福建省沿海水鳥時態(tài)數(shù)據(jù)庫的構建及其應用研究

李 崢

(福建省林業(yè)調查規(guī)劃院，福建福州，350003)

福建海岸線曲折度高，灘涂和濕地多，獨特的地理環(huán)境吸引了大量的野生水鳥在此棲息和繁殖。福建省林業(yè)部門承擔了福建省的水鳥監(jiān)測工作，每年都進行野生鳥類常規(guī)和不定時的監(jiān)測和調查，數(shù)據(jù)日積月累越來越大。由于水鳥具有移動性，而且調查和監(jiān)測數(shù)據(jù)具有明顯的區(qū)域和季節(jié)特性，隨著時間的變化而發(fā)生變化，因此傳統(tǒng)的靜態(tài)GIS數(shù)據(jù)庫應用起來具有一定的局限性。為了更好地管理和應用監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文引入時態(tài)GIS概念，建立福建省沿海水鳥時態(tài)數(shù)據(jù)庫，對已有的水鳥監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，突出時間和空間特性及關系，便于水鳥種類和數(shù)量監(jiān)測工作。水鳥監(jiān)測數(shù)據(jù)為空間矢量數(shù)據(jù)，每個要素代表了水鳥種類，屬性中記錄了水鳥種的唯一編碼、中文名、學名、季節(jié)型、分布地點、觀測時間、數(shù)量等信息。

1 時態(tài)數(shù)據(jù)的組織方法

1.1 動態(tài)數(shù)據(jù)模型

動態(tài)數(shù)據(jù)模型是基于對象的時空數(shù)據(jù)模型，以水鳥為管理空間對象?？臻g對象包括空間位置(水鳥出現(xiàn)位置)、非空間屬性(水鳥相關屬性)和時間屬性(開始、事件、結束)。在監(jiān)測到的水鳥屬性中增加時間屬性變?yōu)閯討B(tài)時空對象，每個對象中包括水鳥的時態(tài)信息、空間信息、屬性信息以及其他與其相關的行為和關系。

1.2 時間屬性存儲方式

時間具有連續(xù)性、可測量、不可逆和單項性[1]。出于監(jiān)測、分析和研究的需要，在事務中記錄實際時間，時間參考系選用日歷時間，時間類型采用絕對時間。按照水鳥的季節(jié)型特征，水鳥分為冬鳥、夏鳥、留鳥、旅鳥、迷鳥等。在水鳥矢量數(shù)據(jù)中相應增加時間字段記錄水鳥在福建的時間間隔，時間的存儲類型為日期型。

1.3 時空變化集成表達

時空變化實質是一系列沿時間軸的時空對象的變化過程，包括量變和質變，因此，時空變化包括沿時間軸的時空變化、拓撲變化和屬性變化。根據(jù)變化持續(xù)時間和頻率的不同，時空變化可分為離散和連續(xù)變化，在目前GIS軟件中難以同時描述和表達，所以，采用基于事件發(fā)生時刻和基于狀態(tài)存在時段的方式標記時間，以解決描述離散和連續(xù)變化的問題。比如在福建沿海區(qū)域范圍內，旅鳥、迷鳥、冬鳥、夏鳥采用狀態(tài)和事件來共同描述其離散變化。監(jiān)測到水鳥屬于突發(fā)事件，用事件來表達；沒有監(jiān)測到屬于靜止狀體，用狀態(tài)來記錄。留鳥在福建區(qū)域穩(wěn)定存在，時間屬性采用狀態(tài)存在時段的方式標記時間，但考慮到實際觀測和計算機存儲數(shù)據(jù)的方式，其空間位置和數(shù)量采用基于事件的方式來描述連續(xù)變化，只是記錄觀測地理位置以及觀測結果。

2 時態(tài)數(shù)據(jù)庫的設計

2.1 數(shù)據(jù)內聚性強度分析

在水鳥監(jiān)測的空間數(shù)據(jù)上構建的時態(tài)數(shù)據(jù)庫，以時間軸為序直接定位還原空間對象。時態(tài)數(shù)據(jù)庫設計時，水鳥作為空間對象，不僅要考慮其空間和屬性的內聚性強度，還要充分考慮時態(tài)與空間和屬性的內聚性強度，便于數(shù)據(jù)的組織、存儲、管理和應用分析。時態(tài)內聚性強度主要是指歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀監(jiān)測數(shù)據(jù)之間結合的緊密程度[2]。水鳥的歷史與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)內聚性程度強，為了方便數(shù)據(jù)的時空查詢和分析，存儲在一起。空間與屬性內聚性強度主要是指空間位置與屬性信息(指水鳥基本信息)的結合緊密程度，而水鳥的空間與屬性緊密程度弱，所以采取分離存儲。

2.2 時空數(shù)據(jù)分類

按照水鳥監(jiān)測數(shù)據(jù)對時間的敏感程度分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)數(shù)指與時間變化無關的數(shù)據(jù)，比如鳥類的中文名、學名等基本信息。動態(tài)數(shù)據(jù)指與時間變化有關的數(shù)據(jù)，分為屬性動態(tài)數(shù)據(jù)(如水鳥數(shù)量)和空間動態(tài)數(shù)據(jù)(如空間位置)。

2.3 時空對象變化類型

水鳥作為時空對象，隨著時間不斷變化，其變化類型主要是水鳥的動態(tài)數(shù)據(jù)信息發(fā)生相應的變化，但水鳥的靜態(tài)數(shù)據(jù)是不隨時間變化的。主要時空變化類型有3種：

(1)空間對象的創(chuàng)建：隨著時間變化，該區(qū)域新出現(xiàn)了一種水鳥，新增一個水鳥空間對象(如迷鳥、候鳥等)。

(2)空間對象的終止：隨時間變化，水鳥空間對象(冬鳥、夏鳥、旅鳥)在區(qū)域內遷移消失。

(3)空間對象的屬性變更：隨時間變化，區(qū)域內水鳥空間對象的動態(tài)數(shù)據(jù)屬性發(fā)生變化(如水鳥種類和數(shù)量)。

2.4 時態(tài)數(shù)據(jù)庫設計

充分考慮水鳥監(jiān)測數(shù)據(jù)的內聚性強度分析結果，采取合理的數(shù)據(jù)庫存儲和組織。通過對水鳥數(shù)據(jù)的內聚性強度分析，把水鳥的動態(tài)數(shù)據(jù)存儲在一個數(shù)據(jù)集中，把水鳥的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲在不同的數(shù)據(jù)集中。遵循面向對象的思想，將水鳥監(jiān)測信息作為對象進行整理，動態(tài)數(shù)據(jù)包含了創(chuàng)建、消亡時間和事務時間；靜態(tài)數(shù)據(jù)與時態(tài)無關，不必創(chuàng)建時間字段。水鳥對象的創(chuàng)建自動產生對象標識碼，其空間數(shù)據(jù)存儲唯一的對象標識碼，在事務時間內保持不變，隨著對象的消亡而消亡；其屬性數(shù)據(jù)存儲相應的對象標識碼，作為與空間數(shù)據(jù)關聯(lián)的主鍵，同時還存儲水鳥的靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)的標識碼，以此為主鍵與靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)關聯(lián)(圖1)。

圖1 水鳥數(shù)據(jù)對象

2.4.1 水鳥空間信息表

水鳥空間信息表中存儲空間要素的對象標識碼(隨著對象的創(chuàng)建而自動生成)、空間形狀坐標位置數(shù)據(jù)、有效時間(空間形狀的生命周期)和事務時間(空間形狀處理時間)。其他空間描述的屬性信息與空間存在強內聚性，存儲在同一數(shù)據(jù)集中?？臻g要素的對象標識碼字段作為主鍵，與屬性信息表中的空間形狀標識碼為主外鍵關系。

2.4.2 水鳥屬性信息表

水鳥屬性信息表中主要存儲了屬性記錄標識碼、屬性記錄對應的空間形狀標識碼、屬性記錄對應的靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)標識碼，其他屬性信息與空間內聚性程度弱，與空間數(shù)據(jù)分開存儲。

2.4.3 水鳥靜態(tài)屬性信息表

水鳥靜態(tài)屬性信息表存儲靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)標識碼，用與屬性信息關聯(lián)。其他屬性字段主要存儲水鳥的一些基本信息(如名稱、種等)，與時態(tài)無關，進行單獨存儲。

3 時態(tài)數(shù)據(jù)的應用

利用ArcGIS軟件平臺，訪問水鳥時態(tài)GIS數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)水鳥時態(tài)數(shù)據(jù)的查詢分析和可視化表達。

3.1 查詢分析

時態(tài)數(shù)據(jù)查詢分析突出時間與空間、屬性之間的聯(lián)合查詢。時態(tài)數(shù)據(jù)的應用主要體現(xiàn)在時態(tài)性方面，比如，解決“某時、某地的水鳥情況”等問題，這就用到時態(tài)查詢。

(1)時態(tài)屬性信息查詢：查詢在某年某月某日，有哪些水鳥種類。利用水鳥屬性信息表中的有效時間，查詢符合時間點的水鳥種類。

(2)時空聚集查詢：查詢某年某月某日，福建福清灣有水鳥種類數(shù)量。利用水鳥空間信息表的空間位置信息和屬性信息表中的有效時間，查詢符合條件的水鳥種類數(shù)量。

(3)時空變化查詢：查詢某年中某月至某月，福建福清灣水鳥的種類變化。

3.2 可視化表達

(1)時間屬性設置

ArcGIS軟件中，添加水鳥時態(tài)數(shù)據(jù)，在圖層屬性進行時間屬性設置(圖2)。“在此圖中啟用時間”為必選項，才能隨時間推移對其進行顯示。時間屬性頁中的參數(shù)根據(jù)具體業(yè)務需求進行相應的設置。

圖2 時間屬性設置

(2)時間滑塊工具

時態(tài)數(shù)據(jù)設置時間屬性后，利用ArcGIS的時間滑塊工具，設置可視化顯示的時間范圍、時間顯示格式，根據(jù)時間偏移量在時間維上進行可視化顯示，如圖3所示。點擊播放，根據(jù)圖層數(shù)據(jù)的時間屬性和空間屬性，隨著時間變化，分別顯示冬鳥、夏鳥、留鳥、旅鳥、迷鳥在空間區(qū)域內的出現(xiàn)、停留和遷移等情況。

圖3 時間滑塊工具

4 結語

相比于傳統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)庫，時態(tài)數(shù)據(jù)庫的構建，不僅可以實現(xiàn)空間與屬性的查詢分析和管理，還可以實現(xiàn)時空查詢和分析，擴展了水鳥監(jiān)測數(shù)據(jù)的應用范圍，具備歷史與現(xiàn)狀的連續(xù)性。時態(tài)數(shù)據(jù)庫的構建實現(xiàn)了水鳥監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的一體化存儲，實現(xiàn)水鳥監(jiān)測信息的時空分析應用，對福建水鳥監(jiān)測和水鳥疫源疫病預報預測工作具有重要意義。

[1] 張山山.地理信息系統(tǒng)時空數(shù)據(jù)建模研究及應用 [D]. 西南交通大學,2001.

[2] 王華敏,陳繼祥,于雷易.基于基態(tài)修正模型的地籍時空數(shù)據(jù)庫設計與實現(xiàn) [J].測繪信息與工程,2003(3):9-11.