载体，该类模型采用分级的思想对“过程→状态”进行提取，然后回溯复原“状态→过程”，从而提供给对象变化更丰富的时空语义和更完整的动态表达。
1.1状态、事件、过程的相互关系状态是在特定的时间里，空间实体客观存在的形式，表达对象相对恒定的过程。
空间对象的存在是指在其生命周期内从出生时态到死亡时态之间的相对稳定的一个过程，空间对象的产生和死亡是一个瞬间状态，空间对象的存在是一个相对稳定的状态[6]。
事件是空间对象在时间维上从一个状态到另一个状态的质变过程，每个事件代表一个状态变化。
一个事件的发生一定有唯一的开始时间和结束时间，而一个时间段或时间点可对应多个事件。
因此事件在时间维上的顺序表达了空间对象变化的时空过程。
过程是基于分类或抽象所得到的逻辑上相连的事件序列。
过程实质上是时间轴上相邻两个状态间的时空对象细化而成的多个具有特殊意义的操作，这些操作导致对象从量的变化到质的变化。
状态（S-State）、事件（E-Event）及过程（P-Process）之间的关系如图1和图2所示：收稿日期：2010-9-基金项目：广西自然科学基金重点项目(桂科自2011GXNSFD018003)；广西科学研究与技术开发计划项目(桂科能0992030-1、10100018-2)；.作者简介：李景文(1971-)，男，博士，教授，从事GIS理论和应用方面的研究。
E-mail:lijw2008@对象状态的变化只反映了状态之间的时间先后关系，并不能说明状态之间存在的因果关系[7]；事件是由外界驱动产生的，它是状态变化的原因，而且能记录发生的所有变化，但不能描述时空变化的详细过程和内部动因；过程不仅能够揭示时空对象状态发生变化的外部原因，还更进一步地表达了事件系列间的内部联系，进而细化空间对象内部变化的时空因果关系。
1.2过程语义描述事件语义描述地理实体的某一状态或特定时间内的空间、属性变化情况，未能详细表达变化的原因和过程，在特定的尺度上，事件对时空语义的描述粒度还是粗放的。
时空过程反映着对象状态变化的因果序列，它实质上是一系列沿时间轴的时空目标的演变过程，时空变化包括沿时间轴的空间变化、拓扑变化和属性变化[3]。
过程语义实质上是在事件语义的基础上对地理实体变化的连续描述，因此过程语义表达的语义粒度比事件语义更为详实。
本文将在特定时间尺度下相邻两个状态间的地理实体用过程语义来描述，并将地理实体抽象成时空对象，通过将时空对象的过程语义表达连续时间的时空对象演变过程。
2基于过程的面向对象时空数据模型基于过程的面向对象时空数据模型是以面向对象方法为基础，结合事件与过程之间的相互关系，以及基于过程语义表达事件变化的内在联系，从而体现出地理事件之间的时空拓扑关系并解决了在时空变化中对空间对象的查询、历史回溯、分析等问题。
2.1基于过程的面向对象时空数据概念模型描述面向对象方法是将地理实体抽象为时空对象，将时空对象的属性特征、空间特征以及行为动态等有关知识“封装”在对象结构中，每一类时空对象是独立封装的具有唯一能确定自己是产生或消失的标识的概念实体。
外界驱动事件的发生，而作为事件自身特性的过程操作最终引发时空对象的状态改变，在变化过程中，对象的存在与否可以通过表达对象性质或结构的唯一标识来判断。
时空过程反映着对象状态变化的因果序列，因此时空过程建模既要表达空间实体及实体间的各种相互关系，也要表达实体间的事件关联关系。
基于过程的面向对象时空数据概念模型为：< Object，Event，Constraint Rule >；用BNF范式形式化描述如下：①Object参数的描述< Object >∷= < OID > < Spatial > < Temporal > < Attribute > <Operation >；式中< Object >表示时空对象，可以是简单时空点、线、面对象，也可以是复杂时空对象（由简单时空对象组合而成）；<OID>为时空变化过程中对象的唯一标识号；< Spatial >为描述时空对象的空间几何形状、空间分布、空间位置与空间相关性等空间特征；<Attribute>反映时空对象的时空变化和非时空变化信息，是对事物本质特征和对空间实体的语义定义；< Temporal >为对象的时态描述；< Operation > 表达对时空对象的关系操作、拓扑操作和几何操作等时空操作，可描述为：< Operation >∷= < Relational Operations >∣< Topoloical Operations >∣< Geometric Operations >②Event参数的描述< Event >∷= < EID > < ETS > < Proi > < ETE > < EN>（i≥1）；式中< Event >是时空变化中发生的事件；< EID > 表示事件的唯一标识号，< ETS >、< ETE >表示事件发生的起始和结束时刻；< EN > 为事件的名称；< Proi >属于该事件的过程序列，< Proi >的描述如下：< Pro >∷= < PID > < ProiName > < Object1 > < Object2 > <…> < Objectj > < S > < Object1 > < Object2 > <…> < Objectk >(j≥1，k≥1)；上式中，< Pro > 为构成事件的的i个过程，时空对象是事件和过程作用的主体，某个事件一发生，一个过程或若干个过程的就随即启动，这样就可能有一个或者多个对象参与到若干个变化过程中，达到质变后，事件便结束；Objectj表示变化前的空间对象的集合，Objectk表示变化后的时空对象的集合；< S >表示过程的变化类型，一般分为连续变化（↗）和离散变化（△），变化类型可描述为：< S >∷= < 离散变化>∣< 连续变化>；③Constraint Rule 参数的描述< Constraint Rule >∷= < RID > < RM >；式中< Constraint Rule >为约束规则，可以描述为引起系列事件构成相互联系的条件，在特定应用中有相对应的规则也可以预定义符合自己应用的约束规则，其中包含规则ID及规则描述。
基于过程的面向对象概念模型表达了参与时空变化的对象、事件、过程的形式化描述，以及它们之间组成的相互关系，能够实现时空对象的空间、时间、属性的统一描述与表达。
2.2基于过程的面向对象时空数据逻辑模型基于过程的面向对象时空数据模型主要包含事件域、过程域、对象域。
事件域和过程域描述时空变化的时间语义，如变化的原因、过程等；对象域描述空间语义信息，主要包含空间关系语义和属性语义。
采用面向对象的方法对基于过程的面向对象时空数据模型进行逻辑设计，并表示这些域和语义类的关系，如图4所示。
对象变化必然引起相关属性的变化，对象与对象之间也是互相关联的，如一个事件引起的相关过程变化会引发另一个或者多个对象的变化。
通过过程变化的标识将发生变化的地理实体关联起来，通过这种关联方式可以支持连续时间和离散时间内的变化，还能描述时空演变过程。
该逻辑模型结构表达了状态对象(State Object)、事件对象（Event Object ）、过程对象(Process Object)之间的层次关系。
过程对象间的连接关系利用图4中的Sequence Relationship 来实现，过程对象连续渐变的存储与分析通过图中的Constraint Rule 与Event 实现。
Sptial Object 为空间对象，通过ObjectID 来记录与过程相关联的对象，一个过程允许有多个对象参与；Object Relationship 为描述对象的空间关系信息。
3基于过程的面向对象模型的时空数据组织与查询3.1模型的时空数据存储方法基于过程的面向对象模型的数据管理是将地理实体按照模型的要求以空间对象的方式将空间几何信息和属性信息统一存储到对象－关系数据库Oracle Spatial 的SDO_GEOMETRY 字段中。