（计算机应用技术专业论文）路政设施管理中时空数据库的研究与应用.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 空间、属性、时间是地理现象的三个基本特征，也是地理信息系 统( g i s ) 数据库的三种基本数据成分。传统的地理信息系统只对空间 进行静态的抽象表示，它只涉及地理信息的两个方面：空间维度和属 性维度。随着地理信息的数据量急速增长，特别是时间维度的广泛使 用，人们开始了对时态地理信息系统( t e m p o r a lg i s ，t g i s ) 的深入研 究。t g i s 能够完整地保存某一地理事件的发展历史，从而为对历史 状态的重建、时空变化的跟踪及未来发展趋势的预测提供了可能。目 前，对于t g i s 的研究已经取得了比较丰硕的成果，然而，由于时空 现象与生俱来的复杂性以及相关理论与技术的限制，该领域的研究仍 然存在很多问题。 本文首先对t g i s 的研究历史、现状、问题、根源进行了系统的 总结、归类、分析；然后结合空间和时间，引出了时空数据模型的概 念，重点讨论了现有几种时空数据模型的各自特点及其适用范围，并 分析了路政设施管理中时空数据之间的相互关系，在此基础上建立了 路政设施中的面向对象时空数据模型，分别从概念设计、逻辑设计等 方面进行分析，将时态维信息直接存储于对象的属性信息之上，这样 能够更加直观地表达数据的时空变化；最后，本文提出了基于s q l 扩 展的查询语言t s q l ，对s q l 中的谓词、函数等进行了扩充，使其更 加适合时空数据的查询，并详细分析了t s q l 中的数据定义语言( d d l ) 语句和数据操纵语言( d m l ) 语句，在具体查询中对传统的算法进行了 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s p a c e ，a t t 曲u t ea i l dt i m ea r et h e t l l r e eb a s i cc h a r a c c e r i s t i c s0 fg e o g r a p m c a l p h e n o m e n a ，m e ya r ea l s ot h ee s s e n t i a ld a t a 啪e s0 fg i sd a t a b a s e c o n v e n t i o n a lg i s o i l l yd e 姘b e st h eg e o g r 印h i c a ls p a c es t a t i c a l l ya i l da b s t r a c t i v e l yw i t hs p a c ea n d a t t 曲u t e s 晰t ht h ed r 锄a 血i i l c r e a s eo fg e o 黟a p h i ci i 曲皿a t i o n ，e s p e d a l l yt h ew i d e u s eo f 血ed h n e n s i o n ，p e o p l eb e g a l lt 0m a k es c i e n t i f i cr e s e a r c h e so nt e m p o r a lg i s t e m p o r a lg i sc 锄。能rt h et o o l st h a tm o d e la n d 觚a l y z em es p a c e ，d m e ，a n dh o l dt h e m s t o 巧o rf b r e c 弱tt h ef i l t u r eo fg e o 黟a p m c a lc v e n t s a tt t l ep r e s e n tt h n e ，m u c h p r o g r e 豁h a sb e e nm a d eo nt h es t u d yo f1 e m p o r a lg i s h o w e v e r ，b e c a u s eo fm e c 0 m p l e x i 哆o fs p a t i o t e m p o r a lp h e n o m e n a 觚dt h el i m i t a t i o no fc o r r e l a t i v et h e o r ya i l d t e c i l i l o l o g y ，t h e r ea r ea l w a y sm a n yp r o b l e m sr e m a i l l si i lt l l i ss t u d yf i e l d i n 伽sd i s s e 似i o n ，w er e v i e wt l l el l i s t o 巧0 ft c n l p o r a lg i s ，觚d 觚a l y z et h e e x i s t i r 培p r o b l e m s 姐dt h e i r c a u s e s t h e n ，w e i i l t r o d u c et h e c o n c e p t s o f s p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e lc o m b i i l e dw i t hs p a c e 觚dt i i i l ei ng e o 伊印t l i c a lw o n d w e d i s c l l s s e 诵t l le m p h a s i st l l ec h a r a c t e r i s t i c 觚da p p l i c a b i l 姆s c o p er e s p e c 帆e l yo f s e v e r a l s p a t i o t e m p o r a l d a t am o d e la t p r e s e n t ，a n da n a l y z ec o r r e l a t i v i t ) r o f s p a t i o t e m p o r a ld a t a i i lr o a de q u i p m e n tm 锄a g e m e n t b a s eo ni t ，w eb u i l dm e o b j e c t - o r i e n t e ds p a l i o - t e m p o r a ld a t am o d e l w 岫m e 锄a l y s i sf 而mc o n c e p td e s i 印， l o 酉cd e s i g n ，w ea t t a e ht t l et e m p o r a li i l f b 加a t i o nd i r e c yo no b j e c t s a t t r i b u t ei no r d e r t om a k et h ei l l t u i t i o n i s t i ce x p r e s s i o no ns p a t i o - t e m p o r a lc h a n g eo fd a t a f i n a l l y ，t h e q u e r ) rl 锄g u a g et s q li s a d v a l l c e db a s e do ne x t e n d i i 培s q lm a “ye x t e n dt h e p r e d i c 撕o n 缸df i l n c t i o n0 fs q l t op u ti tm o r ep r o p e rf o rq u e r y i n gs p a t i o - t e m p o r a l d a t a t h i sa n i d ea l s ol a b o r st h ed a t ad e 蜀m i t i o ni a i l 9 1 l a g e s ( d d l ) s e n t e n c ea n dd a t a m a i l i p u l a t i o nl a n g u a g ep m l ) 0 ft s q li nq u e 吼w ei i n p r o 、，et h et r a d i t i o n a l a j g o r i t h ma 1 1 dr e b u i l dt h e “f r o m ”c l a u s e ，m e nam u l t i l a y e rq u e 拶o fs e p a r a t i n g s p a t i o - t 锄p o r a lr e s t d c t i o ni sb u i l t w ec a nr e a l i z et h ea l g o f i t b mo n n e t n a t t a k em el l l w a nb o r o u 曲o fs h 锄曲a i 硒姐e x a m p l e ，w ea c t l i e v et h ev i s u a lq u e 巧 o fs p a t i o t e m p o r a ld a t ai nr o a de q u i p m e n tm a n a g e m e n t ，t h ec o i 蛾p t i o no fs p a c ea n d t i m ei si l l u m i i l a t e d p r a c t i c a l l y a i l d v i s u a l l y 锄dt h ed u a li m p l e m e n t a t i o no f 江苏大学硕士学位论文 o q e c t - o r i e n t e ds p a t i o t e i n p o r a l d a t am o d e l a p p l i e dt ob o t hg r 叩m c a ld a t a a n d a t t r i b u t ed a t ai sr e v e a l e d t h ea p p l i 训0 ns h o w sm a tt l l es p a t i o - t e m p o r a ld a t am o d e l d e s i g n e di i lt h i ss t u d ym a k e sp r a c t i c a ls e n t op e r f 6 册t h er e a p p e a 啪c e0 fh i s t o r i c a l s t a t ea l l d b a c k d a t i n ge f 6 e c t i v c l y k e yw o r d s ：g i s ，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 ，o b j e c t - o r i e n t e d ， s p a t i o t e m p o r a lc h 加g e ，q u e r yl a n g u a g e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：) 司夏 指导教师签名： 细易年6 月f 。日 7 弘l 无 y 口易年6 月l 口日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：别 j 日期：加寥年易月如日 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 自从二十世纪6 0 年代以来，地理信息系统( g i s ) 一直是地学领域、计算机领 域的研究热点。g i s 的发展经历了早期的单一地图数据处理与显示，其后的地理 空间信息的管理，以及目前的集成化、一体化、网络化、智能化发展阶段【l 】。目 前，g i s 应用领域已经得到了很大的扩展，而且g i s 开始从实验研究进入实用阶 段，其中时态问题也成为g i s 新的研究热点之一。 时态g 工s ( t g i s ) 是一种采集、存储、管理、分析与显示地学对象随时间变化 信息的计算机系统，它不但反映地学现象的存在状态，而且表达其发展变化过程 及规律【2 j 。t g i s 的操作对象是时空信息，它所面对的是一个庞大的、多维的、动 态的、复杂的、相互关联的时空，而不是静态的、局限于传统g i s 中的视图。传 统g i s 只描述了对象的一个快照，没有对时态数据作专门的处理，因而是静态的， 它只能反映事物的某个状态，而无法反映对象的历史与变化过程，更无法预测未 来发展趋势【3 一。客观事物的存在都与时间紧密相连，因此在g 工s 系统中增加对 时间维的表达、分析能力，提供历史分析与趋势分析的功能，是t g i s 的独特之 处【5 ，6 1 。 t g 工s 的关键问题是时空数据库的设计和管理，建立合适的时间与空间联合 的数据模型时空数据模型。经过二十多年的发展，时空数据模型的研究已经 取得了丰硕的成果，尤其是二十世纪9 0 年代初期，出现了大量的专门用于处理 时空数据的模型和原型系统【7 1 。然而其成果仍然局限于概念模型和原型系统阶 段。时空数据表达、时空地理数据库以及t g i s 的研究仍然存在很多问题。这就 要求我们要采用科学的管理方法，更有效地组织和完善时态地理对象的属性、空 间和时间语义，以便重现历史状态，跟踪变化，预测未来【8 】。 目前主要的时空数据模型设计方法有以下几种：一是在栅格、矢量空间模型 基础上扩展时间维；二是在时间模型基础上扩展空间维；三是面向对象的方法。 面向对象的方法处理g i s 中的时态维问题主要可分为两类：一类是在扩展的关系 模型中增加某些面向对象的特征，另一类是完全面向对象的方法。但到目前为止 尚无完全用面向对象技术从头到尾成功地开发一个t g 工s 的例子。 路政设施中的标志、标杆等信息是要经常变动的，属于时态数据，比如标志 在经过一段时期的使用后会渐渐磨损，而标杆会因道路的改建或是车流量等因素 江苏大学硕士学位论文 的作用而改变，这些对象随着时间的变化而改变，具有明显的时态特征，仅仅在 空间数据库中是无法满足其查询、恢复等一系列操作的，并且若是用户要根据时 间回溯到某一历史时刻的空间对象状态，则就更困难了。在这种情况下，若是能 运用时空数据库技术就能够解决上述问题。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 g 工s 中时态信息建模的研究是从8 0 年代中期开始，1 9 8 9 年g a i ll a n g r a n 发表 其博士论文地理信息系统中的时间，开创了时空建模研究的新世纪【9 j ，此后， w o r b o y s 、r a p e r 、d o n n a 等分别提出和讨论了快照方式、复合方式和事件方式等 来进行时态数据结构和数据库的设计，并在时间和空间推理方面展开了研究， r a p e r 等还设计了时空数据库查询语言【1 0 j 。1 9 9 6 年u c g i s ( u n i v e r s i t yc o n s o r t i u m f 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 ) 将t g i s 作为“地理描述扩展 的一部分 列入g i s 十大优先研究领域之列。t g i s 在国外吸引了越来越多的学者进行深入研 究。目前，这些研究还处于理论阶段，数据模型各有利弊，现在基本成为一个技 术“瓶颈”，尤其在海量数据的存取和查询，还停留在理论阶段。 t g i s 的关键问题是建立合适的时间与空间联合的数据模型，即时空数据模 型，其关注的是空间要素随时间变化的建模。时空数据模型是t g i s 的核心，因为 时空数据模型的优劣，不仅决定了t g i s 系统操作的灵活性及功效，而且影响和制 约着t g i s 的研究和进展i l l 】。l a n g r a n 最早系统地总结了在空间数据模型的基础上 加入时间维的概念和方法，并且提出了时空复合数据类型的概念，1 9 9 2 年l a n g r a n 出版了第一本关于时空数据库的著作t i m ei ng e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m ，该书对g i s 中的时态研究给出了一个比较全面的论述。以此为契机， 世界范围内重新点燃了时态g i s 的研究热潮i l2 。学者们认识到，要研究时态g i s ， 仅仅考虑时态数据库的存储、查询等远远不够，因此研究重点由原先注重具体设 计细节和算法逐渐过渡到诸如时空语义、时空数据模型、时空拓扑关系、时空查 询语言、时空推理过程模拟、地理对象的时空不确定性等理论方面的研究和探讨， 尤其是时空数据模型的构建成为关注的焦点【l 引。综合现有的相关研究文献，时 空数据模型的研究方法可归结为以下几类，即：数据库领域的扩展时态模型方法； g i s 领域的基于位置方法；g i s 领域的基于对象方法；面向对象方法；以及其它面 向概念模型方法等。目前，规范化的时空数据模型尚处在探索阶段。 国内的t g 工s 研究从二十世纪9 0 年代开始，最初是从国外引进t g i s 的概念和对 t g i s 的数据结构进行初步地探讨。此后国内时态g i s 的理论研究进入一个新的阶 段，重点在研究t g i s 的数据模型。张祖勋、黄明智等于1 9 9 6 年开始对t g i s 数据结 2 江苏大学硕士学位论文 构进行了研究，舒红、陈军等于1 9 9 7 年发表了面向对象的时空数据模型研究，刘 仁义、刘南等于2 0 0 0 年发表了基态修正模型的扩展研究，等等。另外，时态数据 库研究和应用也越来越受到关注，出现了相关的书籍，唐常杰设计实现了对象历 史模型o b j e c th i s t o r y ，张师超在时态关系代数方面、汤庸在时态知识和时态数 据方面等都对时态信息模型和理论进行了研究，并取得了一定的进展。与国外相 比，国内对时态数据模型以及时态数据库的研究还比较少，主要集中在时态数据 库的一般性技术，如多媒体、g i s 等专业信息系统中涉及到的时态信息处理，其 它主要为时态数据库理论和模型的阶段性研究。 目前t g i s 的研究主要集中在五个重要的方面： ( 1 ) 时空数据模型的研究与设计 ( 2 ) 时空数据库的设计与开发 ( 3 ) 满足时空数据查询的查询语言的研究 ( 4 ) t g i s 时空数据的可视化机制研究及图形化用户界面设计 ( 5 ) 时空分析与时空推理 1 3 论文研究的主要内容 时态数据库和空间数据库作为现代数据库的两个分支，都已经发展得比较成 熟，随着数据库技术的发展，用户也提出了越来越高的要求，如：当用户需要查 询2 0 0 0 年上海市牯岭路街道的地理地貌时，单独的时态和空间数据库都无法满 足。在这种情况下时空数据库的诞生成为必然。 本文针对路政设施管理中的时态数据，研究了当前t g i s 中的时空数据模型， 并在此基础上建立了一种面向对象的时空数据模型，将时间信息标注于对象的属 性特征中，方便进行时空查询操作。另外，本文在研究分析时空对象的查询语言 基础上，提出了基于s q l 的扩展查询语言，并对查询算法进行了优化，在实现过 程中，结合g i s 技术与数据库技术，实现了路政设施中时空数据的管理，提高了 时空数据查询效率。具体研究内容如下： ( 1 ) 研究了g i s 的发展概况，重点研究了时态g i s 的发展状况。奠定了研究 的理论基础。 ( 2 ) 研究了当前主要的时空数据模型，分析其优缺点，将面向对象思想应用 于数据模型中，从而建立了路政设施管理中的面向对象时空数据模型。 ( 3 ) 研究了路政设施中对象的时空变化规律，分析其相互间的关系，采用将 时态信息直接标注于对象属性信息之上的方法存储数据，大大简化了查询，减少 了数据冗余。 3 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) 在s q l 的基础上提出了基于s q l 扩展的查询语言t s q l ，并详细叙述了其 结构特点，同时还分析了对象的时空关系及基本的时空谓词，对查询的f o 瑚子 句进行了扩充，加快了查询速度。 ( 5 ) 在查询算法基础上设计了时空聚合函数。采用c # 与a r c g i se n g i n e 相集 成的方式，实现了时空对象的查询方法。 1 4 论文的组织结构 本文共分为六章，具体结构如下： 第一章：绪论。介绍了研究的背景与意义，国内外的研究现状以及发展趋势， 最后列出了本文研究的主要内容与论文的组织结构。 第二章：g i s 中的时空观与时空数据模型。本章主要是对研究的理论基础和 研究方法进行阐述。通过对时态g 工s 和时空数据模型的研究，分析地理实体的时 态特性，时空模型的构建以及在研究领域内的应用等。 第三章：面向对象的时空数据模型。本章首先概述了面向对象思想及其在路 政设施管理中的应用，其次根据时态g i s 和时空数据模型的基本理论，分析了目 前主流的面向对象时空数据模型的优点和不足，从而提出了改进的面向对象时空 数据模型。 第四章：基于s q l 扩展的查询语言t s q l 。本章介绍了s q l 的特性及其可扩 展性，提出了扩展之后的t s q l ，并详细描述了t s q l 的算法结构和特点。同时研 究分析了对象的时空关系以及基本的时空谓词。 第五章：时空对象的查询算法。本章着重对时空对象的查询算法进行了深入 研究，并结合g i s 技术和数据库技术，用c # 语言开发了一个应用实例。 第六章：总结与展望。本章是对论文的研究工作进行总结和归纳，指出主要 的研究成果和研究创新点，探讨了研究工作中的不足，并对未来进一步的研究方 向作了分析和展望。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章g i s 中的时空观与时空数据模型 2 1gis 的发展概况 从空间分析能力、时态的表达观点看，g i s 发展分为以下几个阶段： ( 1 ) g i s 概念的提出( 6 0 年代) ：5 0 年代末和6 0 年代初，计算机领域在非数 值处理和数据存储方面取得了突破，带来了空间数据的数字存储和处理，特别是 地图数据的数字存储和计算机处理。g i s 概念的提出通常认为是1 9 6 3 年加拿大 测量学家r f 。t o m l i n s o n 首先提出的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 ，即g i s ， 这是世界上第一个实用的地理信息系统，即加拿大地理信息系统( c g i s ) 。受限于 当时的计算机存储能力和计算速度，包括c g i s 在内的同时代系统的主要功能仅 仅是辅助地图制图，没有分析功能，因此还不能称为真正意义的地理信息系统。 ( 2 ) 中期g i s ( 7 0 年代) ：集成电路的应用极大地提升了计算机性能，使得g i s 在地理数据的录入、存储、检索、输出方面有了巨大的进步，特别是人机交互性 得到很大提高，已经能够通过计算机屏幕对数字地图进行人机交互和编辑。这时 期的g i s 往往被用于自然资源与环境数据的处理，同时得到了政府部门、商业领 域和高校的普遍关注。 ( 3 ) 中近期g i s ( 8 0 年代) ：这时期微型计算机和远程通讯传输设备的出现为 计算机的普及应用创造了条件，加上计算机网络的建立，使地理信息的传输时效 得到极大的提高。在系统软件方面，数据库管理系统和通用操作系统使得g i s 的数据处理及相关的数学模型发生了巨大的变化，并开始具有了初步的空间分析 能力。各国政府开始从国家社会经济的战略意义上来看待g i s 的建设和发展，这 个时期g i s 发展最显著的特点是商业化实用系统进入市场。 ( 4 ) 近期g 工s ( 9 0 年代) ：计算机软硬件有了更大的发展，因特网已经进入千 家万户。在技术上g i s 的工作平台开始从大型计算机和专业的图形工作站进入到 微机领域，这在客观上加速了g i s 的普及，并因此使得g i s 的社会认知程度大大 提高，大幅度增加的需求反过来又推动了g i s 的进一步发展。g i s 开始被看作是 现代社会的基本服务系统，如g i s 已列入美国政府制定的“信息高速公路”计划， 美国副总统戈尔提出的“数字地球”战略等。这一时期，受需求推动，g i s 的研 究开始关注时空动态特性的表达和时空分析等一些更深层次的问题【1 4 】。 我国地理信息系统方面的工作自8 0 年代初开始。以1 9 8 0 年中国科学院遥感 应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室为标志，在几年的起步发展阶段 5 江苏大学硕士学位论文 中，我国地理信息系统在理论探索、软硬件研制、规范制订、g i s 应用和技术队 伍培养等方面都取得了显著进步，积累了经验，为在全国范围内开展地理信息系 统的研究和应用奠定了基础。 一方面政府主导的数字中国地理空间框架建设在“十五”期间取得了重大进 展，已经建立了“2 0 0 0 国家g p s 大地控制网和“2 0 0 0 国家重力基本网，完 成国家基础航空摄影约3 3 0 万平方公里，基本建成1 ：5 万国家基础地理信息数据 库，建成和更新了一批省级1 ：1 万和市县级大比例尺基础地理信息数据库。根据 “十一五”规划，政府还将加快国家基本比例尺地形图绘制更新，启动西部1 ：5 万地形图空白区测绘，完成华东、华中区域大地水准面精化和一等水准测量的前 期工作，开展区域卫星定位综合服务系统建设等。另一方面，在民间g i s 软件产 业已经取得了长足的进步。适合我国特点的国产g i s 软件系统已经在国内占据了 相当的市场份额并已形成了一定的产业规模。在g i s 研究领域，以政府研究部门 和高校为研究主体，在g i s 与遥感一体化、g i s 数据模型、时态g i s 和g i s 的时 空分析等基本理论问题和应用领域也都取得了显著的进步。 2 2时态gis g i s 是对地理空间数据及其相关的应用数据进行管理和分析的计算机系统。 现实世界的数据既是空间相关的也是时间相关的。在环境监测、抢险救灾、交通 管理等许多领域，相关数据是随着时间变化的。因此g i s 所描述的地理世界是随 时间连续变化的。传统的g i s 仅仅关注空间数据的表达而并不注重时间概念，因 此仅仅反映了地理世界在某个“时间横断面 。对于随时间缓慢变化、且并无需 考虑历史过程的地理实体，传统的静态g i s 可以用“数据更新”来反映其随时间 的缓慢变化。但就一般而言，地理实体有可能随时间快速变化，并且其变化历史 也是需要考虑的，如地籍变更、海岸线变化、环境变化和交通信息变化等。对于 林火蔓延这样的现象，人们对火场随时间变化的关注是不言而喻的。 现有的g i s 基本上不是专门为处理数据的时间动态性而设计的。这些系统仅 仅描述了数据的一个时间横断面。如果用“数据更新 来反映对象随时间变化则 忽略了地理实体随时间变化的过程，即变化历史，这就限制了利用历史数据进行 时间维上的回归和预测，有鉴于此，有必要从地理实体的时态特性上来研究构建 g i s ，这是g i s 的一个新的研究领域，即时态g i s ( t g 工s ) 【1 5 j 。理论上说一个完善 的时态g i s 应该能提供完善的时序分析功能，高效地回答与时间相关的各类问 题，具有时间与空间两方面的信息处理能力。时态g i s 因此成为g i s 研究和应用 的一个引起普遍关注的新领域。 6 江苏大学硕士学位论文 时间、空间和属性是地理实体和地理现象本身固有的三个基本特征，是反映 地理实体的状态和演化过程的重要组成部分。严格地说，空间和属性数据总是在 某一特定时间或时段内采集得到或计算产生的。它们之间的关系可以用图2 1 来表示。 图2 1 时态g i s 与相关技术之间的关系 根据对地理空间实体三个固有特征研究的侧重点不同，可以将相关方面的研 究分为：以研究空问和属性为主的传统g i s ；以研究时间和属性为主的时态数据 库；以研究空间和时间为主的图形动画；以及三者并重的时态g i s 等四类领域或 技术【l6 1 。前三者起步较早，在各自不同的领域分别展开了理论和实践研究。时 态g i s 则相对较晚，它是在前者研究的基础上，发展起来的一个新兴领域，也是 未来g i s 的发展方向。 时态g i s 是能够有效地存储并处理地学实体随时间变化的g i s 系统。区别于 传统g i s ，时态g i s 增加了对时间维的信息表达，并可依据时间进行地理对象变 化的时态追踪。相应地，传统g i s 被称作静态g i s ( s t a t i cg i s ：s g i s ) 或非时态 g i s ( a t e m p o r a l g i s ：a g i s ) 。由于不存储历史数据，因此在静态g i s 中不能表达 地学实体状态的变化过程。无论时态g i s 还是静态g i s ，其时空查询结果在本质 上都有时间限定，不同的是静态g i s 查询结果的时间限定是模糊或隐含的，而时 态g 工s 查询结果的时间限定是明确的。 2 3gls 中的时空观 由于历史上的原因，现在的g i s 包含了地图学、计算机辅助设计、景观规划 学、遥感等学科的时空观点，其中地图学对其影响最大。实际上g i s 可以被认为 是从地图的角度来表达世界，这同二维坐标系或者笛卡尔定义的绝对空间的概念 是相关的。不同几何投影下地理坐标系统的表达和操作以及属性信息同坐标的关 系是g i s 的中心问题，同样也是地图学的中心问题。 人类对地学中时空概念的认知可以追溯到十九世纪末二十世纪初。1 8 9 9 年， 7 江苏大学硕士学位论文 d a v i s 对地貌循环的研究，1 9 2 5 年s a u e r 对历史地理学的研究，以及1 9 3 9 年 h a r t s h o m e 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【17 1 。 在地理学中，地理空间是指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、 功能关系上的分布方式、格局及其在时间上的延续。地理信息系统中的地理空间 被定义为绝对空间和相对空间两种形式。绝对空间是具有属性描述的空间位置的 集合，它由一系列不同位置的空间坐标值组成；相对空间是具有空间属性特征的 实体的集合，它是由不同实体之间的空间关系构成。 依附地理空间存在着各种事物或现象，它们可能是物质的，也可能是非物质 的，如土地类型、资源分布、行政区划、水系、人口分布、工农业布局、城市规 划、道路网结构等。这些事物和现象的一个典型特征是与一定的地理空间位置有 关，都具有一定的几何形态，因此我们称之为地理空间实体。在地理空间中，实 体不仅反映事物和现象的地理本质内涵，而且反映它们在地理空间中的位置、分 布状况以及它们之间的相互关系。 s i n t o n 把地学对象定义为空间、专题、时间的统一体，认为不具备上述三 个特征的地学对象不能采集到地学信息系统中，并进一步把空间分解成几何信息 和空间关系描述两部分。p e u q u e t 和y u a n 认为地学对象具有w h a t w h e r e w h e n 三重结构，任何空间对象都必须具有空间、专题、时态特征【1 8 】。 w a n g 和c h e n g 把时空行为定义为连续、离散和步进( s t e p w i s e ) 变化。t r y f o n a 和j e n s e n 把时空应用分为三种：连续运动的对象，如移动的汽车；离散变化的 对象，如形状和位置随时间的离散变化；连续运动的同时形状也发生变化。 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形 成了多种时空关系。t r y f o n a 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。e g e n h o f e r ，s z 叫r l o 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【1 9 】。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。 2 4 时空数据模型 2 4 1 概述 时空数据模型的研究历程可概括为二十世纪7 0 年代的酝酿起始阶段，8 0 年 8 江苏大学硕士学位论文 代的开拓阶段和9 0 年代后的大发展阶段。时态g i s 的组织核心是时空数据库， 时空数据模型则是时空数据库的基础。 时空数据库领域的建模需求分为四大类：时态语义，处理时间的基础特征； 空间语义，处理纯空间数据；处理统一时空语义；模型的查询能力。这些需求渐 渐形成了时空数据模型的评价规范，如果在设计过程中仔细遵循这些需求，就可 以获得一个健壮的、可扩充的理想模型，它能够处理现实中的大部分时空数据。 数据模型是信息系统的核心，它定义了数据对象类型、关系、操作以及数据 的完整性规则。时空数据模型是一种有效组织和管理时态地学数据，空间、专题、 时间语义完整的地学数据模型。在时空数据模型中，空间刻画了地学对象的空间 位置、空间分布和空间相关性；专题说明了地学对象的性质；时间则刻画了地学 对象的存在时间、变化状况和时间相关性。时空数据模型不仅提供定义时空数据 类型的功能，还通过时空检索和操作功能提高处理大量时空数据的效率。 时空数据建模是针对如何合理、有效地表达、记录和管理现实世界时空变化 实体及其关系与行为的研究，是g i s 数据建模的前沿研究领域，也是建立t g i s 的极其重要的基础。然而，由于时空变化语义的复杂性和时间维表达的特殊性， 目前仍无普遍接受的时空数据模型，也未见各方面较为成熟的t g i s 基础平台， 且实用的g i s 系统很多仍是静态或准静态的【2 0 1 。尤其是近十年来，全球变化研 究、全球可持续发展战略的实施以及空间技术的迅速发展，地理时空数据呈几何 级数般的增长。如何迅速有效地组织、存储、管理和应用海量、实时的地理时空 数据，也对t g i s 技术提出了更高的挑战。 从建模方法学角度，时空数据建模可划分为三个层次，即时空语义建模、时 空数据逻辑建模和时空数据物理建模，相应的时空数据模型包括时空语义模型、 时空数据逻辑模型和时空数据物理模型。时空语义建模属于概念模型一级，主要 研究地理认知世界中的时间和空间概念、时空结合的含义以及所要表达的时空实 体及其时空变化特征。时空数据逻辑建模内容包括时空数据类型及其数据结构实 现、时空数据操作以及时空完整性约束三个部分。时空数据物理建模主要考虑系 统结构、物理数据存储结构和时空索引结构等【2 1 1 。其中，语义建模是基础，逻 辑建模和物理建模具体表达时空语义及语义信息的物理存取。时空数据模型的特 点是语义更丰富，对现实世界的描述更准确，其物理实现的最大困难在于海量数 据的组织和存取。一个有效的时空数据模型必须具有数据存储冗余度低、支持各 种复杂时空对象的构造、表达丰富的时空语义、兼顾检索效率和用户的应用要求 等特点。 从时态g i s 实现的角度来看，时空数据模型可分为广义与狭义【2 2 1 。从广义 上，时空数据模型可涵盖包括准静态空间数据模型在内的所有考虑时变因素的非 9 江苏大学硕士学位论文 静态空间数据模型，这些系统底层并不一定包括对传统静态g i s 空间数据模型的 改造。换句话说，广义上的时空数据模型可以和传统静态g i s 系统在底层数据模 型上没有本质上的差别。狭义上的时空数据模型则不然，它需要充分研究时间维 语义和表达的特殊性，对传统静态g i s 空间数据模型进行扩充和改造，使之能够 对时变特性的属性和空间数据进行沿时间维的动态组织和存储，实现动态多维 ( 包括时空三维或时空四维) 时空数据的一体化表达及管理，特别是具备时序分析 能力。这种空间数据模型才是真正意义上的时空数据模型。 上述两个层面的理解都有理论或现实的意义。广义上的时空数据模型允许将 相对成熟的传统静态技术作简单扩展实现时态功能，虽然不能完全满足时空动态 应用的需求，但由于不要求对传统静态g i s 系统做较大的改动，设计和开发比较 容易，成本和风险相对也较低；另一方面，采用狭义的时空数据模型，可以引导 时空数据建模、时空数据库实现及可视化表达与分析向真正的属、时、空一体化 方向发展。 2 4 2 时空数据建模的关键问题 综合地、动态地表达、管理、分析时空数据的关键问题包括【2 3 ，2 4 】： ( 1 ) 迫切需要对已有研究成果进行系统总结，形成时态g 工s 进一步深入研究 的基础。由于时态g i s 处于研究的初级阶段，而且涉及领域又比较多，对时态 g 工s 研究和应用的不同层次、不同理解导致产生了大量的相关观点、概念和术语。 它们堆积在一起，没有形成一个线索清晰、逻辑连贯的整体，使时态g i s 的研究 成果难以被归纳、总结。因此非常有必要归类、分析、研究各种时变信息建模方 法、组织基础和系统结构的不同特点，得出普遍性的结论，从而为进一步的研究 和商业化提供基础。 ( 2 ) 急需加强对时空语义建模的研究，并以此为基础加强能够综合处理事件 与状态的时空模型的研究。近年来，许多学者开始关注时空语义建模，提出了事 件驱动和面向过程的时空数据模型。但总的看来仍难以表达多维地学现象及其时 空变化。建立多维时空数据模型需要新的理论和技术，在地学现象时空语义基础 上加强时空数据建模研究依然是时态g i s 的研究重点。 ( 3 ) 时空数据的组织、存储与索引。时空数据库是不同历史、不同尺度、不 同维度的海量时空数据和非时空数据的集合，它是时空g i s 的核心组成部分。数 据容量的控制、数据检索的效率和数据更新机制是衡量时空数据库性能的指标。 虽然历史上对时态数据库的研究相对成熟，但时空数据库的研究在理论和实践两 方面都还不完善，国际上还没有统一的标准可遵循。因此，在特定的时空数据模 1 0 江苏大学硕士学位论文 型框架下，设计高效的时空数据组织、存储、提取机制是非常重要的。 ( 4 ) 时空数据的更新。时态g i s 系统必然面临着数据的不断更新问题。随着 g i s 应用领域的扩大，各种信息源源不断的加入，数据形式趋于多样化、复杂化。 这就要求系统能够提供快速的数据更新功能，在任何用户需求的时候，将更新的 状况传递给用户。 ( 5 ) 时空拓扑关系。数据维数的增加使空间拓扑关系、时态拓扑关系以及时 空拓扑关系的建立、维护及存取更加复杂。多维时空数据对插值方法、可视化表 达、人机交互等也提出了新的、更高的要求。人们希望g i s 系统能表示不同尺度 的、海量的、时空相关的、复杂数据的高效存储、表示及处理。迄今国内外学者 进行了各种方法的研究，但都不尽如意。 ( 6 ) 时空数据挖掘，即根据数据库中的大量时间序列来对空间数据进行时间 维和空间维的数据分析。时空数据库中的有效时间反映了事物发生发展的过程， 事务时间反映了系统中元事件的时态信息。时空数据挖掘可以深入地描述地学对 象的时空演化规则，有助于揭示地学现象的本质规律，预测地学现象的发展趋势。 ( 7 ) 时空数据的可视化表达。可视化是用来解译输入到计算机里的数据和从 复杂的多维数据中生成图像视觉化的一种工具。它主要研究人和计算机怎样协调 一致地感受、使用和传输视觉信息，探讨数据的显示、制图、符号化等问题。因 此，时空数据的可视化除了能实现传统g i s 中对某时刻空间实体的分布和形状进 行表达外，还应能用计算机以动画的形式对地理实体各时刻的状态或属性按照演 化过程进行空间动态模拟。 ( 8 ) 时空数据的尺度和不确定性，即时空数据库的质量控制。时空数据是对 现实世界中时空特征和过程的抽象概括。由于现实世界的复杂性和模糊性、测量 单位的不匹配、测量技术的限制，以及人类认识和表达能力的局限性，都决定了 时空数据不可避免地在空间、专题和时态方面存在着模糊性和不确定性，并且三 者之间的相互关系也存在模糊性。目前已有的大量研究成果都集中在空间不确定 性方面，提及时态不确定性的文献很少。时态不确定性研究的薄弱是影响时态 g i s 走向实用的一个障碍。对它进行研究，进而将时态与空间不确定性研究成果 进行归纳、提高，形成时空不确定性的综合研究成果将非常有意义。 ( 9 ) 急需展开时态g i s 的实际应用，在应用中促进发展。虽然对时态g i s 的 研究已经有多年的历史，但由于已经提出的时空模型不能对所有时空信息查询种 类进行有效的处理，所以现在仍然没有操作性很强的时态g i s 可用。在现有条件 下运用已有的技术，针对具体领域实现时态g i s 功能已经成为可能，而且具体应 用反过来也可以丰富时态g i s 的基础研究成果。 ( 1 0 ) 时空数据管理的长期性。时态g i s 系统不仅要满足我们今天的需要，为 江苏大学硕士学位论文 各行业提供一个有力的工具，而且还要为子孙后代造福。可以想象五至十年后， 或许某些特征、属性会不复存在；符号系统会改变；数据库会从关系型转换为面 向对象型；硬件可能会更新换代；新的信息处理标准会引入等等，那么今天存储 的数据信息到那时还能再用吗? 还能适应最新的数据及软硬件系统吗? 就此，学 者们纷纷提出想法，比如新标准、新技术引入时，转换原有数据，或保存原始测 量信息，以保证其永久有效。还有建议将数据以尽可能的压缩形式归档，并假设 未来的系统能与这种归档格式相互转换，但各种想法距离实现还有相当的距离。 时态g i s 不是时态与空间的简单组合，在时态g i s 的研究和应用道路上，还 有更多棘手的问题尚待解决。时态g i s 系统研究的迫切性、应用的急需性、以及 诱人的前景，正在吸引着众多的学者去迎接挑战【2 5 ，2 6 1 。 所有这些研究方向中，时空数据模型的建立是基础。建立合理、完善的时空 数据模型是解决时空动态信息系统的核心和关键【2 7 1 。设计一套兼顾时空语义、 高效时空存取效率、满足不同应用需求的时空