时态GIS中时空数据表达综述.pdf

第 24 卷 第 4 期 2001 年 12月 华 东 地 质 学 院 学 报 JOURNAL OF EAST CHINA GEOLOGICAL INSTITUTE Vol 24 No 4 Dec 2001 收稿日期 2001 07 03 作者简介 陈荣清 1973 男 华东地质学院大地测量学与测量工程专业在读硕士 研究方向为土地信息系统 时态 GIS 中时空数据表达综述 陈荣清 谢刚生 邹时林 华东地质学院 测量系 江西 抚州 344000 摘 要 尽管GIS 和空间数据库已经存在了30 多年 但是直到近几年时间维才引起计算科学和地理界同行们的广泛关注 这是现实的客观需求 也是 GIS 深入发展的必然趋势 本文综述了近段时期在时空方面基本的表达和分析方法 望对同行 有所裨益 关键词 GIS 时间 空间 表达 中图分类号 P208 文献标识码 A 文章编号 1000 2251 2001 04 320 04 0 引言 传统 GIS 表达事物的方式是认定现实世界是 一个现存的状态或者说是静态的世界 空间数据库 中数据的信息也是反映当前状态的 人们通过修改 或删除某一记录来反映当前的变化事实 1 这样一 来历史的或随时间动态变化的信息无法保存 因此 人们就开始研究能够反映历史记录的时态 GIS 在 理论水平上 GIS 的本意是想提供一个统一的 灵活 的工具以便研究地理现象 而现实是一直发展和动 态变化之中的 自然也就要求 GIS 能够表达和分析 时间上的空间变化 在实践上 GIS 的广泛的使用 人们逐渐认识到地理数据库中那些被删除的或覆 盖的历史信息意义 客观上也产生了如何保存历史 记录的需求 而快速下降的存储代价和大容量的存 储设备也使得历史记录存储成为可能 现实中 不 论城市还是乡村人们越来越需要了解人类自身的 活动随着时间对自然产生的影响 以便更好的利用 和保护自然资源 人类生存环境 所有这些都要 求GIS 能够记录和分析空间在时间上的变化 2 因 此时态地理信息系统的研究就成为近段时期的一 个热点 1 时空数据的表达 为了理解和比较不同的时空表达方法 在此我 们有必要了解一下有关的几点预备知识 在传统时空数据 spatio temporal data 3 模型中 很容易让人想起两中类型的问题 第一种是与在 特定时间中与世界状态有关的 如某特定现象在Ti 特定时刻它的分布状态如何 另一种是与空间实 体位置或属性有关的 如哪一个属性或元素在特定 时间段里变化了或正在变化 那么像回答这种与变 化有关的问题 自然要求人们能够提供某一现象动 态显示或视图 因此如何在传统的理论和技术上表 达时间和变化就成为首要的问题 从理论上来说 时态数据库基本目标是在时间上记录和描述变化 变化也通常被认为是事件的集合 如在某个森林 中主要物种改变 森林大火的发生 土地所有者的 变更等都称为变化 但是变化或事件就其本身时态 模式来讲可分为以下几种 连续不断的 在整个时间间隔都在发生的 经常性的 在大多数时间会发生 偶然性的 在一些时间会发生 唯一性的 在生命期或特定时间中只发生一 次 从这几种类型中我们应该得出不同变化的频 率和持续度是描述时态变化模式的一个重要方面 这些模式在现实中可能表现得非常复杂 因为他们 可以相互交错或者复合在一起 而跟实体或位置 相关的变化又可能是突然或逐渐的 实体的出现 发展直至消亡都有可能以一种复杂的方式演变着 既然实体的变化类型有如此多种也很复杂 那么我 们如何判定或者标识一个实体呢 如何区分同一 个实体的不同变化阶段而不是变成了另外一个实 体呢 什么样的变化才是使实体改变而非不同状 态 这些都是要研究的问题 2 当前流行的几种时空数据 2 1 基于位置的时空数据表达 在现行的地理信息系统中很容易扩展成时态 GIS 数据模型的是时空快照 2 即在Ti 时刻对所有 对象重新记录一次犹如快照一般 如图 1 所示 图 1 时空快照模型 Fig 1 The snapshot approach 这种数据模型一般用在基于格网的数据模型 中 为了存储与某一单层中特定域的所有相关信 息 必须重复记录那些未曾变化的特征信息 数据 被一系列分离的时间间隔记录着 这种方法能够很 好地恢复历史上某一时刻的所有信息 但也存在以 下缺陷 1 数据容量随着时间急剧膨胀 因为每一次 快照都是一个区域的完全表达 存在大量冗余 2 某一个具体位置或点的变化只通过前后两次比较 才能得出 这自然增大了操作时的难度 3 两个快 照之间时间间隔不易确定 发生在间隔之间的变化 信息无法获取 鉴于以上快照的一些缺陷 一些学 者提出了基状修正的模式如图 2 图 2 基状模型 Fig 2 The temporal grid approach for representing spatio tmporal data 这种模式是把特定位置每一次的变化量都加 在开始位置记录之后 这样就会形成一个变长的不 等的记录串 它要求在最初时刻记录整个区域的所 有信息 这种模式与快照记录相比能够大量减少 数据冗余 2 2 基于实体时空表达 在 1991 年时 国外的一些学者 Langran 1992 就针对前面的时空数据表达的一些缺陷提出了记 录具体实体的变化而非记录位置变化的数据表达 方式 这种表达的概念从更广泛的认识水平上是 拓扑逻辑矢量方法的扩展 这种方法引用了增补的 概念 即发生在原始点之后任何变化都以增加部分 按顺序记录 在此举一个例子如图 3 所示 3 图 3 矢量增方法 Fig 3 The Amendendent approach t1 时刻小路的走向如图所示 经过一段时间后 在 t2 时刻小路变直了 这时的修改要求把原来的 t1 时刻小路在交叉 点分割成三部分 分别用1 2 3来表达 然后把第 2 部分用新的线段即较粗的线段来代替 发生变化的 时间 ti 作为矢量的一个属性来存储 这样一来本是 一个整体的线段分成了四部分 这种方法能够较 好的获得单个实体的整体性 矢量拓扑逻辑也能在 时间上清晰的表达 2 3 基于时间的时空表达 1994 年 Wentz 1995 年 Peuquet 4 5 和 Duan 都提 出用时间组织时空数据 这种方法作为基于位置 和实体的一种补充 它能够清晰地存储时态拓扑逻 辑 如图 4 所有变化通过时间以事件顺序来存储 与变化 相关的时间以先后的顺序按照增加的方式记录在 基状时间后 存储时间不同表明两个事件的时间 间隔 在时间线中每一个位置或时态矢量能够与位 置或实体或两者都相联系 它的很突出的优点是 对与时间相关的问题反映灵敏 适合于与时间紧密 的变化事件 321第4 期 陈荣清等 时态 GIS 中时空数据表达综述 图 4 时间事件 Fig 4 A Time line 2 4 基于对象的时空表达 面向对象的技术是用在软件设计中的一种方 法 它用在时空数据表达中主要是为了克服给定实 体的空间或非空间属性在不同时间不同频率变化 而出现的复杂问题 它有两个关键技术 一是把事 物的各部分作为一个统一的整体来存储 容缩 技术 二是继承的方法 即每一个对象与分类等级 的清晰链接标明对象的类别 如湖 A 是一个湖代 表了一种继承关系 图 5表明如何用这种方法来表 达对象实体 在这个例子中使用了非空间 空间 时 态和分类的成分 使得对象间复杂关系能通过时间 容易获得 6 3 结束语 尽管时态 GIS 的研究进行了几十年 在时空 图5 面向对象方法 Fig 5 The object oriented approach 数据的表达和时空语义方面取得了一些进展 在某 些方面也已接近实践的需要 但要真正的获得一个 完全意义上和商品化的时态 GIS 软件产品还需走 很长的一段路 7 还需要广大研究者的共同的努 力 参 考 文 献 1 张师超 时态数据库述评 J 计算机科学 1992 19 3 P37