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时空数据模型简介 时空数据模型是TGIS和STDB的基础 时空数据模型通常由数据结构 数据操作和完整性约束三部分组成 张祖勋等 1996 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 它不仅强调地学对象的空间和专题特征 而且强调这些特征随时间的变化 既时态特征 建立合理 完善 高效的时空数据模型是实现时态GIS的基础和关键 空间和时间是现实世界最基本 最重要的属性 许多空间应用系统 尤其是地理信息系统 GIS 都需要表达地学对象的时空属性 例如在地籍变更 环境监测 城市演化等领域都需要管理历史变化数据 以便重建历史 跟踪变化 预测未来 传统的GIS数据模型强调地学对象的静态描述 通常采用矢量或栅格的方式来描述空间数据 这种机制限制了如位移 变迁等动态信息的表达 时态地理信息系统是一种采集 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 时态GIS的核心问题之一是时空数据模型的建立 时空数据模型的核心问题是研究如何有效地表达 记录和管理现实世界的实体及其相互关系随时间不断发生的变化 这种时空变化表现为三种可能的形式 一是属性变化 其空间坐标或位置不变 二是空间坐标或位置变化 而属性不变 这里空间的坐标或位置变化既可以是单一实体的位置 方向 尺寸 形状等发生变化 也可以是两个以上的空间实体之间的关系发生变化 三是空间实体或现象的坐标和属性都发生变化 当前时态GIS研究的主要问题有 表达时空变化的数据模型 时空数据组织与存取方法 时空数据库的版本问题 时空数据库的质量控制 时空数据的可视化问题等 地学中的时空观 人类对地学中时空概念的认知可以追溯到19世纪末20世纪初 1899年Davis对地貌循环的研究 1925年Sauer对历史地理学的研究 1939年Hartshorne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 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行成了多种时空关系 Tryfona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 Allen提出了基于时态区间代数理论的时态拓扑关系模型 Egenhofer Szmurlo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 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 时空数据模型研究进展 时空数据模型的研究历程可概括为20世纪70年代的酝酿起始阶段 80年代的开拓阶段和90年代后的大发展阶段 前两个阶段重点主要表现为空间为主的GIS功能研究和以时态信息处理为主的时态数据库研究 时空结合方面涉及的很少 20世纪90年代初期 出现了大量专门用于处理时空数据的模型和原型系统 目前主要时空数据模型设计方法有一下几种 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 三是面向对象方法 时空数据模型的类型 随着近年来以空间数据库为基础的GIS研究和应用的不断深入 随时间而变化的信息越来越受到人们的关注 因而提出了时态GIS 简称TGIS 的概念 时态GIS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 但是由于空间 属性 时间三者之间的关系和结构组织非常复杂 理想的时空数据库和时态GIS系统目前还没有出现 目前研究比较有影响的时空数据模型有以下几种 时空复合模型 将每一次独立的叠加操作转换为一次性的合成叠加 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 最小变化单元即是一定时空范围内的最大同质单元 其缺点在于多边形碎化和对关系数据库的过分依赖 随着变化的频繁会形成很多的碎片 连续快照模型 连续快照模型在数据库中仅记录当前数据状态 数据更新后 旧数据变化值不再保留 即 忘记 过去的状态 连续的时间快照模型是将一系列时间片段快照保存起来 以反映整个空间特征的状态 由于快照将对未发生变化的所有特征重复进行存储 会产生大量的数据冗余 当事件变化频繁时 且数据量较大时 系统效率急剧下降 基态修正模型 为避免连续快照模型将未发生变化部分的特征重复记录 基态修正模型只存储某个时间点的数据状态 基态 和相对于基态的变化量 只有在事件发生或对象发生变化时才将变化的数据存入系统中 时态分辨率刻度值与事件或对象发生变化的时刻完全对应 基态修正模型对每个对象只存储一次 每变化一次 仅有很少量的数据需要记录 基态修正模型也称为更新模型 有矢量更新模型和栅格更新模型 其缺点是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 时空立方体模型 时空立方体模型用几何立体图形表示二维图形沿时间维发展变化的过程 表达了现实世界平面位置随时间的演变 将时间标记在空间坐标点上 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 也可扩展表达三维空间沿时间变化的过程 缺点是随着数据量的增大 对立方体的操作会变的越来越复杂 以至于最终变的无法处理 时空对象模型 时空对象模型认为世界是由时空原子 Spatio temporalAtom 所组成 时空原子为时间属性和空间属性均质的实体 在该模型中时间维是与空间维垂直的 它可表示实体在空间和属性上的变化 但未涉及对渐变实体的表示 缺点是随着时间发生的空间渐进的变化不能在时空对象模型中表示 没有一个描绘变迁 过程的概念 面向对象的时空数据模型 面向对象方法是在节点 弧段 多边形等几何要素的表达上增加时间信息 考虑空间拓扑结构和时态拓扑结构 一个地理实体 无论多么复杂 总可以作为一个对象来建模 缺点是 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 时空数据模型研究中存在的问题 尽管时空数据模型的研究已经取得了比较丰硕的成果 但目前所能看到的各种方法中 理论层面和概念模型的研究居多 然而其成果仍然局限于概念模型和原型系统阶段 距离实际应用还相差较远 时空数据表达 时空地理数据库以及时态GIS的研究仍然存在很多问题 具体表现在 1 现有的模型大多是独立地模拟地学现象的空间和时态特征 二者没有紧密地结合 空间模型强调对象的几何特征 而时态模型侧重于对象特征的改变 然而在很多情况下 对象的空间属性和时态属性是密切相关的 如资源管理 环境监测等系统 缺少与时空过程模型集成表达机制是当前GIS发展的一个主要缺点 2 无法表达地学现象的连续变化 如风暴 降雨等 现有模型一般对离散变化处理的比较好 有的模型采用微小时段间隔的方法来模拟连续的变化 另外计算机系统本身也是用离散的方式来表达数据的 因此如何在离散和连续中间进行取舍是值得考虑的一个问题 时态GIS对空间对象离散和连续变化的支持不仅要体现在模型层次上 还体现在功能上 要提供统一的查询语言和表达界面 而不是视图间的切换 3 在地学对象认识和表达过程中 领域专家 数据收集者和GIS技术人员存在着重要的概念差异 导致在对象抽象方式 模型定义 数据结构和组织方式上存在着争议 经验表明 仅仅依靠简单的时间或空间的扩展方式是无法灵活 高效地表达时空现象及其关系的 也不能满足时态GIS的需求 4 时空数据模型通用性低 目前的时态GIS主要有一下3种实现方式 基于商业GIS系统的时态扩展 用于科学研究的原型系统 针对特殊应用的时空查询工具 然而这些系统大多是针对特定的应用而设计的 只能使用特定的数据结构 通用性非常弱 5 没有充分考虑数据移植问题 目前 无论是科学研究还是实际生产应用中都积累了丰富的时空数据 如何让这些数据适应新的模型 并且将其移植到新的时态GIS系统中是必须面对的一个难题 一种可能的解决方案是建立数据接口 将原有数据进行格式转换 然而这种数据移植风险是值得关注的 在构建新的时空数据模型时应充分考虑与现有的主流GIS软件的集成与兼容问题 时空数据模型以后需注意方面 时空数据模型的研究成果仍然与实际应用具有很大差距 具体表现为 理论研究多 实际应用少 数据模型多 软件工具少 在后续研究中 需注意以下几个方面 1 理想的时空数据模型应该能够集成空间 专题 时间三方面特征 综合离散 连续的表达方式 符合人类认知的逻辑思维 描述what where when三种语义 并且能够与现有的主流的GIS软件集成 支持扩展 以满足不同应用的需要 2 集中精力研究现有模型的整合与归并 并重点研究模型的逻辑设计与系统实现 不再生造没有实质性创新特点的模型 为时态GIS系统的研制提供支持 3 时空数据模型的研究应该优先考虑地学现象的行为和基于过程的分析 而不是优先考虑可用的数据格式与结构 时态GIS绝不是时态与空间的简单拼凑 应该突破传统方法 综合多学科领域的成果 建立更符合逻辑认知的 语义驱动的时空表达方法 4