Vol.23, No.l Jan., 2021
第23卷第1期2021年1月
地岳信息科字关
Journal of Geo-infoiination Science ”显''
引用格式：曾梦熊，华一新，张江水，等•多粒度时空对象动态行为表达模型与方法研究[J]•地球信息科学学报,2021,23(1):104-112. [ Zeng M X, Hua
Y X, Zhang J S, et al. Research on dynamic behavior expression model and method of multi-granularity spatio-temporal objects[J]. Jour nal ofGeo-information Science, 2021,23(1):104-112.] DOI :10.12082/dqxxkx.2021.200420
多粒度时空对象动态行为表达模型与方法研究
曾梦熊，华一新，张江水"，曹一冰，张政
信息工程大学地理空间信息学院，郑州450052
Research on Dynamic Behavior Expression Model and Method of Multi-Granularity Spatio-Temporal Objects
ZENG Mengxiong, HUA Yixin, ZHANG Jiangshui', CAO Yibing, ZHANG Zheng
Institute of Surveying and Mapping, In f ormation Engineering University, Zhengzhou 450052, China
Abstract: The description of spatial entities with dynamic change characteristics should include dynamic behavior as well as inherentl attributes. Traditional GIS models the inherent attributes and dynamic behaviors of
spatial objects separately, which is essentially a static modeling idea based on map. However, the multi
granularity spatio ・ temporal objects take the behavior ability as the inherent attributes of objects, which is an
important feature different from other objects, which makes the Pan -Spatial Information System (PSIS) be able
to describe the "living" geographical entities with cognitive and behavioral capabilities. This paper focuses on the description and expression of spatio- temporal entities with regularized dynamic change characteristics,
expounds the expression ideas of dynamic behaviors of multi - granularity spatio- temporal objects from the
perspective of multi-granularity spatio-temporal objects, and proposes a dynamic behavior expression model of multi- granularity spatio- temporal object individual and object world, which provides a new viewpoint for
comprehensive understanding and expression of dynamic changes of spatial objects. According to the feature of
multi- attribute staggered change, multi-object complex linkage, multi- process dynamic autonomy, In order to carry out the actual modeling of multi- granularity spatio ・ temporal object dynamic behavior, this paper
summarizes four different ways of dynamic behavior changing inherent attributes, and presents the expression
methods of dynamic behavior based on dynamics, rules, data mining and intelligence agent respectively It is
discussed. Finally, an empirical analysis is carried out in combination with practical application. The results
show that it is no longer necessary to design additional data models to integrated model the internal attributes
and dynamic behaviors of spatial entities, and the behaviors and objects are no longer separated; using the
unified dynamic behavior expression model, the behavior is not only decoupled from the object, but also
universal, inheritable and reusable; the combination of different behaviors of objects can In order to describe the complex dynamic change process of spatial entities, it provides useful experience and reference for object
收稿日期:2020-07-03 ；修回日期：2020-12-11.
基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFB0502300)。[ Foundation item: National Key Research and Development Pro
gram of China, No.2016YFB0502300.]
作者简介：曾梦熊(198 —)，男，湖南湘乡人，博士生，主要从事地理信息系统开发与应用研究。E-mail: *********************
水通讯作者：张江水(1979—)，男，河南平顶山人，博士，副教授，主要从事为地理信息系统平台及其应用技术研究。
E-mail: wat_ter@ 126
1期曾梦熊等：多粒度时空对象动态行为表达模型与方法研究105
behavior modeling in the PSIS.
Key words:pan-spatial information system;spatio-temporal objects of multi-granularity;dynamic behavior;representation model;dynamic model;behavior rules;pattern mining;Intelligent Agent
♦Corresponding author:ZHANG Jiangshui,E-mail:***************
摘要：对具有动态变化特征的空间实体的描述，除了表达其内在属性外，还应包括动态行为。传统GIS把空间对象内在属性和动态行为分开建模本质上是一种基于地图的静态建模思想，而多粒度时空对象把行为能力作为对象的固有属性，是区别于其它对象的一个重要特征，使得全空间信息系统能够描述具有认知和行为能力的“活”的地理实体。本文针对具有规则化动态变化特征的时空实体的描述与表达，从多粒度时空对象的角度，阐述了多粒度时空对象动态行为的表达思路，提出了多粒度时空对象个体和对象世界的动态行为表达模型，为全面认识和表达空间对象动态变化提供了新的视角。针对动态行为多属性交错改变、多对象复杂联动、多过程动态自主的特点，为开展多粒度时空对象动态行为实际建模，本文归纳了动态行为改变内在属性的4种不同方式，并分别基于动力学、规则、数据挖掘和智能体4个方面对动态行为的表达方法进行了探讨。最后，结合实际应用进行了实证分析，结果表明对空间实体内在属性和动态行为一体建模，不再需要设计额外的数据模型，行为与对象不再分离；采用统一的动态行为表达模型，行为不仅与对象是解耦的，而且是通用的、可继承和复用的；对象不同行为的组合，可以描述空间实体复杂的动态变化的过程，为全空间信息系统中对象行为建模提供了有益经验和借鉴。
关键词：全空间信息系统；多粒度时空对象；动态行为；表达模型；动力学模型；行为规则；模式挖掘；智能体
1引言
随着GIS的广泛应用和科技、认识水平的提高，在众多应用中，如交通出行、战场模拟、灾害预测m等，人们已不满足于对静态信息的获取，更加关注事物的空间动态过程，并日益引起人们的重视。因此，对空间对象动态变化的描述和表达是值得关注和探讨的问题。
但传统GIS以地图为模板，以点、线、面形式抽象客观世界的间接建模方式，侧重于对空间实体某一时刻静态特征的描述巴其空间数据属性基本不涉及表征实体动态变化的行为特征，在描述具有动态变化行为的时空实体（如车辆、流体）时，往往需要进行额外的数据模型设计。这种地图自身的静态特征使得传统GIS在描述具有动态行为的“活”的空间实体时存在诸多不足，难以对现实世界中的空间事物和现象进行全方位的描述，特别是不能满足描述现实世界动态变化和多能自主的要求叫全空间信息系统內（Pan Spatial Infonnation System,PSIS）的提出，为上述问题的解决提供了新的思路。PSIS的核心问题在于突破以往GIS空间数据建模理论与方法，构建面向全空间信息系统的新一代空间数据模型即“多粒度时空对象”。多粒度时空对象从时空参照、空间位置、空间形态、组成结构、关联关系、认知特征、行为特征和属性特征8个方面对空间实体进行描述，其中行为特征作为多粒度时空对象的一个鲜明特点，能够更直接地表达空间实体的动态变化过程，将传统GIS中静态的、孤立的、被动的空间对象转变为动态的、联动的、自主的多粒度时空对象。
2多粒度时空对象动态行为的表达概述
多粒度时空对象将空间实体以不同粒度进行抽象，运用基于对象的建模方法，将行为包含到对象描述中。即将空间实体在不同尺度下的位置、形态、组成、关系和属性特征作为对象的内在属性来描述，通过抽象建模时的观测值（在一定的时空参照下）来表征。把规则化的动态变化特征作为对象的动态行为来描述，通过行为模型来表征。参考虚拟实体对象行为建模的概念叫多粒度时空对象动态行为的认识模型如图1所示。
从面向对象的角度，动态行为是多粒度时空对象自身状态变化，以及和其它对象，包括与外界环境之间发生交互的规则化描述。用于表征多粒度时空对象在抽象建模以后随时间动态变化的规律、特征。
从空间认知的角度，空间实体被抽象成某一具体的多粒度时空对象以后，由于观测的原因，其内在属性都是对应于观测时刻的某一特定状态叫这是一种对过去的、静态的表示，缺少对当前的、动态的了解。对象动态行为的表达与演绎，能让用户更加充分地认识和理解空间实体的当前状态，这也是
106地球信息科学学报2021年
◎对象
□动态行为
O内在属性
f行为执行
>行为调用
从对象演进
图1多粒度时空对象动态行为认知模型
Fig.1Cognitive model of dynamic behavior of
multi-granularity spatio-temporal object
多粒度时空对象区别于其它空间对象的一个重要
特征。
对象是动态行为的主体，动态行为是对象变化
的表现。从行为主体的角度，包括单一个体的动态
行为和多对象间的联动行为；从变化结果的角度，
包括改变单一属性的动态行为和改变多属性的复
合行为。如表1所示。
表1多粒度时空对象动态行为分类及特征
Tab.1Classification and characteristics of multi
granularity spatio-temporal object dynamic behavior
对象个体对象世界
单一行为
复合行为
特点：某一个对象的其中
某一项内在属性发生变化
分类：单一个体行为
特点：某一个对象的其中
某几项内在属性都变化
分类：复合个体行为
特点：多个对象间的某一
项内在属性接续发生变化
分类：单一联动行为
特点：多个对象间的某几
项内在属性发生连琐变化
分类：复合联动行为
由于现实世界的复杂性，对象的动态行为既有
简单单一的，也有复杂复合的；既有明确具体的，也有随机自主的，集中表现为多属性交错改变、多对
象复杂联动、多过程动态自主。以多粒度时空对象动态行为表达空间对象的动态变化，首先需要构建动态行为的统一表达模型，针对不同的分类特点能以通用、规范的表达范式来描述。其次需要建立动态行为的表达方法体系，针对不同的应用场景能为动态行为建模提供方法和指引，这也是本文的重点和难点所在。
建模方法3多粒度时空对象动态行为表达模型如前文所述，多粒度时空对象动态行为建模由观测到的静态内在属性和表征变化特征的动态行为组成。受文献［9］的启发，若把对象实体记为Entity，符号E，则多粒度时空对象动态行为的表达可以标记为一个二元组：
Entity'.'.=<Properties,Behavior>(1)式中：Properties表示Entity内在属性的集合，记为Ps;Behavior表示Entity动态行为的集合，记为Bs o则式(1)可以记为：
E::=<Ps,Bs>(2)多粒度时空对象动态行为的表达，主要研究Bs 与Ps、E之间的相互作用与关系，以及如何表示。
3.1对象个体动态行为的表达模型
从对象个体的层面，E不变，主要研究Bs的表达以及对Ps的影响和关系。
根据引入的多粒度时空对象模型，空间实体可以观测到的内在属性由空间位置、空间形态、组成结构、
关联关系、属性特征5个方面组成，可以记作五元组。
Ps::=<S,D,M,G,A>(3)式中：S表示观测空间实体时在空间参照系下所处的空间位置；D表示观测空间实体时在不同尺度下的空间形态；M表示观测空间实体时不同的组成部分；G表示观测空间实体时与其它实体之间的关联关系；A表示观测空间实体时可量测的特征值。
由于对象动态行为影响和改变其内在属性，因此，对象个体的Bs可以表示为：
》B(P s,,B)(4)式中：B，表示对象个体E，的某个动态行为；Ps.表示对象个体Q的内在属性。
就某一具体行为而言，与对象个体内在属性Ps之间的关系可以由表2给出。
实际上，对象个体的动态行为由表2中的某一项或若干项表示，分别代表单一的个体动态行为和复合的个体动态行为。单一的个体动态行为仅影响和改变Ps中的某一方面，记为B，复合的个体动态行为对Ps中的多个方面产生影响，记为X s。
表2多粒度时空对象个体的动态行为
Tab.2Dynamic behavior of multi-granularity
spatio-temporal object individual
S D M G A Bs B’—S B,-^D B.-^A
注：T
指行为的影响,
1期曾梦熊等：多粒度时空对象动态行为表达模型与方法研究
107
3.2对象间联动行为的表达模型
从对象世界的层面，E 除了 Bs 对Ps 产生影响
和改变外,E 本身还会接收来自其它E 的影响和改
变。因此，对象间联动行为主要研究Bs 与Ps 以及 E 三者之间复杂的联动和关系。
根据式(2)，我们可以推论出：
^E::= <Ps ij ,'^s>
(5)
式中：Y E 表示对象世界；表示对象世界中不
同对象的内在属性；心表示对象世界中不同对象 之间的联动行为。
但根据前文的阐述以及多粒度时空对象模型 的定义，行为特征是对象的固有属性，行为是某个 作为主体的对象的行为，没有独立于对象以外的动
(6)
态行为。对象间联动行为是通过对象个体各自的 动态行为来体现的。即：
&雲(工附”心)，1?(场，阳)
提取公因式L /
/ \\
则式(5)可以改写为：
= < Ps V 工 B (B y ,(Ps ‘PS ' >
(7)
其中，工3(血,(用”阳)表示对象间的联动
行为。
对于£，和E J 2个不同的空间实体，对象间联动
行为的关系可以由表3给出。
同样地，对象间联动行为可由表3中的某一 项或若干项表示，分别代表单一的联动行为和复
合的联动行为。单一联动行为仅影响和改变特 定对象间Ps 中的特定方面，记为坊，复合联动
行为对特定对象间Ps 中的多个方面产生影响， 甚至可能产生“链式反应”，是最为复杂的动态行
为，记为工□
4多粒度时空对象动态行为表达方法
对象个体动态行为和对象间联动行为都是通
过对内在属性的影响和改变来表达和体现的，即
Bs — Ps 。因此，多粒度时空对象动态行为的表达， 重点在于探讨行为如何改变内在属性的机制，建立
起描述动态行为的规则化范式，从而能够通过动态
行为描述与表达具有多能自主的、“活”的地理 实体。
从Bs-Ps 的过程来考察，在一般逻辑上大致
可以归为4类，如表4所示。
针对上述4种类型，本文分别设计了如下4种 表达方法。
4.1基于动力学的表达方法
在某些特定问题上，空间事物和现象的动态变
化是有明确的动力学模型来表达和描述的。典型 的如表示物体运动过程的位移公式：
5 -5 = (/ - ?)x V (8)
式中：S 和S 分 别表示物体在i 和t 时刻的空间位
置；V 表示平均速度。当对运动的物体，如行驶的
汽车，进行多粒度时空对象动态行为建模时，汽车 可以被抽象为空间对象E ，把观测时的瞬间速度 (包括方向)抽象为心。，观测时的空间位置抽象为
S,。，则汽车对象动态行为可以表示为：
£::= <Ps,,B, > (9)
式中：5； = \,o ，表示随时间变化，空间位 置动态变化的行为；Ps,。表示对象建模时(=心的静 态内在属性，包括但不限于S 、和A t> o
类似的情况在专业领域同样存在，如在环境 监测领域，描述烟囱污染物扩散行为的高斯扩散
公式佝；在公共卫生领域，描述传染病时空传播行 为的流行病数学模型SIRS 叩、SIR 问等。
表3多粒度时空对象间联动行为
Tab. 3 linkage behaviors among multi-granularity spatio-temporal objects
B —S
B
严D
Bj —M Bj — G
B l S
B ” j(S,S)—(S,Q)B ”-(S,M)
(S,G)
B,^D
—(Q.s)
B ”7D,D)
B.f (D,M)
场-(DG)
(")
B ”f (MQ)
(M,G)
B —G
(G,S)
场 f(G,Q)
B ”-(G,M)
B ”f(G,G)
B,-^A
B"—S ，s )
B ”-(O
注：E t (S,S)表示对象E.的位置变化与对象E j 的位置变化之间的联动行为。
108地球信息科学学报2021年
表4多粒度时空对象动态行为改变内在属性的方式
Tab.4the ways in which dynamic behavior changes inherent attributes of multi-granularity
spatio-temporal object
性质特点定量方法
连续Bs-Ps的过程是连续的、明确的领域知识
数学建模
离散Bs-Ps的过程是离散的、须满足一定条条件判断件的规则触发
历史Bs—Ps的过程是未知的，但有大量历史统计分析样本数据数据挖掘
实时Bs->Ps的过程是实时的、动态的传感接入
实时计算
由于有明确的数学公式，动态行为的表达是完整和连续的，但现实世界中的动态行为是非常复杂的，动力学模型本身包含对动态过程的假设和简化，因此基于动力学的表达方法，其适用场景是有限的。
4.2基于规则的表达方法
不同于严谨的动力学建模，单从行为过程的角度来考察，行为往往是由一系列的规则来控制和执行的。因此，动态行为可以运用规则的方法来构建和表达叫
规则是指可以控制行为执行过程的约定和条件，记为Q，所有规则的集合记为Qs。由于规则Q，控制行为B的某一次执行，而行为B将改变Ps，因此实质上0通过对行为执行的控制，最终改变的是Ps。不妨作这样一个转换：把Q，对Ps五元组产生改变的影响大小作为向量0，的元素，则：
%2
Qi=%3（10）
«,4
0$=（0”）=:::（ID
1勺5…％
如此，规则对动态行为的影响和控制可以记为：
…a”「
Bs=QsxPs=:::D M G A）
曰5…a®
（12）再通过式（2），即可表达多粒度时空对象的动态行为。
基于规则的表达方法由于无需关心行为的动力学机理，因此非常灵活方便，也符合人们的思维方式。但由于规则往往由人为主观设定，对动态行为的表达不够严密，大多数情况下无法定量地描述动态行为的过程或结果。
4.3基于数据挖掘的表达方法
空间事物和现象的动态变化行为除了显性的规律和规则外，还可能是隐性的，暂时还未被人们所认识，隐藏在行为外在表现的背后，需要进一步地发现和挖掘。典型的应用如基于轨迹数据挖掘的交通出行行为的发现和表达"叫
从行为的观点，数据是对行为结果的表示。空间对象动态行为的结果数据最明显的特征是以时间为序列的与位置有关的属性数据连续采样，该特点非常适合于时序数据的模式挖掘。若把对象E 的行为结果数据集合记为Tr，则Tr可以表示为：
7>={Ps"eRtM0}（13）
其中Ps，表示对象E在t时刻的属性采样，可记为L（t,Ps），称为采样点。对任意两采样点L和L，记其之间的相似度。为：
p=sim（L,E）（14）式中：s沏（厶Z）表示某种距离度量（当采样点取
【亿5）时则为欧式距离）。若p<2，其中久为满足一定条件的常数（通常根据算法来人为设定），则称厶和X为满足聚类模式的点。依此循环，这个过程称之为聚类分析。
通过聚类可以提取对象E行为结果的类别及序列，结合地点、关系等属性匹配就能识别为特定的行为及行为序列，如交通出行中的通勤口、加油冋。理论上，行为都需要持续一段时间，因此特定的行为在一定时间内与某个采样点（或区间、结果类别）一一对应，考虑到行为是聚类后识别的结果，类别可以由聚类中某个合适的采样点（或加权后）表示，而由于行为的连续性，区间的起点一定是上一个行为的终点，所以区间可以由终点表示。因此，对象E 的动态行为可以表示为行为序列与采样点的映射关系：
E::=<Ps,,{B（n）}>（15）式中：{/"）}表示行为序列；B”=L（t,Ps）—vtWt”，表示行为在一定时间内与采样点的映射关系；Ps,”表示对象建模时t=t0的静态内在属性。
基于数据挖掘的动态行为表达方法，本质上是
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