（地图学与地理信息系统专业论文）tgis时空数据模型研究.pdf

中南人学硕士学位论文摘要 摘要 时态g i s ( t e m p o r a lg i s ) 是g i s 研究的重要领域和热点问题。而 有效地组织、管理和完善时态地理对象的属性、空间和时间语义，则 是重现历史状态、跟踪变化、预测未来的关键。因此，时空数据模型 是时态g i s 研究的重要内容之一。开展时空数据模型的研究具有重要 的理论与实际意义。论文的主要工作与结论如下： 在深入分析与总结时态g i s 和时空数据模型基本原理的基础上， 分析和阐述了现有时空数据模型的特点和不足，针对现有模型的不 足，提出了改进的基态修正时空数据模型。该模型有效降低了数据冗 余，提高了时空操作的效率。 以本文提出的模型为基础，设计了时空数据库结构，该时空数据 库有三个部分组成，第一部分是快照库，用于存储最初始状态的快照， 第二部分是差文件库，用于存储每次发生变化时的差文件，第三部分 是基态库，存储基态相对于最初始状态的差文件，以此来提高时空操 作的效率。 在此时空数据库基础之上，设计与开发了时态g i s 试验系统， 实现了时空对象的历史追踪以及历史状态重现的功能。验证了本文提 出的时空数据模型的适用性，以及设计的时空数据库的合理性。 关键词：时态地理信息系统，时空数据模型，基态修正 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t t e m p o r a lg i s ( t g i s ) 1 st h ei m p o r t a n td o m a i n sa n dh o ti s s u e si nt h e g i sr e s e a r c h t o o r g a n i z e ，m a n a g ea n dc o n s u m m a t et h et e m p o r a l g e o g r a p h yo b j e c t sa t t r i b u t e ，s p a c ea n dt e m p o r a ls e m a n t i c s ，i ti st h ek e y t or e p r o d u c et h eh i s t o r i c a ls t a t u s ，t r a c kc h a n g ea n df o r e c a s tt h ef u t u r e t h e r e f o r et h es p a t i o - t e m p o r a ld a t am o d e li so n eo ft h ei m p o r t a n tc o n t e n t s i nt h et e m p o r a lg i s i th a st h e i m p o r t a n tt h e o r e t i c a l a n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et oc a r r yo u tt h es t u d yo ft h es p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e l t h e m a i nw o r ka n dc o n c l u s i o na r ea sf o l l o wi nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h et e m p o r a lg i sa n dt h es p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e l e l e m e n t a r yt h e o r y , t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h ea d v a n t a g ea n ds h o r t a g eo f t h es p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e l s t om a k eu pt h ed e f e c t ，t h i s p a p e r i m p r o v e da n dp r o p o s e das p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e l sb a s e do ns t a t ew i t h a m e n d m e n t c o m p a r i n gw i t ht h ee x i t e ds p a t i o - t e m p o r a ld a t am o d e l s ，t h i s m o d e lc a ns a v es t o r a g es p a c ea n di m p r o v et h er e s u m i n gs p e e d o nt h a tb a s i so ft h ed a t am o d e l p r o p o s e d i nt h i s p a p e r , s p a t i o t e m p o r a ld a t a b a s ew a sd e s i g n e d ，t h i sd a t a b a s ei sc o m p o s e do f t h r e ep a r t s ，t h ef i r s tp a r ti st h es n a p s h o td a t a b a s e ，t os t o r eas n a p s h o to f t h ei n i t i a ls t a t e ，a n dt h es e c o n dp a r ti sd e l t a - f i l ed a t a b a s e ，t os t o r et h e d e l t a f i l e ，a n dt h et h i r dp a r ti sb a s es t a t ed a t a b a s e ，t os t o r et h eb a s es t a t e d e l t a f i l e o nt h eb a s i so ft h es p a t i o - t e m p o r a ld a t a b a s e ，a ne x p e r i m e n t a ls y s t e m h a sb e e nd e v e l o p e di nt h i sp a p e r , t h i se x p e r i m e n t a ls y s t e mh a sa c h i e v e d h i s t o r yt r a c k i n ga n dh i s t o r i c a ls t a t u sr e c u r r i n g s ot h ea p p l i c a b i l i t yo ft h e s p a t i o - t e m p o r a ld a t am o d e lp r o p o s e di nt h ep a p e ra n dt h er e a s o n a b l eo f t h ed e s i g no fd a t a b a s ea r ev e r i f i e d k e yw o r d s ：s p t i o t e m p o r a lg i s ，s p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e l ，b a s e s t a t ew i t ha m e n d m e n t 中南大学硕士学位论文图表索弓 图表索引 图1 1 地理实体构成2 图2 1 四维时空数据模型9 图2 2 序列快照模型10 图2 3 基态修正时空数据模型1 1 图2 4 面向对象时空数据模型基本框架( 据曹志月) 1 2 图2 5 全信息对象时空数据模型( 据黄杏元等) 1 3 图2 - 6 特征数据1 4 图2 7 基于特征时空数据模型框架1 4 表2 1 时空数据模型对比表16 图3 1 基态修正模型的方法a 1 9 图3 2 基态修正模型的方法b 2 0 图3 3 基态修正模型的方法c 2 0 图3 4 基态修正模型的方法d 2 0 图3 5 基态修正模型的方法e ( 据曹志月) 2 1 图3 - 6 基态修正模型的方法f ( 据张宝钢等) 。2 1 图3 7 基态修正模型的方法g ( 据张宝钢等) 2 1 表3 1 基态修正方法数据量大小对比2 3 图3 8 基态修正模型的方法h 2 3 图4 1 数据建模过程2 6 图4 2 地理实体的基本特征2 8 图4 3 地理实体的三种语义2 8 图4 - 4 线形时间模型3 0 图4 5 单向线性时间模型3 0 图4 - 6 周期时间模型3 0 图4 7 分支时间模型3l 图4 8 地理实体时空过程3 3 图4 - 9 时空变化类型( 据n i k o sp e l e k i s 等) 3 5 图4 1 0 数据结构的复杂度与冗余度之问的消长关系3 6 图4 1 1 对象粒度与数据冗余、系统复杂性之间关系示意图3 7 图4 1 2 时空数据库层次结构3 8 表4 1 快照属性表结构3 9 表4 2 差文件属性结构3 9 表4 3 基态表结构3 9 v 中南大学硕士学位论文 图表索引 图5 1 土地利用变化过程4 3 图5 2 实验系统结构4 4 图5 3 实验系统主界面4 5 图5 4 对象及9 在9 月1 0r 的状态4 6 图5 5 对象及9 在1 2 月1 0r 的状态4 6 图5 - 6 整个图层在1 1 月1 0 同的状态4 7 图5 7 整个图层在1 2 月3 0 日的状态4 7 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在在论文中作了明确的说 明。 储躲苹址眺边年月上日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：蠡盟导师签名煎嘿卫年月 中南大学硕+ 学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是一种专门用于采集、 存储、分析和表达空间数据的信息系统，既是表示、模拟现实世界和进行空间数 据处理分析的工具，也是- f - j 关于空间信息处理分析的科学技术，有时还可看作 是人们用于解决空间问题的资源。空间、属性、时间是地理现象的三个基本特征 或数据库的三种基本数据成分。空间特征着重描述地理实体在地球表面及附近的 空间分布，属性特征着重描述地理实体的质量和数量信息，而时间特征则着重描 述地理实体时间尺度和时态关系【l 】。然而，目前国内外大多数g i s 的在本质上均 属静态g i s ( s t a t i cg i s ，s g i s ) ，主要适用于记录和表达某一时刻空间实体状态 及相互关系的静态分布，难以有效地描述和表达空间实体及其相互关系的时空变 化，但是g i s 描述的现实地理世界永远处于动态变化之中，这就意味着s g i s 在 空问、时间上表达这些动态变化现象存在理论缺陷。为了解决这一难题，近十几 年来国际学术界开始研究和发展能够用于描述和表达时空变化的g i s ，即时态 g i s ( t e m p o r a lg i s ，t g i s ) 。t g i s 能表达、组织、管理、操作包括时间、空间和 属性关系在内的时空数据，能重建历史状态，跟踪变化和预测未来。t g i s 保留、 积累地理实体过去事件有关的信息，这将有助于得到更高层次的科学概念和进行 更深入的科学研究。因此，对的研究是g i s 理论发展的需要。 为了更好地理解自然过程、人为过程及两者之间的相互作用，需要集成过程 分析与多尺度的过程分析方法。现在正用全球循环模型研究大气变化、海洋变化 及全球变暖问题，还有，为了更详细考察、理解城市尺度与区域尺度上人和环境 间的动态交互过程也非常重要。扩展理论也已经应用到许多领域，包括农业革新、 政治动荡传播以及a i d s 的传播。这些过程研究都需要分析其时间变化和剖析其 变化模式，以洞悉其间的因果关系【2 】，还有在诸如地籍变更、环境监测、城市演 化、交通管理、地震救援、数字地球等领域都需要有效保存并管理历史变化数据， 以便将来重建历史状态、跟踪变化、预测未来、这就要求在实现对传统g i s 中 空间数据进行组织、管理、操作的同时，还能对空间数据的历史演变过程进行模 拟或回溯，跟踪和分析空间信息随时间变化【2 】。因此，对t g i s 的研究也是实际 应用的需求。目前，计算机大容量的存储器，有线或无线高速宽带网络的数据传 输和通信能力，卫星定位系统( g p s 等) 和地球观测系统( e o s ) 等时态地理数 据采集手段，为t g i s 的建立提供了外部条件【。卫星遥感数据的出现和其它时 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 空观测数据的积累，也为研究大尺度、复杂的地理时空过程提供了可能 3 】。同 时由于计算机和数据库等技术飞速发展，为t g i s 提供了有效、灵活的数据存储 和访问方法，这也为t g i s 的研究提供了有利条件。 1 2 研究意义 1 2 1 地理实体的复杂性 世界是动态的随时间不断变化的，任何事物和现象都遵循着诞生、成长、衰 退、消失或死亡的自然规律。空间、时间和属性构成了地理实体的三个基本要素。 地理实体的时间、空间和属性三要素具有不可分割性，即只有对地理实体的时间、 空间和属性完整表达才能揭示地理现象的特征和规律。由此可以认为时态地理信 息是由空间、时间和属性三种基本成分构成【4 】，如图1 1 所示。地理信息属于空 间信息，它具有空l 日j 特征；地理信息包含各种专题和属性，它具有多维结构特征； 地理信息除了具有空间和属性特征外，还有明显的时序特征，即动态变化特征。 这就要求及时采集和更新它们，并根据多时相的数据和信息来寻找随时间变化的 分布规律，进而对未来作出预测和预报。由于地理实体本身的这种复杂性，对地 理实体完整的表达就成为了一个难点，t g i s 的研究之所以是g i s 领域研究的一 个难点，也是基于上述原因。 图l - l 地理买体构成 1 2 2 传统g i s 在支持时态上的不足 传统的地理信息系统是建立在二维或二点五维的基础上【5 j ，是对现实世界的 静态的快照式的表达，只是对当前状态进行快照式的描述，状态更新时，旧数据 被删除或被孤立的备份【6 1 。它主要集中于对空间数据的分析、处理。所以传统 g i s 是以静态的方式来表现动态的现实世界，时间和空间往往是分离的，这种“分 离”不能反映时空统一的地理现象，由于传统g i s 的这点缺陷，在当前的应用 中遇到的许多新的挑战。 1 2 3 时态g is 的现实需求 随着全球变暖、生态环境的恶化、水资源短缺等近现代以来出现的胁迫人类 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 生存问题的出现，使我们重新审视人类活动对自身生存环境的影响。由此启动了 一系列国际性的跨学科研究计划。其中的一项重要内容是研究复杂的大尺度时空 过程的演变机制。当今先进的遥感技术为这种研究提供了丰富多样的数据源，但 g i s 却因为缺乏时空数据分析处理能力而成为制约进一步深入研究的瓶颈【7 】。在 各个社会管理部门，许多新的应用领域和应用目的也对g i s 提出了保存历史数 据并提供历史查询与分析的功能等新的要求。在诸如地籍变更、环境监测、城市 演化、交通管理、地震救援、数字地球等领域都需要有效保存和管理历史数据， 以便将来重建历史状态、跟踪变化、预测未来以及在此基础上进行时空推理和因 果分析。 总之，地理实体的复杂性，决定了t g i s 的研究是g i s 领域研究的难点，传 统g i s 在支持时态上的不足以及现实应用中对时态处理能力的需求造就了t g i s 的研究是g i s 领域研究的热点。因此t g i s 的研究不仅可以完善和发展g i s 的理 论，同时也可以满足应用领域的需求，所以说对t g i s 的研究有着重要的理论价 值和现实意义。 1 3 时态g i s 研究现状 随着g i s 相关学科的发展和计算机技术的进步，已经具备了解决上述问题 的初步条件。近些年来，大容量存储设备的出现及其性价比的大幅度提高，使得 保留的海量历史数据成为可能。同时，数据库技术特别是时态数据库技术的发展 则为这些功能的实现提供了基本的理论预备和应用范例。上述因素的交合促使 g i s 中时态问题的研究成为近十余年来持久不衰的热点，但是由于时空认知的模 糊性、时空表达形式的多样性和时空数据的复杂性，这个领域的问题远比单纯的 时态数据库要复杂得多，以至于相关研究至今仍然停留在百家争鸣的理论探索阶 段。在时态g i s ( t e m p o r a lg i s 简称t g i s ) 的研究中，如何有效地组织和存贮 时空数据是解决上述问题的关键【8 】，时空数据库是t g i s 的组织核心，时空数据 模型又是时空数据库的基础，所以长久以来，对t g i s 的研究主要集中在对时空 数据模型研究上 5 1 。 时空数据模型问题包括了属性数据的时态问题和空间数据的时态问题两个 方面，前者早在2 0 世纪7 0 年代初就已经引起了计算机科学领域特别是数据库研 究领域的学者的兴趣。例如，1 9 7 0 年gw i e d e r h o l d 和j ef r i e s 在他们开发的医 疗信息系统中就对时态信息管理作了最初的尝试【9 】。到8 0 年代，数据库技术的 日益成熟和大容量高速存储设备的发展为时态数据库技术的研究创造了条件，该 领域的研究更是备受关注。从1 9 7 1 年到1 9 8 6 年，相关论文的数量大幅增长【1 0 1 。 到1 9 9 3 年初己达到7 0 0 多篇【9 】，由此可见一斑。对时态数据库近三十年来的研 中南大学硕士学位论文第一章绪论 究工作，该领域的著名学者唐常杰总结为“三多三少 【l l 】：即数学模型多，原型 实现少；理论研究多，应用研究少；以模型划分的学术门派多，支持时态数据库 产品的厂商少。 而空间数据的时态问题或者说真正是g i s 的时态问题直到8 0 年代末才引起 注意，但很快就得到了有关学者的重视。1 9 8 8 年到1 9 8 9 年，美国学者g a i ll a n g r a n 连续发表了四篇文章讨论g i s 中的时态问题【1 0 1 2 1 3 1 4 1 ，并于1 9 8 9 年完成了第 一篇题为“t i m ei ng e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s ”的博士论文，从此揭开了t g i s 研究的序幕。此后更多的学者相继参与t g i s 的研究，并取得了卓有成效的研究 成果。到19 9 4 年，美国l o u i s i a n a 大学的a 1 t a h ak k 等人在i n t e r n a t i o n a lj o u r n a l o f g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m s 杂志上发表了一篇文章，罗列出了研究时空 数据库的1 5 8 篇文章【1 5 】。 t g i s 已成为今年来国际上g i s 研究的热点课题，尤其是时空数据模型的构 建成为大家关注的焦点。t g i s 的研究也得到了许多研究机构的重视，如欧洲科 研开发d g x i i 委员会发起的“欧洲时空数据库系统研究人员培养与交流网络项 目 ，美国国家地理信息分析中心( n a t i o n a lc e n t e ro fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n a n a l y s i s ，n c g i a ) 大学分部将“g i s 中的时空推理”列为十大最有潜力的研究课 题，并由m a xj e g e n h o f e r 领导该研究小纠1 6 】。1 9 9 6 年美国地理信息科学大学 联盟( u n i v e r s i t yc o n s o r t i u mf o rg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns c i e n c e ，u c g i s ) 将时态 g i s 作为“地理描述扩展”的一部分列入地理信息科学十大优先研究领域【1 7 】。 “与世界各国的同行相比较，中国学者在这方面的研究起点是早的，成效 也是明显的 【l 引。我国学者对时空数据模型的研究也做出了不小的贡献，陈军 教授、史文中教授、舒红博士、李小娟博士、李红旮博士、王小栋博士等都在时 空建模，时空语义、时空数据关系等方面做出了十分有益的探索。在舒红、陈军 等在其综述文章中还列出了其他很多相关的学术活动和成立的学术组织【1 6 1 9 1 。 陈军教授继1 9 9 6 年当选为国际摄影测量与遥感学会( i n t e r n a t i o n a ls o c i m i o no f p h o t o m e t r ya n dr e m o t es e n s i n g ，i s p r s ) 第n 委员会( 测量与地理信息系统) 第3 工 作组( 空间数据库的时态特征与数据更新) 的组长之后，又于2 0 0 0 年当选为该学 会第1 i 委员会( 数据处理、分析和表达的系统) 的主席，基于影像的地理信息生产 和更新系统的设计是该委员会的主要任务之一。 从1 9 8 9 年至今的十多年来，g i s 界和计算机科学界都分别从不同的方向对 g i s 中的时态问题作了大量的研究工作，并取得了许多重要成果，但成熟的t g i s 模型与商品化的时空分析模块仍未出现【2 0 1 。对于该问题的研究现状，李德仁等 通过总结2 0 0 0 年7 月召开的工s p r s 第十九届大会上该专题的报告，给出的一 个结论是：“时空g i s ，或多维动态g i s 问题，仍是一个十分重要而又十分困难 4 中南人学硕士学位论文第一章绪论 的问题，有关的报告不少，但仍偏重于理论【2 l 】 。尽管时态数据库和空间数据库 这两个领域都己经具有了较长的研究历史，但是时间具有其特殊性，“时空 不 能简单地等于“空间 加上“时间”，也就是说，我们原先取得的分别适合于空 间数据库和时态数据库的理论和方法，并不能自然地结合为适合于时空数据库的 理论和方法，重新开辟第三条途径也有其必要性【2 1 1 。 1 4 论文目标与结构 1 4 1 论文目标 a 运用一种时空数据模型的分类方法，将国内外现有常用的时空数据模型分 类，并回顾分析各类时空数据模型的优缺点。 b 针对现有时空数据模型在时空操作的复杂性与时空数据冗余上难于取得 平衡的这一不足之处提出一种改进的基态修正时空数据模型。该模型不仅厶匕e , 厶匕1 5 e , 够 简化时空操作，并且可以使数据冗余得以减少。 c 从分析时空建模的过程、建模基础以及建模的关键入手，设计一个适用于 改进的基态修正时空数据模型的时空数据库。 d 在时空数据库的基础之上，开发实验系统验证上述时空数据模型的适用性 以及时空数据库设计的合理性。 1 4 2 论文结构 本文的思路是：通过对现有时空数据模型的分析，找出现有模型存在的不足 之处，针对现有时空数据模型的某些不足之处，提出一种能够弥补该不足之处的 时空数据模型，建模实现并验证该模型的适用性，最后对本文作以总结并对时空 数据模型的发展予以展望。 本文共分六章： 第一章为绪论。阐述时态g i s 的研究背景意义以及本文的研究目标与组织 结构。 第二章为时空数据模型综述。以吴立新，史文中教授提出的时空数据模型分 类方法为标准对现有时空数据模型分类，在此基础之上回顾现有时空数据模型， 分析现有时空数据模型存在的问题。 第三章为改进的基态修正时空数据模型。本章针对时空数据模型存在的不足 提出了一种改进的基态修正时空数据模型。 第四章为时空数据建模。本章从分析时空建模的过程、建模基础以及建模的 关键入手，设计一个适用于改进的基态修正时空数据模型的时空数据库。 第五章为实验系统研究与分析。开发实验系统，验证本文提出的时空数据模 型的适用性以及时空数据库设计的合理性。 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 第六章为结论与展望。本章总结全文中的主要工作，对文中的不足之处提出 来做相关探讨，并对时态g i s 的发展进行展望。 6 中南大学硕士学位论文 第二章时空数据模型概述 第二章时空数据模型概述 自从t g i s 提出至今，对时空模型的研究，已有许多年的历史，各国学者提 出了各种各样的时空概念模型数十种，它们有的是基于栅格的空间概念表达上 的，有的则是基于矢量的空间概念表达上的，也有的是同时可以用于对栅格和矢 量空间的表达。有的模型是基于面向对象模式的，面向对象的时空模型易于同时 对栅格和矢量空间进行表达。这些模型在表达时空数据的一体化特性中各有优 劣，但都为时空数据模型的完善做出了有益的贡献，本节将首先对这些模型分类， 然后对那些在当前的研究中经常提到模型进行简单的回顾。 2 1 时空数据模型分类 空间、时间和属性是现实世界一切对象的基本组成要素。已有的几十种时空 数据模型绝大多数都是围绕着如何表达这三个要素及其相互关系而提出的。在对 时空模型的研究过程，各国学者提出了不同的时空模型，根据模型的特性也做了 不同的分类。如在p a u la l o n g l e y 与m i c h a e leg o o d c h i l d 等编著的地理信息 系统( 上卷卜原理与技术( 第二版) 把各种时空模型归纳为四大类【5 5 】： a 基于位置的时空数据表达； b 基于空间实体的时空数据表达； c 基于时间的时空数据表达； d 时空的综合表达方法。 其中，第一类：基于位置的时空数据表达的时空模型有快照模型，以及1 9 9 0 年l a n g r a n 提出的修正g i s 格网模型。而第二类：基于空间实体的时空数据表达 的模型则是现在研究较多的“矢量修正模型”( 即后面提到的基态修正模型) 与 w o r b o y sm f 提出的面向对象的时空模型等【5 7 1 。这些模型的特点是它们都显式记 录空间随时间变化，这些模型都与特定地理实体关联而不是与位置关联。第三类 的模型比较少，不太常用，主要有p e u q e n t 和d u a n 提出的基于时间的表达模型 【5 6 1 。而最后一类的模型则把增加的空间信息与独立实体关联起来，提供了记录 事件历史的方式，它可以轻松地跟踪和比较事件历史和事件类型，主要有时空复 合模型。 而国内由吴立新与史文中编著地地理信息原理与算法一书中将时态g i s 中的时空数据模型分为5 类1 2 2 】： a 时间附加型，主要包括第一范式( ( 1 n f ) 模型，非第一范式( n i n f ) 模型和时 空复合模型。 中南大学硕士学位论文第二章时空数据模型概述 b 时间新维型，主要包括立方体模型，系列快照模型，以及基态修正模型。 c 面向对象型，借鉴程序设计中的面向对象技术所形成的时空模型。 d 基于状态与变化的统一模型。 e 其他时空数据模型。 下面就以吴立新与史文中编著地地理信息原理与算法一书提出的时空数 据模型分类方法为序，对现有时空数据模型进行回顾和分析。 2 2 现有时空数据模型分析 2 2 1 时间附加型 a 第一范式模型 按第一范式方法，一个对象的历史过程需要用几个元组表达，元组中每一个 属性值必须具有时间标记。在t g i s 中，对于一个空间单元的表达，即使未发生 空间拓扑变化，而仅一个属性特征值发生变化，就必须增加一个新的元组来表示， 数据表中记录了大量重复数据【2 3 】。 b 非第一范式模型 这是相对于第一范式( i n f ) 数据库方法提出的处理非表格化复杂结构对象的 时空数据模型。非第一范式( n i n f ) 关系时空数据模型中，元组可以采用不定长和 嵌套方式，对于复杂的空间单元的变化或整个演变历史只需要一个元组来模拟。 非第一范式关系时空数据模型非常适合时态g i s 的应用。但是，由于时态数据 库一些理论问题( 如关系结构时态代数操作封闭性等) 尚未很好解决，同时又受到 可供实际应用开发的商业数据库软件的制约，目前很难采用非第一范式方法时空 数据模型开发实用运行应用系统【2 4 1 。 c 时空复合模型 时空复合模型( s p a c e - - t i m ec o m p o s i t e ) l a n g r a ng 在前人研究的基础上加以 发展的，其设计思想是将每次独立的叠加操作转换为一次性的合成叠加，或者说 由多次快照图形叠加。这样，变化的累积形成最小变化单元，由这些最小变化单 元构成的图形文件和记录变化历史的属性文件联系在一起表达数据的时空特征， 这些最小变化单元实际上也就是一定时空范围中的最大同质单元。与此相同思想 的另一个时空数据模型是w o r b o y sm f 提出来的时空对象( 狭义) 模型。这种 模型在二维平面上增加一个垂直的时间维，其基础是时空单元。所谓时空单元， 是指相同时空变化过程的最大单元。在存储上，每个时空单元被看成一个静态对 象，其时空过程则作为属性用关系表来表达。时空复合模型将系统空间分割为若 干时空单元，若时空单元发生分裂，则用新增的元组来反映新增的空间单元：时 空过程每变化一次，即在关系表中新增- - y u 时间段来表达。时空复合模型实现了 中南人学硕士学位论文第二章时空数据模型概述 用静态的属性表来表达动态的时空变化过程。 该模型一方面继承了基态修正模型的优点，另一方面，其基于空间和属性的 表达形式和g i s 的表达手段相似，易于用在矢量数据的g i s 中。在该数据模型 中，地理实体的每一次变化都单独存储，因而对时空数据的提取、分析非常方便， 其存贮容量也得到了更多的压缩。但其缺陷也十分明显，由于每一变化都会引起 地理实体的碎分，过碎的复合图形单元带来了地理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。总的看来，时空复合模型偏重于时空数据 的存储组织而弱化了时空的语义建树1 6 l 。 2 2 2 时间新维型 a 四维时空数据模型 时间立方体模型最早是由h a g e r s t r a n d 于1 9 7 0 年提出，后来r u c k e r s z e g o 等进一步对其进行了探讨【1 0 1 。时间立方体模型用二维坐标轴来表示现实世界的 平面空间，用一维的时间轴来表示平面位置沿时间的变化( 图2 1 ) 。 x 图2 - l 四维时空数据模型 这样，由二维的几何位置和一维的时间就组成了一个三维的立方体。任意给 定一个时间点，就可从三维的立方体中获取相应的截面，即现实世界的平面几何 状态。这方面的研究比较早的还有h a z e l t o n 和k e l m e l i s 分别在其博士论文中提 出了4 维时空数据模型【2 5 、2 6 1 ，郭志达等提出了矿山g i s 中四维时空数据模型时 间立方体模型【2 7 】。该模型也可以扩展用以表达三维空间的时间变化过程。 该模型的优点是对时间语义的表达非常直观，缺点是随着数据量的增加，对 立方体的操作会变得越来越复杂，以至于最终变得无法处理。 b 序列快照模型 序列快照模型，也称连续快照模型( t i m e s l i c es n a p s h o t s ) ，如图2 2 所示序 列快照模型的基本思想是将某一时间段内地理现象的变化过程，用其中间的序列 中南人学硕士学位论文第二章时空数据模型概述 快照来表达，快照间的时间间隔不一定相同。在快照模型中，时间仅仅是文件保 存时间的一个标记，内部的数据并没有包含时间这个要素，谈不上什么时空数据 组织问题，所以p e u q u e td j 认为，快照模型与其说是一种时空数据模型还不如 说是地理数据库按时间专题分层组织方式的一个别名【j9 1 。序列快照模型的优点 是非常直观和简单，是地理现象随时间变化的原始表达。在这种模型下确定t i 状态下的地理现象特征是相当容易的，但是要确定t i 状态到t i 状态下地理现象 包含的某个空间对象的局部特征变化则必须要经过大量的快照特征比较才能实 现。问题的根源在于这种模型只描述了地理现象的状态，而没有表达地理现象中 空间对象快照间的联系，其对数据的内部逻辑或完整性错误的捕获能力较差，它 实际上是一种基于位置或要素时变特征的建模方式。再者，由于序列快照模型是 对每个状态下地理现象的完整存储，故其数据的冗余是相当巨大的。 t ot 1tt 图2 - 2 序列快照模型 c 基态修正模型 基态修正模型也称之为底图叠加模型( b a s em a p w i t ho v e r l a p ) ，该方法最早是 由l a n g r a ng 在她的博士论文中提出来的，其基本思想是先确定出地理现象的初 始状态，然后按一定的时间间隔记录发生变化的区域，通过对每次变化内容的叠 加，即可得到每次变化的状态。h a z e l t o n 、k e l m e l i s 等人在点、线、面、体组成 的4 维空间里进一步完善路这种方法【2 5 _ 6 1 。刘任义等在面向对象的概念下对基 态修正时空数据模型进行了扩展和改进，提出了建立区段快速索引和变粒度索引 因子方法【2 9 1 ，以及采用历史库，过程库和现实库对时空过程和时空关系进行描 述的思路。 增加了时间维的时空数据要比没有时间维的纯空间数据要庞大的多，只存储 地理现象变化过的区域而不是整个地理现象的快照，如图2 3 ，可以显著减少这 种庞大的时空数据负担，大大地节约计算机的存储空间。 中南大学硕士学位论文第二章时空数据模型概述 圆 乡村四 城市 口 束变化 图2 - 3 基态修正时空数据模型 该模型的不足在于，较难处理给定时刻时空对象间的空间关系，且对很远的 过去状态进行检索时，几乎对整个历史状况进行阅读操作，效率很低。 2 2 3 面向对象型 面向对象的理论被引入到g i s 后，几乎所有的时空数据模型研究都转移到 这一理论框架内。面向对象的模型是基于面向对象的思想来设计的，它包括对象、 类、封装、继承和多态性等面向对象的一些基本特征。面向对象的概念，近年来 在程序设计、工程开发等许多方面显示出了其建模的巨大优越性，包括g i s 领 域。使用面向对象技术，使得将同一个空间对象的不同历史版本集成在一个实体 记录中成为可能。在面向对象的时空模型方面，人们作了大量的研究，其中比较 有代表性的是w o r b o y sm 教授。1 9 9 2 年他提出了基于三维时空特征( x ，y ，t ) 的对象 时空模型。其基本思想是，空间对象( 只考虑平面维) ，加上其时间轴信息，即构 成了一个完整的三维时空对象( s t - o b j e c t s om i c h a e lf w o r b o y s ，d o n n aj p e u q u e t 等首先关注面向对象( o b j e c t o r i e n t e d ) 技术( 简称o o 技术) 在时空数据建模中的应 用。面向对象方法的一般模式是在结点、弧段、多边形等几何要素的表达上增加 时间，考虑空间拓扑和时态拓扑关系。典型的如李春葆等提出的面向对象的时空 数据模型【3 0 】如下： t g i s = o i d ，t s ) t s = p o i n t ( t ) i l i n e ( 0 r e g i o n ( t ) ) p o i n t ( t ) = p i d ，a t t r , n i d ， t i ，t e 】) l i n e ( t ) = l i d ，a t t r , ( a i d l ，a i d 2 ，) ，【t i ，t e ) r e g i o n ( t ) = r i d ，a t t r , ( a i dl ，a i d 2 ，) ，【t i ，t e ) 基于对多种时空数据模型的总结分析，曹志月、刘岳提出了一个基于面相对 象设计思想的时空数据模型2 5 1 ，其基本框架如图2 4 所示： 中南大学硕士学位论文第二章时空数据模型概述 图2 - 4 面向对象时空数据模型基本框架( 据曹志月) 该模型的核心，是以面向对象的基本思想组织地理时空。其中对象是独立封 装的具有唯一表示的概念实体。每个地理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及与其他对象的关系。时间、空间及属性的在 每个时空对象中具有同等重要的地位，不同的应用中可根据具体关心的方面，分 别采用基于时间( 基于事件) 、基于对象( 基于矢量) 或基于位置( 基于栅格) 的系统构 建方式。 尽管面向对象技术在建模概念，理论基础和实现技术上还没有达成共识，不 够成熟，但它以更自然的方式对复杂的时空信息模型化，是支持时空复杂对象建 模的最有效手段，它的最基本优点是打破关系模型范式的限制，直接支持对象的 嵌套和变长记录。该模型的不足之处在于，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。 2 2 4 基于状态与变化的统一模型 a 基于事件的时空数据模型 由于基于状态或地理现象的时空模型( 如序列快照模型) 很难表达地理实体 的个性变化或事件发生的时间特征，人们就想到用显式的方式来直接描述事件的 时间变化特征，这就是基于事件的时空模型的基本思想。另外，p e u q u e t 和d u a n 在1 9 9 5 年对基于事件的时空模型进行了较深入的研究( p e q u e t ，d ，d u a n ，n ， 1 9 9 5 ) ，提出了一个基于栅格数据的面向事件的模型e s t d m ( e v e n t b a s e d s p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e l ) 。该模型由基态图和压缩存储的事件变化序列组成， 该模型具有空间存储的高效性和时态检索的方便性。蒋捷等分析了土地划拨过程 中审批事件发生的特点及其对时空地块状态变化的影响规律【3 引，提出描述层次 结构土地划拨事件及其与时空地块状态因果关系的方法，并借鉴主动数据库领域 中南火学硕十学位论文第二章时空数据模型概述 的研究成果对土地划拨事件及其发生过程进行形式化表达，黄杏元等提出了一种 全息对象模型( 如图2 5 ) 3 3 】，对事件序列进行编码，在事件表中增加时间标志， 事件的描述信息和与事件相关的所有发生变化的空间对象的链接。郑扣根等提出 了状态和变化统一的时空数据模型【35 。，其中提出了事件域与事件模式的概念。 郑扣根等还对事件的时空语义进行了深入的探讨【3 4 1 ，进一步扩展基于事件的时 空数据模型，使其适用于高层时态查询、时空一体化城建系统的实例。林广发等 针对g p s 中历史数据的处理【36 ，提出了一个以事件为核心的时空数据模型，实 现历史数据的回溯和再现。w a n gd o n gg e n 等对城市生活中个人的出入行为进行 建模【3 7 1 。 空例 和届 性的 瓣态 敝本 埘蒙 团- ( 巫) ( 卫( 团 争阐- 阐 i 侧枢堕酬 ；童陋到岖匦至矾篡j 基于事件的时空模型非常适合诸如“在某一时间段某一地理区域中发生了什 么事件 这类问题的查询，同时具有很好的数据内部一致性和较小数据冗余度。 该模型显式表达事件的快照，没有时间之间的拓扑关系。数据结构简单，数据库 中记录时间序列，但时空分析能力较弱。 b 基于特征的时空数据模型 特征是地理现象的高度概括( i s o t c 2 11 ，2 0 0 1 ) ，或者说地理特征是地理空 间信息的基本单元，i s o t c 2 11 中地理信息标准化是建立在特征概念模型基础 之上的，以特征为基础的模型研究成为g i s 模型研究的热点【3 8 】。当前所发展的 特征概念模型是建立在特征类型( f e a t u r et y p e ) 、特征实例( f e a t u r ei n s t a