GIS概论课件 GIS空间时态数据库

地理信息系统概论第4章地理信息系统空间数据库2023/2/281地理信息系统概论地理信息系统（GIS）GeographicInformationSystem参考文献：陈述彭等《地理信息系统导论》科学出版社2000TorBernhardson,GeographicalInformationSystems,JohnWiley&Sons,Inc.1999Paual.A.Longley,GeographicalInformationSystemsandScience,JohnWiley&Sons,Inc.2000龚健雅《地理信息系统基础》科学出版社2001邬伦等《地理信息系统—原理、方法和应用》科学出版社20012023/2/282地理信息系统概论本章内容空间数据库概述1.

传统数据模型2.语义数据模型和面向对象数据模型3.

逻辑模型设计和物理设计4.

GIS空间时态数据库5.2023/2/283地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库1.空间时态数据库概述2.时空一体化数据模型3.时空数据模型中存在的问题2023/2/284地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库1.空间时态数据库概述

时间特性：

GIS所描述的现实世界是随时间连续变化的。传统的无时间概念的GIS数据,只能是现实世界在某个时刻的“快照”。当被描述的对象随时间变化比较缓慢且变化的历史过程无关紧要时,可以用“数据更新”的方式来处理时间变化的影响。然而在某些应用中,被描述的对象随时间变化很快(例如云量变化、日照变化等)或者历史数据也必须予以保存(例如,地籍变更、海岸线变化、环境变化等)。2023/2/285地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库虽然某些地理现象或地理事件并不一定需要记录和存储其时间数据，但如果地理信息系统具有支持时间的功能，能将时间变量加入到地理信息系统空间分析过程中去，则将具有更大的应用范围。因此时空复合操作，即将空间分析的问题进一步扩展为时空分析的范畴，已成为地理信息系统的重要组成部分。1.空间时态数据库概述2023/2/286地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库1.空间时态数据库概述时空地理信息系统是一种四维（X，Y，Z，T）的信息系统，其中（X，Y，Z）表示空间系统，（T）表示时间，这是一种具有时空复合分析功能和多维信息可视化的系统。2023/2/287地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库1.空间时态数据库概述时空数据库系统或数据处理技术，其内容表现为以下三个主要方面：1）空间时态数据的表达。空间时态数据表达的目的在于建立空间时态一体化数据模型。它涉及到时间标志、空间时态版本的表识、空间变化类型的定义、空间拓扑与时态拓扑、空间时态数据的存储结构，以及存储策略等内容。2023/2/288地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库1.空间时态数据库概述2）空间时态数据的更新。空间时态数据的更新研究空间数据更新的类型、操作方法、更新对时空数据库中空间和时态拓扑的影响，以及拓扑重建等问题。3）空间时态数据的查询。空间时态数据的查询探讨空间时态数据的各种跟踪算法，多维信息的复合、分析、可视化等。2023/2/289地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库2.时空一体化数据模型地理信息系统中时空一体化数据结构和数据模型注重以一体化的形式表达地理数据在时间和空间方面的特性。

2023/2/2810地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库2.时空一体化数据模型

时空数据模型的研究历程可概括为20世纪7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。前两个阶段的研究重点主要表现为以空间为主的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,出现了大量的专门用于处理时空数据的模型和原型系统。2023/2/2811地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库2.时空一体化数据模型

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,三是面向对象方法。2023/2/2812地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库2.时空一体化数据模型一、基于栅格的时空数据模型分析1.时间快照图像序列模型该模型是较早的、经典的时空数据模型之一,它用一系列经过空间配准的栅格图像来表示真实世界在某个时刻的状态(如图1)。2023/2/2813地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库2.时空一体化数据模型此模型在快照数据库（SnapshotDatabase）中仅记录当前数据状态，数据更新后，旧数据的变化值不再保留，即“忘记”了过去的状态。连续快照模型是将一系列时间片段快照保存起来，反映整个空间特征的状态，根据需要对指定时间片段的现实片段进行播放。一、基于栅格的时空数据模型分析1.时间快照图像序列模型2023/2/2814地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库2.时空一体化数据模型这种模型概念简单、易于理解、容易实现,但具有几个明显的缺点:①只能给出特定时刻地学现象的状态,而且必须通过比较对应的像素才能派生出相应的变化信息;②数据冗余大,即使某些位置在给定时刻未发生变化,也必须存储这些数据,造成大量存储资源的浪费;③没有显式地包含时态信息,只能采用独立的存储方式,如反映在图像的文件名上,并且不支持时态关系的表达。1.时间快照图像序列模型一、基于栅格的时空数据模型分析2023/2/2815地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库2.时空一体化数据模型一、基于栅格的时空数据模型分析2.离散格网单元列表模型该模型将格网单元及其变化以变长列表形式存储,每个列表的一个元素对应该位置上的一次时空变化。若想获得某时刻状态,只需提取相应时刻各个格网单元列表的元素。离散格网单元列表模型在一定程度上避免了快照模型的数据冗余问题,节省了存储空间,但其缺点仍与快照模型相似,没有显著的改进(图2)。2023/2/2816地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库2.时空一体化数据模型一、基于栅格的时空数据模型分析2.离散格网单元列表模型2023/2/2817地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库2.时空一体化数据模型为了避免连续快照模型将每张未发生变化部分的快照特征重复进行记录，基态修正模型按事先设定的时间间隔采样，只储存某个时间的数据状态（称基态）和相对于基态的变化量。基态修正的每个对象只需储存一次，每变化一次，只有很小的数据量需记录；同时，只有在事件发生或对象发生变化时才存入系统中，时态分辨率刻度值与事件发生的时刻完全对应(图3)。二、基于矢量的时空数据模型分析1.基态修正模型2023/2/2818地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库2.时空一体化数据模型二、基于矢量的时空数据模型分析1.基态修正模型基态修正模型较难处理给定时刻的时空对象间的空间关系。对于将整个地理区域作为处理对象时，该模型处理方法难度较大，效率较低，管理索引变化很困难。2023/2/2819地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库2.时空一体化数据模型时空复合模型将空间分隔成具有相同时空过程的最大的公共时空单元，每次时空对象的变化都将在整个空间内产生一个新的对象。对象把在整个空间内的变化部分作为它的空间属性，变化部分的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；但在数据库中对象标识符的修改比较复杂，涉及的关系链层次很多，必须对标识符逐一进行回退修改(图4)。二、基于矢量的时空数据模型分析2.时空复合模型2023/2/2820地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库2.时空一体化数据模型二、基于矢量的时空数据模型分析2.时空复合模型时空复合模型不能表达空间、专题等变化的时间意义。另外,在更新时空复合模型数据库时,需要对时空复合模型单元进行重构,其结果导致对象的几何关系和拓扑关系发生改变,因此也需要重新构建。2023/2/2821地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库2.时空一体化数据模型三、基于时间的时空数据模型分析1.基于事件的时空数据模型在基于事件的时空数据模型中,把地学现象发生变化的时刻称为事件,将时刻序列称为事件列表。时间是以事件属性形式存在的,通过事件来表现时间。除了在开始时刻存储真实世界初始状态外,其它各点均存储变化部分。基于事件的时空数据模型模型具有较高的空间和时间查询效率,但是会将对象的变化信息分解成多个片断因此需要建立索引机制把这些片断组合并还原成整体(图5)。2023/2/2822地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库2.时空一体化数据模型三、基于时间的时空数据模型分析1.基于事件的时空数据模型2023/2/2823地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库2.时空一体化数据模型四、面向对象的时空数据模型分析随着面向对象技术的发展及其优势的体现,许多学者将其应用到时空数据模型研究中。目前比较成熟的面向对象时空数据模型是1991年加拿大通用标准委员会提出的空间归档与交换格式,几经修改后于1993年成为国家标准,也是目前唯一用于时空信息处理的国家级标准。通过将版本信息标记在对象属性上,使对象的当前状态和过去不同时刻的状态相连,支持对象特征的快速提取,为对象的检索和历史事件的查询带来了方便。2023/2/2824地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库2.时空一体化数据模型四、面向对象的时空数据模型分析ESRI公司的Geodatabase模型采用版本和状态概念来管理空间数据,隐含了地学对象的时态信息。然而Geodatabase模型没有明确给出时态概念,也不支持对时态的任何操作,是不完善的时空模型。2023/2/2825地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库3.时空数据模型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,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:2023/2/2826地理信息系统概论§5GIS空间时态数据库3.时空数据模型