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基于g i s 的水流信息动态可视化研究 摘要 空间、属性和时间是地理信息的三要素。传统g i s 注重表达空间和属性信息，是 一种静态g i s 。时态g i s 则将时间维纳入g i s 中，研究地理现象随时间变化的规律， 预测地理现象的发展趋势。基于时态g i s 的时空数据动态可视化对于直观、形象地描 述地理现象，再现地理现象的变化过程，提高辅助决策支持水平具有突出的方法论意 义。本文将时空数据动态可视化理论和技术应用于水资源信息系统领域，研究实现了 水流信息的动态可视化表达，为南水北调( 山东段) 水资源优化配置提供了直观、高 效的决策支持。 本文研究了时态g i s 的基本理论，对时空数据的动态变化类型进行了分类，将其 分为基于属性的变化、基于位置的变化和混合变化三种动态变化类型。同时，对已有 时空数据模型进行了总结与比较，分析了水流信息的时空数据特征，对基态修正模型 进行了改进，为动态可视化的设计开发提供了理论依据。 在此基础上，本文基于a r c o b j e c t s 组件开发平台，设计了水流信息动态可视化系 统的开发方案，进行了前期的数据处理，并开发实现了水质变化的动态可视化和水流 过程的动态模拟。同时提出了三维可视化的设计思路，为课题的深入研究提供了参考。 关键词：动态可视化，时态g i s ，时空数据模型，a r c g i s g i s - b a s e dr e s e a r c ho rd y n a m i cv i s u a l i z a t i o no fw a t e rf l o w a b s t r a c t s p a c e ，p r o p e r t ya n dt i m e a r et h r e eb a s i ce l e m e n t so fg e o g r a p h yi n f o r m a t i o n t r a d i t i o n a lo i sp a y sa t t e n t i o nt oi n f o r m a t i o na b o u ts p a c ea n dp r o p e r t y ，s oi ti sas t a t i cg i s t e m p o r a lo i sa d d st i m ei n f o m a a t i o ni n t og i s ，s t u d i e st h er u l e so fc h a n g e sf o l l o w i n gt i m e t or e p r e s e n tg e o g r a p h i cp h e n o m e n a d y n a m i cv i s u a l i z a t i o no fs p a t i o - t e m p o r a lb a s e do n t e m p o r a lg i si sv e r yi m p o r t a n tf o rd e s c r i b i n gg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o na n de n h a n c i n gt h e l e v e lo fd e c i s i o n s u p p o r t s t h i s t h e s i s a p p l i e st h et h e o r y o fs p a t i o t e m p o r a ld a t a v i s u a l i z a t i o ni nw a t e rr e s o u r c e si n f o r m a t i o ns y s t e ma n dr e a l i z e sd y n a m i cv i s u a l i z a t i o no f w a t e rf l o w ，w h i c hs y s t e mo f f e r se f f i c i e n td e c i s i o ns u p p o r t sf o rt h ed e p l o y m e n to fw a t e r e s o u r c e si ns o u t h - t o - n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c to fs h a n d o n gp r o v i n c e t h et h e s i ss t u d i e st h eb a s i ct h e o r i e so ft e m p o r a lg i sa n dc l a s s i f i e sd y n a m i cc h a n g e s o fs p a t i o - t e m p o r a li n t ot h r e et y p e s ：c h a n g e sb a s e do np r o p e r t y ，c h a n g e sb a s e do np o s i t i o n a n di n t e g r a t e dc h a n g e s a n dt h et h e s i sc o m p a r e ss e v e r a ls p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e l ， a n a l y z e st h ec h a r a c t e r so fw a t ef l o w s d a t a a l lt h e s es t u d i e sp r o v i d et h ef u n d a t i o no f d e s i g n i n ga n dp r o g r a m m i n go fd y n a m i cv i s u a l i z a t i o n b a s e do na b o v er e s e a r c h e s ，t h et h e s i sd e s i g n st h es y s t e mo fd y n a m i cv i s u a l i z a t i o no f w a t e rf l o wi n f o r m a t i o nb a s e do na r c o b j e e t sp l a t f o r m ，r e a l i z e sd y n a m i cv i s u a l i z a t i o no f c h a n g e sa b o u tw a t eq u a l i t ya n dd y n a m i cs i m u l a t i o no f p r o c e s so f w a t ef l o w k e y w o r d s ：d y n a m i cv i s u a l i z a t i o n ，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 ，a r c g i s i i 插图清单 图1 1 地理信息系统构成示意图1 图3 1 时间片快照模型1 3 图3 2 基态修正模型1 3 图3 3 几种改进的基态修正方式的对比1 7 图3 4 动态多基态多级差文件修正模型1 8 图4 1a r c o b j e c t s 基本结构2 1 图4 2 课题研究区域地形图2 2 图4 3 系统功能框架图2 3 图4 4 调整后的中心线图层2 4 图4 5 水流关键节点的点图层2 5 图4 6 水质状态的颜色设置示意图2 7 图4 7 时刻1 水质状态示意图2 9 图4 8 时刻2 水质状态示意图2 9 图4 9 时刻3 水质状态示意图3 0 图4 1 0 点对象插值示意图3 0 图4 1 1 时刻1 水流过程模拟示意图3 3 图4 1 2 时刻2 水流过程模拟示意图3 4 图4 1 3 时刻3 水流过程模拟示意图3 4 图5 1 不规则三角网( t i n ) 3 7 图5 2 三维地形可视化的设计过程3 9 图5 3 三维场景创建流程图4 0 图5 4 闸门三维模型4 1 图5 5 输水线路的三维局部图4 1 图5 6 时刻1 水质状态图，4 3 图5 7 时刻2 水质状态图4 4 图5 8 时刻3 水质状态图一4 4 表格清单 表2 1 时态g i s 功能框架 表3 1 常见时空数据模型的功能比较 表4 1 地图主要图层的分类 表4 - 2 水质信息表结构 表4 3 点图层属性表结构 表5 1 规则格网d e m 一 表5 2 规则格网和不规则三角网的比较 v i i 6 1 4 2 4 2 5 2 6 3 7 3 8 独创性声明 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。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金月b 王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谓 意。 学位论文作者替毒扒 签字眺，占年；月少日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒g b 王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒胆至些盔 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名 签字e l 期： 口口 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 导师签名 签字e l 期 电话 邮编 职 诹6 其1 7 b 致谢 子在川i 上日：逝者如斯夫。 又是满目葱翠的盛夏来临之际，三年的研究生学习生活已近尾声。值此论文完 成之际，衷心感谢我的导师王浩教授。王老师勤勉敬业、治学严谨、学识渊博、平易 近人，不仅传授了我做学问的秘诀，还传授了我做人的准则，使我受益终身。从论文 选题到论文定稿，王老师都给了我认真耐心的指导，论文的完成凝聚着导师的辛勤劳 动。感谢汪家权教授和赵卫东副教授在本次课题研究过程中给予我的悉心指导和帮 助。在课题研发过程中，两位老师的传道授业解惑为我指明了学习研究的方向，让我 在攀登科学高峰的道路上不断前进。 感谢资源与环境工程学院的领导和老师们对我的关心和帮助，使我能够专心完 成三年的研究生学业。感谢地理信息科学系的喻根副教授、任升莲副教授和各位兄弟 姐妹，在日常的工作和生活中，他们给了我极大的帮助和支持。 感谢人工智能研究室的张以文、徐勇、张亮、高建清等各位朝夕相处的同学， 他们既是同窗共读的学友，更是团结互助的朋友。 感谢我的父母和家人，他们在背后默默的支持和付出是我学习最大的动力。感 谢孔翎在论文撰写过程中给予我的支持和帮助。 乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海。在未来的工作和学习中，我会加倍努力， 做出更好的成绩。 感谢各位评审老师。 谨以此文感谢所有关心我的领导、老师、同事和同学们。 l i i 第一章绪论 地理信息系统( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是在计算机软硬件支 持下，以采集、存贮、管理、检索、分析和描述空间物体的地理分布数据及与 之相关的属性，并解决复杂的规划、决策和管理问题等为主要任务的信息系统。 自2 0 世纪6 0 年代产生以来，g i s 得到了飞速的发展，其应用研究涵盖了资源管 理、区域规划、国土监测、交通安全、环境监测等众多领域，产生了巨大的经 济和社会效益。 1 1 研究背景及意义 1 1 ，1 地理信息系统的组成 典型的地理信息系统由系统硬件、系统软件、空间数据、应用人员和应用 模型五部分组成，其核心部分是计算机软硬件系统，空间数据库反映了g i s 的 地理内容，而应用人员则决定系统的工作方式和信息表示方式。地理信息系统 的组成可综合表示为图i i 【1 1 ： 图1 ，1 地理信息系统构成示意图 g i s 软件是系统的核心，用于执行g i s 功能的各种操作，包括数据输入、处 理、数据库管理、空间分析和图形用户界面等。按其功能可分为g i s 专业软件、 数据库软件和系统管理软件等。 g i s 专业软件一般指具有丰富功能的通用g i s 平台，包含了处理地理信息的 各种高级功能。其代表产品有a r c g l s 、m a p l n f o 、m a p g i s 、g e o s t a r 等。 1 1 2 地理信息系统的功能 g i s 包含了处理地理信息的各种高级功能。依托对空间数据的采集、存储 和管理，利用空间分析技术、模型分析技术、网络技术、二次开发环境等，g i s 演绎出了丰富多彩的系统应用功能，满足社会和用户的广泛需求【lj 。 ( 1 ) 数据采集与编辑 g i s 的数据通常抽象为不同的专题图层，数据采集与编辑将地理实体要素 分图层编辑存储。 ( 2 1 数据存储与管理 g i s 数据库管理除了与属性数据有关的d b m s 功能外，对空间数据的管理技 术主要包括：空间数据库的定义、从空间位置查询要素及其属性，从属性条件 查询要素的空间位置等。 f 3 ) 空间分析和统计 空间分析和统计功能是g i s 的一个独立研究领域，它的主要特点是确定地 理要素间的空间拓扑关系，包括拓扑叠合、缓冲区分析、数字地面模型、空间 集合分析等。 ( 4 ) 产品制作和显示 产品制作的主要表现形式是地图图形的输出，包括各种类型的符号图、动 线图、点值图、等值线图等。 一个运行的g i s 产品制作与显示的功能包括：设置显示环境、显示地图要 素、绘图文件编辑等。 ( 5 ) 二次开发功能 为了使g i s 技术广泛应用于各个领域，满足各种不同的应用需求，g i s 必须 具备的重要功能之一是二次开发环境，包括提供专用语言的开发环境或g i s - - 次开发控件。用户可以通过二次开发环境方便的开发专业领域的g i s 应用程序。 1 1 3 地理信息系统在水科学中的研究意义 随着计算机、遥感、地理信息系统等技术的迅速发展，传统水科学与信息 技术相结合，诞生了现代水流研究的一个重要方向一水信息学。水信息学最初 是研究与水环境相关的数据采集、处理、存储、分析和图形显示等的一门学科， 它通过综合数学、计算机科学和传统水环境科学和工程学的方法来揭示大量复 杂的水环境变化规律，解决水环境问题。随着研究的深入，水信息学的研究范 畴不断扩大，顾正华认为水信息学主要是研究如何实现水科学的信息化、智能 化、自动化和实用化，以及利用信息技术解决传统水科学不能解决的瓶颈问题 2 【引。水信息学的研究领域包括数据的处理和分析、系统仿真显示、决策控制技 术等。目前，对于水流过程的模拟仿真显示还缺乏直观的可视化表达。 出于g i s 具有强大的空间分析和可视化表达能力，其在客观反映水流信息， 水环境污染等方面具有直观、快速、动态等特点。比如利用历史监测数据，研 究水质的空间分布特征和演变过程，分析水质与各种因素的相关性，可以为水 环境管理和决策提供参考。同时，借助g i s 的空间分析和空间可视化能力，快 速、直观、多角度地分析水环境各要素的空间分布与时间变异特征，将使水环 境管理和综合决策向科学化、信息化和空间化方向发展。因此，将g i s 和水资 源优化管理专业模型进行集成，动态表示水流过程及其相关的属性信息的变化 对于形象地描述水流过程、再现和预测供水水渠中水量和水质的变化规律，进 行各种辅助决策具有突出的方法论意义。 本研究课题来源于“南水北调工程水资源优化配景模型专家决策支持系 统”，主要研究如何基于g i s 平台实现水流信息的动态可视化表达，为水资源 的优化配置提供辅助决策支持。 1 2 课题研究现状 以往的水资源信息系统大都是管理信息系统( m i s ) ，不具备图形的可视化表 达功能，不能进行动态模拟仿真，体现不了信息的空间特性。因此，将地理信 息系统和水资源的分析、预测、评价等结合起来是水资源信息系统的发展趋势。 近年来，已有许多研究人员将o i s 应用于水资源信息管理，并已经有了许多成 功的实例。 s h i n j y el i a n g 等人研究开发了基于g i s 的水流模拟可视化系统，并将它应 用于台湾淡水河水流的研究，进行水流仿真及计算结果可视化。该研究采用三 维水流水质模型系统w q m a p ，仿真淡水河在潮汐、上游河川入流量及海水入 侵交互作用下的水流与盐度变化过程。将仿真结果显示在虚拟的地形地貌环境 中，透过虚拟现实环境，能够观察复杂的地形地貌、水流与海水入侵的变化过 程。研究成果能够增强水流水质模式与科学可视化的实用性1 2 儿。上海市环境 管理部门建立了黄浦江流域水环境g i s ，该系统具有动态监测显示、水污染过 程模拟等功能，可对水质变化进行分析和预测【4 】。孙启宏等人利用o l s 的动态分 段技术实现了河流一维水质扩散模拟和空间显示分析功能【3 4 1 。耿庆斋等人探讨 了一维水质模型与二维非稳态水质模型在g i s 平台上的集成研究，动态水环境 容量计算和水环境质量评价。利用m a p o b j e c t s 控件开发了基于水质模型的水环 境容量信息管理系统，并将其应用于江苏省水环境容量研究、广西壮族自治区 水资源保护管理和柳州市水资源管理之中，弥补了水质模型模拟结果可视化上 的不足，充分发挥了g i s 技术空间数据分析、处理、查询和管理上的优势，大 大提高水环境信息处理和管理水平 1 5 1 。黄文典以成都水系的水质模拟计算及其 模拟结果的处理为例，提出了水质模拟技术与地理信息系统技术结合的基本方 法，着重探讨了利用g i s 技术对模拟计算结果的分析与管理【l ”。陈踊运用g i s 的空间分析和空间可视化方法，并结合各种行业和背景资料，对京杭大运河水 环境时空变异特征与运河沿线区域环境特征进行多尺度的综合研究，对运河水 环境质量的变化规律进行多角度的统计分析和图形表达，从宏观上分析了解京 杭运河江苏段的地表水水质状况以及水质时空变化特点，从总体上把握了污染 物排放等各种因素对运河水环境质量的影响【44 1 。廖通逵等人研究比较了利用 v b 图形学算法进行水流动画模拟和利用g i s 组件m a p o b j e c t s 实现水流信息动态 可视化的优缺点【4 “。 上述研究主要利用了g i s 的数据管理、空间分析和可视化等功能，其研究 重点是水资源相关数据的信息化管理，对包含时间信息的时空数据研究较少， 特别是时空数据的动态可视化涉及很少。而时间是地理信息的三要素之一，时 空数据的动态显示能够较好的表达时空变化，对地理现象的演化过程进行动态 模拟、分析。由于时空数据可视化方面的研究还比较少，本文着重研究了时空 数据动态可视化的相关理论和技术，并基于a r c o b j e c t s 组件技术开发实现了南 水北调工程山东段水质信息的动态可视化及水流过程的动态模拟，为水资源的 优化配置提供了辅助决策支持。 1 3 论文主要工作及内容安排 1 3 1 论文主要工作 本文研究了时态g i s 的相关理论、归纳了g i s 动态可视化的各种类型，并对 时空数据模型进行了比较和总结。在此基础上，以南水北调工程山东段的各类 图形数据和属性数据为基础，基于a r c g i s 平台，设计开发了水流信息的动态可 视化模型。主要内容包括水流信息动态可视化的系统设计，水质变化的二维、 三维动态可视化表达，水流过程的动态模拟等。 1 3 2 论文结构 论文的内容安排如下： 第一章，绪论。介绍了课题的研究背景及意义，研究现状以及论文的主要 工作和论文的组织安排。 第二章，g i s 动态可视化。介绍了时态g i s 的基本概念及其应用、g i s 动态 显示模型的分类等。 第三章，时空数据模型研究。对常见的几种时空数据模型进行了总结和比 较，并对基态修正模型的改进做了进一步研究，在已有几种基态修正改进模型 的基础上提出了动态多基态多级差修正模型。 4 第四章，水流信息二维动态可视化实现。设计了水流信息二维动态可视化 的系统实现方案，完成了相关的数据处理工作，并基于a r c o b j e c t s 组件技术实 现了水质变化的动态可视化和水流过程的动态模拟，对水流过程中的时空数据 进行了空间插值，提高了动态可视化的效果。 第五章，水流信息三维动态可视化应用方案。介绍三维可视化的基本概念， 提出了三维可视化的系统设计方案，并基于a r c s c e n e 进行了应用研究，实现了 水质信息的三维动态可视化。 第六章，总结和展望。对全文进行了总结并对下一步的工作进行了展望。 第二章g i s 动态可视化 传统n g i s 注重表达地理信息的空间位置和属性信息，只能表达某一静态 点的地理现象，不能表现地理信息随时间变化的规律。如何处理地理信息随时 间变化的动态特性是g i s 的重要研究方向之一。 2 1 时态g 1 s 概述 2 1 1 时态g i s 的概念 现有的g i s 大多不能处理数据的时间动态性，只是描述数据的一个瞬态， 当数据发生变化时用新数据代替旧数据，系统成为另一个瞬态，旧数据不复存 在，因而无法对数据变化的历史进行分析，更无法预测未来的趋势。这类g i s 亦称为静态g i s 。 空间、属性和时间是地理信息的三要素。时态g i s 是能够跟踪和分析随时 间变化的空间、非空间信息的地理信息系统 5 】。 时态g i s 除了具备静态g i s 的所有功能外，还具有以下特有的功能： f 1 1 档案功能：记载相关区域随时间的演变； ( 2 ) 分析功能：以变化为参照，分析历史数据，预测未来发展趋势： ( 3 ) 更新功能：保持g i s 数据的现时性，延长服务期； f 4 ) 显示功能：以真实的动态方式，回答用户关于“哪里”、“何时”、 “怎样”的询问； ( 5 ) 其他功能：包括检查新旧数据的逻辑一致性，预定义某些时空临界状 态，并识别、预报它们。 表2 1 归纳了时态g i s 的基本功能“2 “。 表2 1 时态g l s 功能框架 功能类别 内容 数据存储历史数据、当前数据和预测数据的存储 数据编辑、更新时态数据的编辑、时间格式变换，状态变化等 数据查询 属性查询、空间查询和时间查询 时空数据分类，时空拟合，变化统计分析，时空叠加， 时空分析 时间序列分析，预测分析等 时空数据可视化动态可视化、多维可视化及专题图显示等 由于具有时空特性的地理数据的复杂性和现有计算机软硬件技术的局限 性，因此要在时态g i s 中实现令人满意的时空集成，还存在许多困难。本文着 重研究了时空动态可视化在水流信息模拟中的应用。 2 1 2 时态g i s 的应用 时态g i s 对于动态描述地理现象的变化具有突出的意义。其应用领域也相 当的广泛【9 l 。 ( 1 ) 环境监测 环境恶化是许多发展中国家面临的一个非常严重的问题。诸如林草植被破 坏、生态功能衰退，水土流失加剧，天然林面积减少，生物资源总量下降，生 态环境恶化，耕地减少，土地退化等问题亟待进行科学的综合治理。而时态g i s 可以对温度变化、降水量的分布、云团走向、作物长势、植被覆盖变化等进行 模拟与分析，提高环境监测水平。 ( 2 ) 地籍管理 地籍变化的时空特性比较明显，涉及到地块分裂、地块合并、权属主变更、 用地类型变化等数据管理。为了能够较好地反映和追踪地籍变更的历史，对历 史数据进行查询分析、减少地块纠纷案件和正确评价鲍块的使用价值，可以对 土地利用变化进行动态监测。目前针对地籍系统的动态系统的开发和应用较多， 涉及动态土地信息系统的时空过程及时空数据存储 8 】，土地利用变化动态监测， 对象关系型g i s 中改进基态修正时空数据模型，基于基态修正模型的地籍时空 数据库等。 ( 3 ) 交通安全 交通部门利用时空可视化系统监测交通路线及设施的使用、维修情况，根 据提供的各种不断变化的历史信息分析决定交通设备的维修管理安排。高速公 路的安全部门需要使用时空可视化系统跟踪事故发生的位置、日期、时问、季 节及光线度，从而采取有效措施减少交通事故的发生。 ( 4 ) 海岸线变化管理 通过对存储的海岸线变化进行管理分析，可以为研究地球板块构造规律、 了解海洋和陆地的相互关系提供重要的参考依据。 ( 5 ) 城市及区域管理 利用时空可视化系统可以分析并跟踪区域的地貌特征、人口调查及公共设 施等情况。通过记载各方面信息不断更新的历史，可用于城市及区域规划的决 策、工程计划的制定、各时期土地利用情况的分析，以及动态显示该区域的演 变进展等。 ( 6 ) 车辆实时导航 在g p s 导航系统中，通过建立时态数据库，提供现时、历史数据，显示车 辆所处位置和行程轨迹，可以为车辆提供导航服务或进行监控。 时态g i s 在森林火灾模拟、洪水淹没模拟、水质污染扩散、土壤土质变化 等领域也有重要的应用价值，不再逐一叙述。 2 2 时间与时空数据 时间的概念在不同的领域有不同的理解。如亚里士多德认为时间是运动量， 牛顿认为时间是绝对的，爱因斯坦则认为时间是相对的。本文研究的是地理信 息系统领域中有关的时间定义。 在g i s 中，我们认为时间是一条没有端点，向过去和将来无限延伸的线轴。 它是现实世界的第四维，除了与空间一样具有通用性、连续性和可量测性之外， 还具有运动的不可逆性或称单项性。在时间轴上定义了一些基本元素9 儿1 7 儿18 】： ( 1 ) 时间粒度：即时间的分辨率，用r t 表示。当lt l t 2l = r t ，则认为t l t 2 。 ( 2 ) 时间单位：时间表达的量度单位，用u ( t ) 表示。常用单位有世纪、 年、月、日、分、秒等。 ( 3 ) 时刻( t i ) ：存在一个时间t i ，当满足条件u ( t i ) r 。，贝l j t i 为时间段。 ( 4 ) 时间段( t p ) ：存在两个时亥t j t i ，t j 满足u ( t i ) = r t ，u ( t j ) = r t ，则时间段 t p 2 t j - t i 。 在时空数据库中，需要表示有效时间、事务时间和存在时间三种时间。有 效时间和事务时间看作两个时间维。有效时间是指现实世界的时间，在此期间 数据是有效的，即所代表的事实在此期间成立。事务时间为对象在数据库里存 储的时间，它表示数据在数据库中的状态。对象的属性值和联系可能经常变化， 而对象作为该对象本身并没有改变，为了区别这种情况，我们定义对象在客观 现实世界里存在的时间为存在时间。有效时间主要针对对象的属性和联系，而 存在时间用于标记对象【2 。 2 2 2 时空数据 时空数据是指包含时间和空间要素的数据。时空数据可分为实时数据和具 有时间要素的历史数据两大类。 实时数据是指实时获取的数据。根据获取途径可分为实时测量数据和实时 计算数据两类。实时性是实时数据具有的最大的特点，当数据被记录并保存下 来就成为历史数据。实时测量数据主要应用于实时追踪。实时计算数据主要应 用于模型分析和预测。 历史数据与实时数据相对，不是实时获取的，而是已经保存的具有时间要 素的数据。历史数据记录了不同历史时间地理事物的状态，其中蕴涵着事物变 化的过程和变化趋势。历史数据的重要性在于保存了地理事件和地理事物的历 史状态，对众多的历史数据进行统计和分析有助于更清晰地展现地理事物的特 征并了解其发展过程，根据时间要素对历史数据进行轨迹回放不但能动态再现 地理事物的历史状态，更重要的是能模拟事物的发展演化过程，在此基础上动 态分析、预测事件和事物的发展趋势。历史数据的应用十分广泛，包括土地利 用类型的变化、人口重心变化等p j 。 2 3 时空数据动态可视化 2 3 1 空间信息可视化 可视化( v i s u a l i z a t i o n ) 最初仅是形象化的一般性解释，它是指在人脑中形成 的对某物或某人的图像，是一个心智处理过程，促进对事物的观察力及概念的 建立等。随着科学技术的迅猛发展，可视化被赋予了新的含义 19 1 。 2 0 世纪8 0 年代，美国国家自然科学基金报告中提出了科学计算可视化的概 念。科学计算可视化是指基于计算机系统和技术，将实验或数值计算的大量抽 象数据转换成计算机图形图像在屏幕上显示出来。科学计算可视化的应用领域 非常广泛，在地学领域就表现为地学信息的可视化。科学计算可视化与g i s 和 地图学的结合，不仅促进了地图学和g i s 的深入发展，而且还产生了一门以科 学计算可视化、g i s 和地图学等科学相互结合和交叉的学科一空间信息可视化。 空间信息可视化以地理环境为依托，强调地理认知和分析，探讨空间信息 所反映的规律【2 扪。其主要特征包括交互性( 用户通过调整可视化变量获得不同 的可视化效果) 、可视化多样性( 可以用图形、图像、图表、三维实体、动画 等表示空间信息，并结合建模和空间分析进行更高层次的过程模拟) 等。 空间信息可视化的研究主要包括以下几方面内容 2 2 】： f 1 1 二维图形图像方法 传统的g i s 可视化采用了二维图形图像的表示方法。g i s 中空间信息的可视 化方法主要是对传统地图学以及制图学可视化方法的数字化实现。但在数字化 基础之上，由于计算机可以非常灵活与便捷地处理空间信息，因此可以极大地 丰富传统地图学的可视化方法。如为了满足军事、旅游以及导航等需求，可以 制作动态地图；为了满足专门行业需求，可以制作突出行业信息的专题地图； 为了满足特定工程任务，如非典疫情分布的实时统计与监测，可以结合计算与 分析功能制作实时的专题地图等。 ( 2 ) 三维图形图像方法 现实世晃是一个三维空间，将现实世界表达成三维模型更加直观逼真，因 9 此三维表达以对现实世界的仿真手段为主。 三维空间的表现方式与手段随应用需求的不同而有很大的差异。常用的三 维电子地图，大多直接利用已有二维空间数据库的空间数据，通过添加少量的 空间信息，将现实环境中的主要实体表达成简单的几何形体，形成具有一定直 观性的三维地图。如果再给这些几何形体粘贴纹理图像，则形成具有一定逼真 度的三维地图。目前利用数字摄影测量方法，可以方便快捷地构建整个城市的 三维电子地图。 f 3 1 虚拟现实技术 空间信息理想的可视化是对现实世界真实的写景，随着虚拟现实技术的发 展，这一理想越来越成为现实。为了进一步提高人机交互性，将先进的计算机 可视化技术与虚拟现实技术引入地理信息系统领域是g i s 发展的趋势，虚拟现 实技术( v r ) 与g i s 结合的研究已经取得了一定的进展。 f 4 1 时空可视化 多维动态可视化，即以时间为主导的信息可视化问题越来越得到人们的关 注。目前由于一方面缺乏有效的描述模型，另方面在增加时间维之后，信息 量急剧增加，现有计算机技术难以处理与管理，因此，时空可视化方面的研究 尚有待深入。但时空可视化将是空间信息可视化发展的一个极具吸引力的方向， 时空可视化的实现将提供对自然地理现象变化的动态仿真，包括历史回溯与未 来预测等，将在根本上改变现有地理信息系统的理论体系。 2 3 2 动态可视化类型 状态变化是地理现象的基本特征之一。时空数据建模应考虑不同类型的时 空过程和应用。根据事物变化过程的快慢、周期的长短，可将地理变化分为： 长期变化( 如地壳运动) ，中期变化( 如城市化) ，短期变化( 如台风、地震) 。根据 事物变化节奏划分，存在离散变化和连续变化。对于离散变化，不同时刻的状 态无规律可循。对于连续变化，实体状态值依据定的规律约束不问断变化【2 0 1 。 按照时空应用所涉及的信息类型，本文将时空过程可分为如下类型 【9 【2 l 】【4 2 】f 4 3 】 ( 1 ) 属性动态变化 在属性动态变化中，空间位置不变，属性随时间的变化发生改变。可以动 态显示某一状态随时间的变化情况，如水质变化，土地利用类型变化等。 ( 2 ) 位置动态变化 在位置动态变化中，空间位置连续变化，而形状和属性没有发生改变。可 以直观地观察对象在不同时间的位置变化情况，如汽车位置变化，污染扩散等。 ( 3 ) 混合动态变化 在混合动态变化中，对象的空间位置随时间发生变化，同时，属性信息也 l o 随时间发生变化，是位置动态变化和属性动态变化的结合体。比如台风路径的 变化，不仅存在空间位置的移动，还包括台风状态的变化，如风力不断减弱， 从热带风暴变化为热带气旋等。 2 4 本章小结 本章介绍了时态g i s 的基本概念及其在各领域的应用，在对时空数据的认 识基础上介绍了空间信息可视化的相关技术及其内容，同时按照时空应用所涉 及的信息类型总结了时空数据动态可视化的类型。 第三章时空数据模型研究 时空数据模型的研究是实现不同尺度、不同时序空间数据互动与融合的基 础。对不同时空维度下的地理信息要素及其相互关系进行合理的表达，可以建 立高效实用的时空数据处理系统，有助于在现有g i s 基础上实现时空分析功能。 3 1 时空数据模型 g i s 数据模型的发展经历了图形属性数据文件管理模型、图形属性数据混 合管理模型和面向对象数据模型等几个阶段。随着时态g i s 的发展，时空数据 模型得到了广泛的关注。 时空数据模型是在空间数据模型中引入时间的概念，构造时空一体化数据 模型，它能有效地组织和管理时态地学信息模型，是一种包含属性，空间和时 间的语义更完整的地学信息数据模型。目前，主要的时空数据模型包括空间一 时间立方体模型、序列快照模型、基态修正模型和时空复合模型等。 3 1 1 常见时空数据模型的特点及其比较 f 1 1 空间一时间立方体模型 时空立方体模型用二维坐标表示平面空间，用一维时间轴表示平面位置随 时间的变化，两者结合组成一个三维的立方体。给定一个时间位置值，就可以 从三维立方体中获得相应截面的状态。该模型的缺点是随着数据量的增大，对 立方体的操作会变得越来越复杂，最终导致几乎无法处理【1 2 】 1 3 】。 ( 2 1 时间片快照模型 该模型基本思路是将某一时间段内的地理现象变化用其中的一系列时间片 段快照来表达，从而反映空间状态的变化。该模型的优点是简单直观，是地理 现象随时间变化的原始表达。但是快照模型只是描述了地理现象的状态，没有 表达不同快照间的空间联系，是一种基于位置或要素时变特征的建模方式，不 能确定地理现象所包含的对象之间在时间上的拓扑联系。在查询跟踪时，也无 法确定按时间联系的查询跟踪规则。出于快照方式将未发生变化的所有特征都 进行了重复存储，数据冗余大，系统效率低 1 引。时间快照模型如图3 1 所示。 空 间 维 空间维 图3 1 时间片快照模型 间维 n ( 3 ) 基态修正模型 该模型是快照模型的修正表达方法。为了避免快照模型将每张未发生变化 的快照特征进行重复纪录，基态修正模型按照事先设定的时间间隔采样。只存 储地理现象的初始状态，然后按时间间隔纪录发生变化的区域，通过对变化内 容的叠加得到每次变化时的状态。该方式只存储地理现象变化的区域而不是各 状态下的完整地理现象，因此大大减少了存储的数据量，节约了存储空间。基 态修正模型明确描述了空间对象在不同状态下的变化信息，包含了空间对象在 时间维上的拓扑特征，可以方便的寻找出地理现象随时间的变化规律 13 1 。基态 修正模型如图3 2 所示。 空 间 维 空间维 图3 2 基态修正模型 间维 n 1 f 4 ) 时空复合模型 该模型是由基态修正模型发展而来，将空间分隔成具有相同时空过程的最 大的公共时空单元，每次地理现象的状态变化都意味着一部分区域将从整个空 间内独立出来产生一个新的对象，对象把变化历史作为它的时态属性。时空单 元中的时空过程可用关系表来表达，若时空单元分裂时，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，采用关系表中新增一列的时间段来表 斗 懋 达，从而达到用静态的属性表表达动态的时空变化过程的目的【l 。 f 5 1 第一范式( 1 n f ) 关系时空数据模型 该模型按第一范式要求存储时态数据，一个对象的历史过程需要用几个元 组表达，元组中每个属性值都具有时间标记。对于一个空间范围的要素进行表 达，即使没有发生空间拓扑变化，仅仅是一个属性特征值发生变化，也必须增 加一个新的元组来表示。因此，数据表中记录了大量重复数据。 f 6 ) 非第一范式( n l n f ) 关系时空数据模型 该模型是针对第一范式提出的处理复杂结构对象的时空数据模型。非第一 范式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，由于时态数据库的理论问题和商业数据库 管理系统的限制，采用非第一范式关系时空数据模型开发实际运行的应用系统 还有一定的难度l 2 3 1 。 ( 7 ) 基于特征的时空数据模型 特征( f e a t u r e ) 是对地理现象的高度抽象和全面表达，包括了地理现象在空 间、时间和属性等方面的所有信息。基于特征的时空数据模型是“一组由相关 关系联系在一起的时态特征集”，是在特征分类和特征实例识别的基础上，在 时态和空间参考系统框架下，建立以特征实例为单位的特征属性( 包括专题属 性、空间属性和时态属性) 、特征功能和特征关系等地理信息的全面有机表达。 d a v i d a r c t u r 等学者指出：“建立基于特征的时空数据模型对于实现g i s 互操作、 对地理实体进行更新、按谱系查询、进行复杂地理分析具有很好的前景”f 2 ”。 对上述时空数据模型的比较如表3 1 所示1 4 6 1 ： 表3 1 常见时空数据模型的功能比较 时空立方体序列快基态修正 时空复合第一范非第一范式 模型 模型 照模型模型模型式模型模型 数据存储效率 差差好好差好 数据编辑 差好好中好中 时态查询好差中 中 由 好 时态建模好差差中中好 时空可视化好差中中 由 好 上述介绍的几种时空数据模型各有优缺点，有的模型在理论上比较完善， 但受限于目前d b m s 软件及g i s 软件的限制，难以在实际中应用：有的模型在实 际中容易运用，但在理论方面却存在一些不足之处。从时空信息表达能力和和 1 4 具体实现的可能性两方面考虑，基态修正模型是一种较好的模型。针对基态修 正模型的进一步改进及其在a r c g i s 平台上的实现将在3 ，2 小节讨论研究。 3 i 2 时空数据模型研究的意义 现有g i s 系统大多采用二维或三维的空间数据组织与管理，以图层为处理 基础，延续了地图处理的模式，不能处理数据的时态性特征，无法对数据变化 的历史进行分析和预测。而在许多应用领域，g i s 要求能够提供完善的时序分 析功能，处理与时间相关的各类问题。由于目前对时空关系的理解和表达形式 还没有一个完整的、确定的框架，时空信息的完整性、一致性研究还有待深入 和完善。时空数据的复杂性和现有计算机技术的局限性，也阻碍了g i s 的发展 与完善。时空数据模型的研究，可以为g i s 的应用提供更有力的支持。 时空数据模型的研究对建立g i s 时空数据库有重要的指导意义，合理的数 据组织与管理能够提高时空数据的输入、查询和更新的速度、数据操作的响应 时间，能够更好的实现时间量测、时间序列分析、时空叠加、时空分析和预测 分析等与时间有关的空间分析功能。 时空数据模型研究的目的是在合理组织时空数据的基础上，利用时空分析 的工具和技术来模拟动态过程，研究隐含于时空数据中的信息和规律。在当前 的理论基础和技术条件下，时空数据模型研究的一个重要方向就是立足于现有 g i s 的功能，面向专业应用领域，研究针对特定领域的、可操作的时空数据模 型，拓展应用系统的时空分析功能，研究相关领域内随时阳j 变化发展的规律和 发展趋势【2 3 l 。 3 2 基态修正模型的改进 基态修正模型具有数据冗余少、表达地物变化充分、易于实现等优点，但 是对历史数据的检索时间长、对时空对象的空间关系处理不好。在载入非起始 状态的矢量数据时，需要进行数据叠加获取完整的空间数据，每一次数据处理 都要考虑此前的系列变化。因此，系统的执行效率比较低，需要对基态修正 模型进行改进。 3 2 1 水流信息的时空分析 对于本课题研究的水资源优化配置系统而言，水流信息数据可以分为静态 数据和动态数据两类。静态数据主要包括水流线路和各分水口、闸门等节点。 动态数据则包括各供水段的水流量、流速、水质等等。静态数据主要考虑的是 其空间特征，除非空间位置发生变化，否则不具时态性。动态数据则既具有较 强的时态性特征，也具有相关的空问特征。总的来说，水流信息数据具有下列 时空特性。 ( 1 1 数据时态性强 在水资源优化管理中，不仅动态数据具有很强的时态性，现有的各类静态 数据也具有一定的时态性特征。随着水资源管理的不断深入和细化以及沿线各 地区社会和经济的发展，水流路线可能要不断增