1、 申请代码： 受理部门： 收件日期： 受理编号： 国家自然科学基金 申 请 书 国家自然科学基金 申 请 书 资助类别： 亚类说明： 附注说明： 项目名称： 申 请 者： 电话： 依托单位： 通讯地址： 邮政编码： 单位电话： 电子邮件： 申报日期： 2004年2月15日 国家自然科学基金委员会 国家自然科学基金申请书 第 2 页 版本 1.011.715 基本信息基本信息 0Ewa0XOT 姓名 性别 出生年月 年 月 民 族 学位 职称 主要研究领域 电话 电子邮件 传真 个 人 网 页 工 作 单 位 申 请 者 信 息 申 请 者 信 息 在研项目批准号 名称 代 码 联系人 电子邮件
2、 依托单位信息 依托单位信息 电话 网站地址 单 位 名 称 代 码 合作单位信息 合作单位信息 项目名称 基基于本体和约束理论的统一时空数据模型研究 资助类别 面上项目 亚 类 说 明青年科学基金项目 附注说明 申请代码 F020204:数据库 （包括分布式数据库） 基地类别 预计研究年限 2005 年 1 月 2007 年 12 月 研究属性 应用基础研究 项 目 基 本 信 息项 目 基 本 信 息 摘 要 项目研究内容和意义简介摘 要 项目研究内容和意义简介（限 400字） ： 时空数据库技术已成为目前国内外研究的热点，它对于移动计算、环境监测、军事、交通管理等需要有效管理移动对象的应
3、用有着重要的实际意义。本课题采用本体技术和约束理论对时空数据及时空变化的统一表示、查询等问题进行深入探索，通过时空本体建立时空数据及时空变化的统一语义建模，并采用约束理论解决连续时空变化的建模问题，从而构造可以完备描述和查询时空数据与时空变化的统一时空数据模型。同时以对象关系数据库和中间件技术为基础，深入探讨时空数据库的实现结构、查询处理等问题，解决统一时空数据模型的实现问题。课题从模型的通用性入手，从本体论的角度阐明时空数据与时空变化的一体化特性，从查询优化角度提出新的时空数据库实现技术，为时空数据库技术的进一步研究与应用提供新思路和理论依据。 关 键 词关 键 词(用分号分开，最多 5 个
4、) 时空数据模型；时空数据库；时空本体；约束数据库 国家自然科学基金申请书 第 3 页 版本 1.011.715 项目组主要成员项目组主要成员(杰出青年科学基金不填此栏) 编号 姓 名 出生年月 性别职 称 学 位 单位名称 电话 电子邮件 项目分工 每年工作时间（月） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 总人数 高级 中级 初级 博士后 博士生 硕士生 8 1 2 0 1 4 说明: 1. 高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请者负责填报，总人数自动生成。 说明: 2. 项目组主要成员不包括项目申请者。 国家自然科学基金申请书 第 4 页 版本 1.011.715 经费申请表经
5、费申请表 （金额单位：万元） 科目 申请经费 备注（计算依据与说明） 一.研究经费 一.研究经费 18.2000 1.科研业务费 11.6000 （1）测试/计算/分析费 0.0000 （2）能源/动力费 1.1000电费、水费等 （3）会议费/差旅费 4.0000按 10 人次，每人次 0.4 万计算 （4）出版物/文献/信息传播费 5.5000网络通讯费 4.5 万 按每年 1.5 万；论文发表费 1万，按 10 篇，每篇平均 0.1 万 （5）其它 1.0000资料费，印刷费，邮费等 2.实验材料费 3.0000 （1）原材料/试剂/药品购置费 2.0000消耗材料，包括磁盘，光盘，打印
6、机等消耗材料 （2）其它 1.0000硬件维修费，软件购买费等。 3.仪器设备费 2.6000 （1）购置 2.6000工作站配置扩充，学校配套的大型仪器、大型公用软件使用费 （2）试制 0.0000 4.实验室改装费 1.0000用于实验室研究环境改善 5.协作费 0.0000 二.国际合作与交流费 二.国际合作与交流费 4.2000 1.项目组成员出国合作交流 2.500012 人次出国合作交流 2.境外专家来华合作交流 1.7000邀请 1-2 人次境外专家进行合作 三.劳务费 三.劳务费 4.2000 四.管理费 四.管理费 1.4000 合 计 合 计 28.0000 国家其他计划资
7、助经费 0.0000其他经费资助（含部门匹配） 0.0000与本项目相关的 其他经费来源 其他经费来源合计 其他经费来源合计 0.0000 国家自然科学基金申请书 第 5 页 版本 1.011.715 报告正文一、立项依据与研究内容 报告正文一、立项依据与研究内容： （一）项目的立项依据（一）项目的立项依据 1、研究意义、研究意义 时空应用是一类复杂应用，它涉及空间对象随时间而发生的时空变化。随着国民经济的发展，交通管理、森林火灾监测、风暴预测等越来越多的应用对时空数据的管理提出了迫切的需求。但迄今为止，还没有任何一个数据库管理系统可以有效支持时空数据的存储和管理，极大地制约了时空应用的发展
8、1,2。 有效地实现时空数据库管理系统首先要建立有效的时空数据模型。但已有的大多数时空数据模型都是针对某类特殊的时空应用的，因此缺乏通用性和完备性。而且，已有时空数据模型还缺乏有效的实现方法。因此，迫切需要设计出一个具备通用性和完备性、易实现的统一时空数据模型，对时空数据及其操作进行统一表示和查询，并能够有效实现并支持时空应用。 本课题提出并研究借助本体和约束理论来解决时空数据的统一建模问题。本体（ontology）是一组概念的规范3。国外研究者已尝试在移动应用信息交换和共享4、时空信息集成5、时空推理6等方面引入本体思想，探索不同时空应用之间的共性。业已证明约束理论在表达空间数据的连续性方面
9、十分有效7。已有学者指出，在时空数据库领域应用约束理论是解决连续时空变化建模问题的主要方向7。据此，本课题拟利用本体具有的语义完备的特点，建立基于时空本体的时空语义模型，并结合约束理论，建立时空变化的完备描述框架，进而提出具备通用性和完备性的统一时空数据模型。 对于统一时空数据模型的实现问题，我们拟采用基于对象关系数据库和中间件的实现方法。对象关系数据库使统一时空数据模型的数据结构和数据操作可以通过扩展类型和扩展操作的方式实现。但由于对象关系数据库本身不提供时空查询优化，因此，采用时空查询处理中间件来处理时空查询，以达到提高时空查询效率的目的。 本课题的研究既针对时空应用的迫切需求，也可为时空
10、数据库研究提供新思路和理论依据。 2、国内外研究现状、国内外研究现状 时空数据模型是时空数据库的核心问题之一。而时空数据模型的基础是时空语义。 在时空语义方面，研究者从不同的角度探讨了时空变化的分类、描述以及时空对象的描述等问题，如文献8, 9 从制图学角度对 GIS 的时态特性进行了研究，文献10根据时空对象的空间特性定义了基本时空变化和复杂时空变化，文献11则从时空对象的生命期角度提出了基于对象标识的时空语义描述方法。但迄今尚未见对时空语义进行系统研究的工作。 在时空数据模型研究方面，已经提出了一系列的时空数据模型8,9,12-24。这些模型可归结为以下几类： （1）基于时间戳的时空数据模
11、型）基于时间戳的时空数据模型，如时空快照模型8、基态修正模型8、时空立方体模型8、时空复合模型8以及时空对象模型12等。这些方法采用版本来表达时空对象的状态，并通过版本 国家自然科学基金申请书 第 6 页 版本 1.011.715 间的比较来实现时空变化的查询，因此对时空变化的支持相对较弱，时空变化查询的效率低。 （2）基于数据类型的时空数据模型）基于数据类型的时空数据模型13。该模型采用时空类型构造子来表示时空对象及时空变化，并通过时空类型构造子上的操作来实现时空变化的查询。其优点是比较适合在对象关系数据库管理系统上实现，缺点是无法表达涉及多个时空对象的时空变化。 （3）基于事件的时空数据模
12、型）基于事件的时空数据模型14-16, 21, 22, 25。文献14提出的 ESTDM 模型将某一空间区域的每次状态变化视为一个事件，用一维时间轴上的事件序列来表示空间对象的时空变化，但它同样也不支持涉及多个时空对象的时空变化。文献15改进了 ESTDM 模型，在事件中引入了时空变化的原因，但该模型仅以支持土地划拨应用为目标，所提出的事件缺乏一般性。 （4）基于约束数据库的时空数据模型）基于约束数据库的时空数据模型18-20。文献18提出了描述连续移动对象的时空数据模型。但移动对象数据模型只适合仅位置随时间连续变化的时空数据库应用，因此不能满足一般的时空数据库应用需求。为了支持空间形状随时间
13、连续变化的时空数据库应用， 研究者从约束数据库方面对时空数据模型进行了研究19,20。其中参数化矩形模型19将空间对象表示为一个参数化矩形的集合，以参数化矩形的变化集合来表示空间对象的连续时空变化。其问题是每次时空变化都需要构建一个较大的参数化矩形集合，代价较高，而且如何支持离散时空变化、是否可实现等问题都没有解决。 就国内而言，时空数据模型研究主要集中在国家基础地理信息系统中心、浙江大学、华中科技大学、清华大学、中国科学院地理所等单位。大多数国内已有研究可归于“基于事件的时空数据模型”中，例如国家基础地理信息系统中心的陈军等提出的基于事件的时空数据模型15,21、武汉大学的孟令奎等提出的基于
14、地理事件时变序列的时空数据模型22、浙江大学人工智能研究所提出了基于状态和变化的时空数据模型16、华中科技大学的易宝林等提出的基于对象行为的时空拓扑模型25等。其中，国家基础地理信息系统中心的陈军等提出了基于事件的时空数据模型，可以有效支持土地划拨等涉及离散时空变化的时空应用。 浙江大学人工智能研究所提出了基于状态和变化的时空数据模型，以显式的方式表达时空对象在空间域、时间域以及对象域上的变化，解决了基于时间戳的时空数据模型无法表达变化原因、形式等问题。基于对象行为的时空拓扑模型25对时空拓扑变化的建模方法进行了深入研究。另外一些研究者从概念建模角度探讨了时空数据模型23,24。文献17提出面
15、向平面移动对象的时空数据模型 OPH模型以三个观测几何表示空间对象的演变， 从空间几何的角度探讨了时空变化的表示。 时空数据模型的研究现状，制约了时空数据库实现和应用。例如，层次型结构26,27是在传统的关系数据库管理系统之上附加一个时空层，通过其来完成对时空数据的操作，但时空层易成为应用开发的瓶颈。扩展型技术7,28,29是在对象关系数据库管理系统之上进行基于内核的时空扩展。其实现路线较清晰，而且是基于内核的扩展，有利于时空数据库的实用化，但难以解决时空查询的优化问题。 综上所述，已有的时空语义和时空数据建模研究存在的主要问题有： （综上所述，已有的时空语义和时空数据建模研究存在的主要问题有
16、： （1）缺乏表示和查询时空变化的完备方法； （）缺乏表示和查询时空变化的完备方法； （2） 缺乏对连续时空变化和离散时空变化的统一支持； （） 缺乏对连续时空变化和离散时空变化的统一支持； （3） 缺乏有效的实现方法。） 缺乏有效的实现方法。 本课题统一解决上述三个问题，研究目标是探索可以完备描述和操纵时空数据与时空变化的通用的统一时空数据模型及其实现技术，以适应各种时空应用的迫切需求，并可为时空数据库技术的发展提供新思路和理论依据。 本课题组已经对时空语义和时空数据模型进行了系统研究，并建立了时空变化的一个分类体系和描述框架，其特点是可以完备描述各种时空变化，它为建立完备的时空语义模型提供
17、了基础。而事物的本质语义是本体的研究基础， 因此， 我们已有的时空语义研究为时空本体的设计奠定了基础。本课题拟从本体论的角度出发，构造既可以表示时空数据同时又包含时空变化表示的时空本体，建 国家自然科学基金申请书 第 7 页 版本 1.011.715 立基于本体的时空语义模型，进而设计时空本体的逻辑数据结构、逻辑查询操作以及一致性维护策略，并结合约束理论解决连续时空变化建模难题，最终建立统一时空数据模型。在模型实现方面，我们已提出了基于对象关系数据库和中间件技术的优化型时空数据库实现结构38。实践表明这种设计思想非常适用于统一时空数据模型的实现。 3、参考文献：、参考文献： 1. Paton,
18、 N.W., Fernandes, A.A. and Griffiths, T.: Spatio-Temporal Databases: Contentions, Components and Consolidation. Int. Workshop on Advanced Spatial Databases (ASDM), 11th DEXA Workshop. A.M. Tjoa et al. (eds), IEEE Press, 851-855, 2000 2. Sellis, T.K.: CHOROCHRONOS: Research on Spatiotemporal Database
19、 Systems. DEXA Workshop 1999, 452-456, 1999 3. Gruber, T.: A Translation Approach to Portable Ontology Specifications. Knowledge Systems Laboratory Stanford University, Stanford, CA, Technical Report KSL, 71-92,1992 4. Tryfona, N., Pfoser, D.: Designing Ontologies for Moving Object Applications. Int
20、ernational Workshop on Complex Reasoning on Geographic Data. Paphos, Cyprus. 2001 5. Frank, A.U.: Ontology for Spatio-temporal Databases. In Spatiotemporal Databases: The Chorochronos Approach. (Koubarakis, M.e.a., ed.), Lecture Notes in Computer Science, Berlin, Springer-Verlag, 9-78, 2003 6. Bittn
21、er, T. and Smith, B.: Granular Spatio-Temporal Ontologies. 2003 AAAI Symposium: Foundations and Applications of Spatio-Temporal Reasoning (FASTR), AAAI Press, 12-17, 2003 7. Chomicki, J.: Spatiotemporal Data Models and Languages, ICLP 2001 Workshop Complex Reasoning on Geographical Data, Paphos, Cyp
22、rus, 2001 8. Langran, G.: Time in Geographic Information Systems M. Taylor & Francis Ltd. 1992 9. Renolen, A.: History graphs: Conceptual modeling of spatiotemporal data. In Proc. of GIS Frontiers in Business and Science C. Brno, Czech Republic: International Cartographic Association,1997 10. Claram
23、unt, C. and Thriault, M.: Toward Semantics for Modelling Spatio-temporal Processes within GIS. In Advances in GIS Research, M. J. Kraak and M. Molenaar Eds., Delft, Taylor and Francis, 47-63, 1996 11. Hornsby, K. and Egenhofer, M.: Identity-based change: a foundation for spatio-temporal knowledge re
24、presentation. International Journal of Geographical Information Science J. (3), 207-224, 2000 12. Worboys, M.: A Unified Model for Spatial and Temporal Information. The Computer Journal J. 37(1), 26-34, 1994 13. Forlizzi, L., Gueting, R. H., et al.: A Data Model and Data Structures for Moving Object
25、s Databases. SIGMOD Conference, 319-330, 2000 14. Peuquet, D. J., et al.: An Event-based Spatiotemporal Data Model (ESTDM) for Temporal Analysis of Geographical Data. International Journal of Geographical Information Systems J. (1), 7-24, 1995 15. Chen Jun (陈军), et al.: An Event-Based Approach to Sp
26、atio-temporal Data Modeling in Land Subdivision Systems. GeoInformatica J. (4), 387-402, 2000 16. 郑扣根，谭石禹，潘云鹤，基于状态和变化的统一时空数据模型. 软件学报, Vol.12(9)，1360-1365, 2001 17. 易善桢, 张勇, 周立柱. 一种平面移动对象的时空数据模型. 软件学报, Vol.13 （8） ， 16581665, 国家自然科学基金申请书 第 8 页 版本 1.011.715 2002 18. Sistla, A.P., Wolfson, O.: Modeling
27、and Querying Moving Objects. ICDE 1997, 422-432, 1997 19. Cai, M.C., Keshwani, D. et al.: Parametric Rectangles: A Model for Querying and Animation of Spatiotemporal Databases, In Proceedingd of the 7th International Conference on Extending Database Technology, 430-444, 2000 20. 王宇君，汪卫，施伯乐，区间约束及其代数查
28、询语言，计算机学报，VOL.22（5） ，550554, 1999 21. 蒋捷，陈军，基于事件的土地划拨时空数据库若干思考，测绘学报，Vol.29(1)，65-71 ，2000 22. 孟令奎，赵春宇，林志勇，黄长青，基于地理事件时变序列的时空数据模型研究与实现.武汉大学学报(信息科学版). Vol.28(2)，202-207， 2003 23. 尹章才，李霖，艾自兴， 基于图论的时空数据模型研究 ，测绘学报，Vol.32（2） ，168-172，2003 24. 曹志月，刘岳，一种面向对象的时空数据模型，测绘学报，Vol.31(1)，87-92,2002 25. 易宝林，冯玉才，曹忠升，基
29、于对象对象行为的时空拓扑模型，小型微型计算机系统，Vol.24(6)，1046-1049，2003 26. Torp, K., Jensen, C.S., and Bohlen, M.H.: Layered Implementation of Temporal DBMSs -Concepts and Techniques. In Proceedings of the 5th International Conference On Database Systems For Advanced Applications, Melbourne, Australia, 371-380, 1997 27.
30、 Torp, K., Jensen, C.S., and Snodgrass, R.T.: Stratum Approaches to Temporal DBMS Implementation. In Proceedings of IDEAS, Cardiff, Wales, 4-13, 1998 28. Yang, J., Cheng, H., Ying, C., and Widom, J.: TIP: A Temporal Extension to Informix, In Proceedings of the ACM SIGMOD, Dallas, Texas, 2000. 29. Bl
31、iujute, R., Saltenis, S., Slivinskas, G. and Jensen, C.S.: Developing a DataBlade for a New Index, ICDE 1999, 314-323, 1999 30. G. Slivinskas, C. S. Jensen, and R. T. Snodgrass. Adaptable Query Optimization and Evaluation in Temporal Middleware. In Proceedings of ACM SIGMOD, Santa Barbara, CA, 12713
32、8, 2001. （二）项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题（二）项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题 1、研究目标：、研究目标： 本项目的主要研究目标是： （1）提出表达时空本质的时空本体，建立基于时空本体的时空语义模型，并进而提出统一时空数据模型，为通用型时空数据库的设计与实现奠定基础； （2）提出统一时空数据模型的优化型实现结构及实现方法， 提高时空查询效率， 更好地满足时空应用的实际需求；（3）通过实验论证统一时空数据模型的适用性和实用性，为时空数据库理论的发展与应用提供新线索。 2、研究内容：、研究内容： 针对上述研究目标，本项目拟首先对时空语义进行深入的分析，进
33、而研究出基于本体的时空语义模型和统一时空数据模型，最后提出有效的实现技术并进行实验验证。具体研究内容如下： （1） 时空语义分析时空语义分析：从时空应用入手，以面向对象理论为基础对时空变化进行系统分类，研究各类时空变化的概念性描述方法，建立可以完备描述各类时空变化的时空语义描述框架。 （2） 基于时空本体的时空语义模型基于时空本体的时空语义模型：分析时空对象与时空变化的内在联系，以时空语义分析为 国家自然科学基金申请书 第 9 页 版本 1.011.715 依据设计集成时空数据与时空变化的时空本体，进而提出适合不同时空应用的时空语义模型。具体研究内容包括时空本体的形式化描述方法、时空本体的层次
34、化设计、时空语义模型的符号化模型以及与应用的集成方法。 （3） 基于基于ADT和约束理论的统一时空数据模型和约束理论的统一时空数据模型：以时空语义模型为基础，建立时空本体的逻辑数据结构，设计数据结构上的代数操作，并对数据结构和代数操作上的一致性约束进行分析，建立具备通用性和完备性的统一时空数据模型。具体研究要点包括： 1）基于约束理论的连续时空变化建模方法）基于约束理论的连续时空变化建模方法。研究基于约束理论的连续变化表示以及连续变化的查询等问题。 2）统一时空数据模型的数据结构）统一时空数据模型的数据结构。数据结构主要包括以下几种：时空对象的数据结构；时空拓扑的数据结构，即时空对象之间的空间
35、拓扑结构变化；时空对象的空间属性数据结构；时空变化的数据结构。 3）时空查询代数3）时空查询代数：主要包括：空间代数操作；时态代数操作，主要是时态拓扑操作；时空代数操作，主要是时空拓扑操作；统一时空数据模型上的时空选择、时空连接、时空聚集等查询操作。 （4） 统一时空数据模型的实现方法统一时空数据模型的实现方法：主要研究以对象关系数据库技术为基础，结合中间件技术的时空数据库实现方法。主要研究内容包括： 1）统一时空数据模型与对象关系数据库的映射方法1）统一时空数据模型与对象关系数据库的映射方法：将形式化定义的统一时空数据模型通过一定的算法映射成对象关系数据库中的扩展结构。 2）时空查询处理的体
36、系结构2）时空查询处理的体系结构：主要包括时空查询处理的流程以及输入输出。整个体系结构拟采取基于对象关系型数据库管理系统的中间件技术，建立专门进行时空查询处理的中间件，对时空查询进行分析、优化，并将优化后的查询交给底层的对象关系数据库管理系统处理。 3）时空查询优化算法3）时空查询优化算法：对时空操作的代价进行估计，使时空查询在进行等价转换时可以采用基于代价的优化策略。设计时空查询的等价转换规则，通过时空查询转换规则将初始的时空查询代数计划转换为预计更优的查询代数计划。不同的时空查询可以应用的时空查询转换规则有所不同，因此在查询计划转换中需要定义时空查询的查询特性，并根据查询特性来决定转换规则
37、的应用。 4）时空查询处理中间件4）时空查询处理中间件：主要研究时空查询处理中间件的系统结构和时空查询处理方法。中间件接收时空查询语句，并进行查询分析和优化，并执行部分的查询处理工作，和底层的 DBMS 一起完成整个时空查询处理工作。 3、拟解决的关键问题：、拟解决的关键问题： （1） 连续时空变化的表示连续时空变化的表示：连续时空变化的表示是时空数据建模中的难点问题。位置的连续变化表示相对容易一些，但区域的连续变化表示迄今仍是一个难题。由于计算机系统并十分适合处理连续型数据，因此，将连续的时空变化映射到离散的计算机世界中需要创新的方法。 （2） 时空查询优化时空查询优化：由于时空数据的复杂性
38、，时空查询优化有别于传统的查询优化方法。对于时空数据库管理系统而言，时空查询优化的好坏直接决定着整个系统的效率和实用性，因此，这一问题是本课题要解决的关键问题之一。 （3） 时空语义描述框架的建立时空语义描述框架的建立：时空语义分析是统一时空数据建模的前提，主要难点在于时空语义的完备描述。不同时空应用所蕴含的时空语义存在较大差别，如风暴预测需要描述风暴（区域）的连续时空变化，而地籍管理则只需要描述地块（区域）的离散时空变化。目 国家自然科学基金申请书 第 10 页 版本 1.011.715 前国内外还未提出系统化的描述框架， 该问题的解决将为建立统一时空数据模型奠定基础。 （4） 时空本体的层
39、次化表示时空本体的层次化表示：时空本体是统一时空数据模型的重要基础。现实世界中的本体是与领域相关的，而时空对象的结构、语义都比一般领域要复杂，因此时空本体需要建立一种层次化表示结构。如何建立这种表示结构是本课题要解决的另一关键问题。 （三）拟采取的研究方案及可行性分析（三）拟采取的研究方案及可行性分析 1、研究方法：、研究方法： 本课题主要利用本体论的思想揭示时空对象与时空变化之间的内在联系， 分析时空变化的类型，研究各种时空变化的描述方法，建立可以完备描述时空数据和时空变化的基于本体的时空语义模型，并采用约束理论探讨连续时空变化建模机制，以扩展的对象关系数据模型为基础建立统一时空数据模型。并
40、结合目前先进的对象关系数据库技术和中间件思想实现时空数据库管理系统，从通用性和实用性的角度探索时空数据库技术的发展方向。 2、技术路线：、技术路线： （1）时空语义完备性描述框架的建立）时空语义完备性描述框架的建立 时空语义完备性描述框架的建立从两个方面入手，即时空变化的描述框架和时空对象的描述框架。 时空变化的描述 时空变化的描述：采用 AND/OR 树型结构进行描述，以是否改变时空对象标识区分时空变化为对象级时空变化（涉及时空对象标识变化，如分裂、合并等）和属性级时空变化（不涉及时空对象标识变化） 。对于对象级时空变化，采用我们在前面工作中提出的历史拓扑30显式表示。时空对象的历史拓扑通过
41、特定的数据结构记录了该时空对象与其它时空对象之间的历史关联。 对于属性级时空变化，我们采用定义在时间域上的描述子（Descriptor）隐式地表示。通过定义在时空对象不同部分上的描述子可以实现对不同类型的时空变化的描述。 时空对象表示 时空对象表示：表示为一个四元组 O = OID, A, S, HT，四个项分别表示时空对象的标识、属性描述子、空间描述子和历史拓扑。通过这一结构，将时空变化集成到了时空对象的内部，既表示了时空对象自身的属性，也表示了时空对象所特有的时空变化。 （2）时空本体与时空语义模型的建立）时空本体与时空语义模型的建立 首先根据时空语义描述框架建立时空本体的形式化文本表示，
42、 然后以 UML 类图为基本图形符号建立时空本体的图形化表示。一个时空本体定义为集合 STOG(V, E), , , N, T，其中是时空概念集合c1, c2, , cn，每个时空概念包含相应的一些属性，是一个联系的集合r1, r2, , rn，表示时空概念之间的联系，例如“ISA” 、 “PartOf”等，G是一个基于 UML 类图的图，其节点集 V 对应时空概念，边集 E 对应时空概念之间的联系，节点集 V 与时空概念集之间通过函数集 N建立映射关系，边集 E 与联系集之间通过函数集 T 建立映射。 （3）统一时空数据模型的建立）统一时空数据模型的建立 统一时空数据模型以对象关系数据模型为
43、基础进行设计。其核心思想就是对对象关系数据模型进行时空扩展，通过扩展的抽象数据类型及其操作来实现时空数据管理。 统一时空数据模型中的一个关键问题是时空变化的表示。时空变化以特定的时空数据类型来表示。对于离散型时空变化，我们采用离散时空数据类型表示，该数据类型通过时间分段技术以序对（region, period）表示时空变化。对于连续型时空变化，我们采用基于约束矩形的近似方法来表示。 国家自然科学基金申请书 第 11 页 版本 1.011.715 一个约束矩形表示了一个矩形在一个时间区间里的连续时空变化。对于连续变化的时空对象，我们将其表示为一个约束矩形的集合（见图 1） ，通过约束矩形上的变化
44、来表示连续时空变化。涉及的算法主要有两个，一是将给定的连续变化的时空对象的一个快照表示为约束矩形集合，二是通过给定的两个时空对象的快照建立时空对象的约束矩形之间的映射。 图 1： 时空对象的一个快照表示为约束矩形集合 （4）统一时空数据模型的实现方法）统一时空数据模型的实现方法 基于统一时空数据模型的时空数据库管理系统（STDBMS）的体系结构如图 2 所示。目前较流行的时空数据库管理系统的实现结构是基于对象关系数据库管理系统的扩展型结构， 该结构对应于图 2 中最右边的结构。对象关系数据库技术虽然提供了 ADT 和用户定义操作的扩展，但它的查询处理器不提供扩展能力，因此使得时空查询的效率较低
45、，难以满足实际需求。图 2 的结构在扩展结构之上添加了“时空查询处理中间件”层，由时空查询处理中间件来负责时空查询处理，完成时空操作的代价估计、时空查询的重写以及优化等任务，从而增强 STDBMS 的时空查询处理能力，使其更适合时空应用的需求。 图 2： 统一时空数据模型的实现结构 3、可行性分析：、可行性分析： （1）关于时空本体和时空语义模型的建立）关于时空本体和时空语义模型的建立：本体论在时空信息集成、时空推理等领域被广泛用于表达时空数据的一致视图，是表达时空语义的理想工具。本课题组成员已经在时空语义研究上取得了一定的成果，提出并证明了时空语义的完备性描述框架。时空本体的关键在于其对时空
46、语义的描述能力，因此，在本课题组已有的时空语义研究基础上，建立同样具有完备的时空语义描述能力的时空本体是完全可行的。另外，我们在时空本体的形式化表示结构中引入了图，这种图结构与UML 类图的结构具有很大的相似性， 因此， 建立基于时空本体和 UML 类图的时空语义模型也同样是可行的。 （2）关于统一时空数据模型的建立）关于统一时空数据模型的建立：统一时空数据模型以对象关系模型为基础，以时空关系、时空元组和时空 ADT 为基本的数据结构， 以时空关系上的扩展关系代数操作以及时空 ADT 上的时 国家自然科学基金申请书 第 12 页 版本 1.011.715 空操作为数据操作，以对象关系模型的数据
47、约束为基础扩展时空约束，完全符合数据模型的研究框架。另外，统一时空数据模型以本课题组已取得的时空语义研究和基于时空本体的时空语义模型为基础，其表达能力和完备性可以得到保证，可以表示各种时空变化，具有通用性。在基于对象关系模型的时空数据模型方面，本课题组已经取得了一定的成果，对时空数据模型的时空 ADT 设计、时空操作算法以及模型的形式化定义等问题进行了较深入的研究。此外，本课题组提出的基于约束矩形的连续时空变化建模方法克服了已有方法的缺点，可以更有效地表示连续时空变化。我们在这方面已进行了相应的算法研究，已取得了初步成果。因此，本研究利用对象关系数据模型和基于时空本体的时空语义模型建立统一时空
48、数据模型是可行的。 （3）关于统一时空数据模型的实现方法）关于统一时空数据模型的实现方法：时空数据模型难以实现是目前时空数据模型研究中存在的一个主要问题。本课题组首先采用基于对象关系数据库管理系统的统一时空数据模型实现方法。这一方法充分考虑了实现和应用的可行性：统一时空数据模型的扩展时空 ADT 以及时空操作可以有效地映射到对象关系数据库管理系统中进行实现。另外，中间件方法目前在时态数据库领域已被实验证明可以有效改进时态查询的效率38，时空数据库与时态数据库在数据复杂性方面具有很大的相似性，本课题组对基于中间件的时空数据库体系结构已进行了仔细的可行性分析，取得了阶段性成果。因此，采用中间件方法
49、实现时空查询处理是可行的。 综上所述，我们的研究方案从理论到实践都是可行的，研究方案中所涉及到的方法和技术均已有一定的研究基础，预计可以实现本项目的预期目标。 （四）本项目的特色与创新之处 （四）本项目的特色与创新之处 1、提出了一种新的基于 ADT 的统一时空数据模型。该模型的创新之处可归纳为三点： （1）首次引入本体用于时空数据建模，建立了完备描述时空语义的形式化时空本体； （2）可以完备表示和查询各种时空变化，克服了已有时空数据模型在时空变化建模上的缺陷； （3）支持离散时空变化和连续时空变化的统一建模，采用约束理论通过约束矩形方法解决了时空数据库中连续时空变化建模这一难点问题。 2、提
50、出了基于中间件的优化型时空数据库实现结构。 时空查询处理中间件解决了已有实现方法缺乏时空查询优化的缺点，通过时空操作代价分析、时空查询转换规则设计以及时空查询优化算法对时空查询进行高效处理，提高时空查询效率，使时空数据库更符合实际应用的需求。 （五）年度研究计划及预期研究结果（五）年度研究计划及预期研究结果 1、年度研究计划、年度研究计划 2005.012005.12： （1）研究各类时空变化的概念性描述方法，建立可以完备描述各类时空变化的时空语义描述框架。 （2）分析时空对象与时空变化的内在联系，设计集成时空数据与时空变化的时空本体，建立时空本体的形式化逻辑表示。 （3）建立基于时空本体的时
