時(shí)空數(shù)據(jù)模型概述及研究

韓 劍

合肥學(xué)院數(shù)學(xué)與物理系，安徽 合肥 230000

0 引言

隨著GIS應(yīng)用的推廣與深入，用戶對(duì)空間數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性和準(zhǔn)確性提出了更高的要求。目前，我國(guó)基礎(chǔ)測(cè)繪工作重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向持續(xù)更新和靈性服務(wù)。如何建立高效的空間數(shù)據(jù)庫(kù)更新機(jī)制，如何提高空間數(shù)據(jù)庫(kù)更新的自動(dòng)化程度，已成為亟待解決的問(wèn)題，有效地空間數(shù)據(jù)更新機(jī)制有助于提升空間數(shù)據(jù)庫(kù)的現(xiàn)勢(shì)性，增強(qiáng)空間數(shù)據(jù)的利用率，使GIS更好的服務(wù)民生、輔助政府決策，而增量更新的重要研究?jī)?nèi)容是建立時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，規(guī)范化的時(shí)空數(shù)據(jù)建模作為其核心技術(shù)尚處在探索階段。

1 時(shí)空對(duì)象與時(shí)空語(yǔ)義

從建立數(shù)據(jù)模型的角度可將時(shí)空對(duì)象看作是空間對(duì)象，時(shí)態(tài)對(duì)象和屬性對(duì)象的抽象，而空間數(shù)據(jù)對(duì)象的擴(kuò)展是從空間數(shù)據(jù)類型開始的。

對(duì)于時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)類型同樣可定義具有時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間區(qū)間和時(shí)間集合特征的時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)類型。

整個(gè)時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)類型的擴(kuò)展層次如圖1所示:

圖1 時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)類層次

2 幾種主要的時(shí)空數(shù)據(jù)模型

合理的時(shí)空數(shù)據(jù)模型包含如下幾方面的因素:如何節(jié)省存儲(chǔ)空間，加快存取速度，確立時(shí)空語(yǔ)義詮釋和模型體系結(jié)構(gòu)的層次[1]。TGIS模型主要包括序列快照模型、空間時(shí)間立方體模型、基態(tài)修正模型、時(shí)空數(shù)據(jù)模型的面向?qū)ο蟮取?/p>

2.1 空間時(shí)間立方體模型

空間時(shí)間立方體模型詮釋的是一個(gè)3維立方體，由一個(gè)時(shí)間維和空間兩個(gè)維度組成的，形象的詮釋了二維空間向著第三個(gè)時(shí)間維演變的過(guò)程（如圖2所示）[2]。空間一時(shí)間立方體作為任意一個(gè)空間實(shí)體的改變過(guò)程中的一個(gè)實(shí)體。模型形象地采用了時(shí)間維的幾何特征，詮釋了空間實(shí)體是一個(gè)時(shí)空體的理念，易于讀者理解，模型實(shí)現(xiàn)的難度在于三維立方體的詮釋。

2.2 序列快照模型

快照模型有柵格快照模型和矢量快照模型，是通過(guò)將一系列時(shí)間片段的快照存儲(chǔ)起來(lái)，為反映地理現(xiàn)象的時(shí)空演變過(guò)程，要使每個(gè)切片都分別對(duì)應(yīng)著不同時(shí)刻的狀態(tài)圖層，按照需要對(duì)所選擇的時(shí)間片段進(jìn)行播放，有一些GIS就是用該方式來(lái)慢慢逼近時(shí)空特征.該模型的優(yōu)越之處在于:一是目前的數(shù)據(jù)庫(kù)一直處于合理有效的狀態(tài)；二是能夠直接在目前的地理信息系統(tǒng)軟件中實(shí)現(xiàn)。然而，快照將沒(méi)有發(fā)生變化的全部特征進(jìn)行儲(chǔ)存，會(huì)出現(xiàn)許多數(shù)據(jù)冗余，如若模型變化較為頻繁，而且數(shù)據(jù)量較大時(shí)，系統(tǒng)效率就會(huì)迅速降低，結(jié)果必然難以處理時(shí)空對(duì)象間的時(shí)空關(guān)系。

圖2 空間時(shí)間立方體模型[2]

2.3 基態(tài)修正模型

通過(guò)設(shè)置基態(tài)修正模型時(shí)間間隔進(jìn)行采樣，避開快照模型使每一次沒(méi)有發(fā)生改變部分特性反復(fù)進(jìn)行記錄。該模型也具有柵格和矢量?jī)煞N模型?；鶓B(tài)修正模型中任何一個(gè)對(duì)象只需儲(chǔ)存一次，每改變一次，僅有很小的數(shù)據(jù)量需要記錄，只是將發(fā)生改變的對(duì)象存人系統(tǒng)中。該模型可以在當(dāng)前的GIS軟件上達(dá)到比較好的實(shí)現(xiàn)，以地理特征作為基本對(duì)象。更新式的操作可以依靠單個(gè)地理特征而達(dá)到。對(duì)于矢量數(shù)據(jù)來(lái)講通過(guò)疊加來(lái)表達(dá)狀態(tài)效率太低，而比較適應(yīng)于柵格數(shù)據(jù)。但是也未體現(xiàn)出這種狀態(tài)過(guò)渡的過(guò)程，因此有人提出了通過(guò)設(shè)計(jì)“過(guò)程庫(kù)”來(lái)記錄變化過(guò)程，即基態(tài)修正模型的擴(kuò)展[3]。

2.4 空間時(shí)間組合體模型

空間時(shí)間組合體模型針對(duì)矢量數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，及后來(lái)的學(xué)者對(duì)它進(jìn)行了精確詳細(xì)闡述。為了使任何一個(gè)時(shí)空對(duì)象的改變都能使整個(gè)空間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)新的對(duì)象。模型將空間分離成有同樣時(shí)空過(guò)程的最大公共時(shí)空單元，歸納了其屬性.此模型使空間變化過(guò)程和屬性改變都反映為空間的變化過(guò)程，是基態(tài)修正模型和序列快照模型的折衷模型（如圖3）。最大的短板在于對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的較大依靠和多邊形的碎化。

圖3 時(shí)空復(fù)合模型[2]

2.5 面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型

基于上述幾種模型提出來(lái)取得了很好的效果[4]。地理時(shí)空作為面向?qū)ο蟮幕舅枷肜砟罱M織的核心部分。其定義實(shí)體是當(dāng)中對(duì)象是獨(dú)立封閉的且具有惟一標(biāo)注。根據(jù)空間、時(shí)間及屬性在不同應(yīng)用中重點(diǎn)關(guān)心的部分，分別應(yīng)用于時(shí)間（事件）、位置（柵格）或?qū)ο螅ㄊ噶浚┑南到y(tǒng)構(gòu)造方式。然而面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型存在兩個(gè)方面的短板:缺少時(shí)空變化的語(yǔ)義，不能很好表達(dá)空間拓?fù)潢P(guān)系的改變；構(gòu)造數(shù)據(jù)時(shí)，未按照語(yǔ)義進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)組織，對(duì)象的時(shí)空屬性與其他屬性未區(qū)分開來(lái)。

上述的模型都存在一定的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，相對(duì)規(guī)范化的時(shí)空數(shù)據(jù)模型的探討及研究正處在探索階段。

3 當(dāng)前時(shí)空數(shù)據(jù)模型存在的問(wèn)題

目前時(shí)空數(shù)據(jù)模型存在的問(wèn)題有:研究理論多，研究應(yīng)用少；模型提出的多，原型實(shí)現(xiàn)的少；矢量數(shù)據(jù)格式的模型面向的較多，柵格數(shù)據(jù)格式的模型面向的較少，想要很好的使用到實(shí)際中還有一段距離，而且多集中在地籍變理管理、土地劃撥等領(lǐng)域，在環(huán)境管理領(lǐng)域和森林資源幾乎未曾涉足。

目前的時(shí)空數(shù)據(jù)模型大多不是面向地學(xué)問(wèn)題的，而是從計(jì)算機(jī)闡述的角度出發(fā)，缺乏對(duì)地理現(xiàn)象或?qū)嶓w的顯式含義和基礎(chǔ)關(guān)系闡述。對(duì)復(fù)雜繁瑣的地理現(xiàn)象或?qū)嶓w的闡述及地理過(guò)程分析存在嚴(yán)重不足。不同類型層次主要因素之間可能存在的語(yǔ)義關(guān)系很難表達(dá)清楚。不同層次主要櫻色之間可能存在的空間關(guān)系難于表達(dá)明了，還需通過(guò)復(fù)雜的空間疊加操作才能得到最終查詢結(jié)果。

4 時(shí)空數(shù)據(jù)模型的發(fā)展方向

1）增強(qiáng)對(duì)時(shí)空語(yǔ)義的詮釋和探索。世界研究對(duì)象的多種類特征導(dǎo)致了時(shí)空信息的多語(yǔ)義性。時(shí)空數(shù)據(jù)建模根本任務(wù)在于空間和時(shí)間的語(yǔ)義建模，所以在時(shí)空數(shù)據(jù)建模前，應(yīng)該避免原始的由靜態(tài)空間角度的思維方法，轉(zhuǎn)而從動(dòng)態(tài)的時(shí)空角度去思考問(wèn)題，在了解GIS時(shí)空特性的基礎(chǔ)上，依據(jù)具體應(yīng)用領(lǐng)域解析所探索的對(duì)象及其特定時(shí)空語(yǔ)義，為時(shí)空數(shù)據(jù)模型的建立夯實(shí)基礎(chǔ)；

2）鞏固時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)模型的建設(shè)和設(shè)計(jì)探究。時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)是不同尺度、不同歷史及不同維度的大量時(shí)空數(shù)據(jù)和非時(shí)空數(shù)據(jù)的集中組合，是時(shí)空GIS的核心的重要組成部分，需要長(zhǎng)期基礎(chǔ)性的工作去細(xì)化；

3）探索多維空間數(shù)據(jù)模型與建模方法、時(shí)空分析與可視化的基本理論和關(guān)鍵技術(shù)、動(dòng)態(tài)處理與集成管理，從而加深對(duì)三維空間實(shí)體和時(shí)空變化的4維數(shù)據(jù)建模的了解。

5 結(jié)論

時(shí)空數(shù)據(jù)建模是研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。近年來(lái)，對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計(jì)、歷史分析、動(dòng)態(tài)分析、及趨勢(shì)預(yù)測(cè)方面提出了更為迫切的要求。本文通過(guò)對(duì)時(shí)空語(yǔ)義及時(shí)空對(duì)象的闡述，介紹了幾種主要的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，并且指出了其中的問(wèn)題，還介紹了時(shí)空數(shù)據(jù)模型的發(fā)展方向。

[1]吳忠東，張照錄，等.時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究原則與表達(dá)方法的探討[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，20O4，18(2).

[2]孫妍.基于事件的面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型研究與應(yīng)用[D].大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

[3]閆宏斌.時(shí)態(tài)GIS數(shù)據(jù)模型及基態(tài)修正時(shí)空數(shù)據(jù)模型的擴(kuò)展[J].三晉測(cè)繪，2002，12(3，4).

[4]張山山.一種時(shí)空四維數(shù)據(jù)模型[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2000，20.