時空數(shù)據(jù)模型簡介.ppt

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時空數(shù)據(jù)模型簡介,,時空數(shù)據(jù)模型是TGIS和STDB的基礎。時空數(shù)據(jù)模型通常由數(shù)據(jù)結構、數(shù)據(jù)操作和完整性約束三部分組成（張祖勛等，1996）。時空數(shù)據(jù)模型是一種有效組織和管理時態(tài)地學數(shù)據(jù)、空間、專題、時間語義完整的地學數(shù)據(jù)模型，它不僅強調(diào)地學對象的空間和專題特征，而且強調(diào)這些特征隨時間的變化，既時態(tài)特征。建立合理、完善、高效的時空數(shù)據(jù)模型是實現(xiàn)時態(tài)GIS的基礎和關鍵。,空間和時間是現(xiàn)實世界最基本、最重要的屬性。許多空間應用系統(tǒng)，尤其是地理信息系統(tǒng)（GIS）都需要表達地學對象的時空屬性。例如在地籍變更、環(huán)境監(jiān)測、城市演化等領域都需要管理歷史變化數(shù)據(jù)，以便重建歷史、跟蹤變化、預測未來。傳統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)模型強調(diào)地學對象的靜態(tài)描述，通常采用矢量或柵格的方式來描述空間數(shù)據(jù)。這種機制限制了如位移、變遷等動態(tài)信息的表達。 時態(tài)地理信息系統(tǒng)是一種采集、存儲、管理、分析與顯示地學對象隨時間變化信息的計算機系統(tǒng)。時態(tài)GIS的核心問題之一是時空數(shù)據(jù)模型的建立。,時空數(shù)據(jù)模型的核心問題是研究如何有效地表達、記錄和管理現(xiàn)實世界的實體及其相互關系隨時間不斷發(fā)生的變化。這種時空變化表現(xiàn)為三種可能的形式，一是屬性變化，其空間坐標或位置不變；二是空間坐標或位置變化，而屬性不變，這里空間的坐標或位置變化既可以是單一實體的位置、方向、尺寸、形狀等發(fā)生變化，也可以是兩個以上的空間實體之間的關系發(fā)生變化；三是空間實體或現(xiàn)象的坐標和屬性都發(fā)生變化。當前時態(tài)GIS研究的主要問題有：表達時空變化的數(shù)據(jù)模型、時空數(shù)據(jù)組織與存取方法、時空數(shù)據(jù)庫的版本問題、時空數(shù)據(jù)庫的質(zhì)量控制、時空數(shù)據(jù)的可視化問題等。,地學中的時空觀,人類對地學中時空概念的認知可以追溯到19世紀末20世紀初。1899年Davis對地貌循環(huán)的研究；1925年Sauer對歷史地理學的研究；1939年Hartshorne對地域差異的研究；說明了人類很早就認識到地學中時空相互作用的重要性。 地學對象之間的空間關系往往隨著時間而變化，與時間關系交織在一起就行成了多種時空關系。Tryfona把空間關系分為拓撲關系、方向關系和度量關系，把時間分為有效時間、事務時間和存在時間。Allen提出了基于時態(tài)區(qū)間代數(shù)理論的時態(tài)拓撲關系模型。Egenhofer 、Szmurlo等對空間拓撲關系的漸變規(guī)律、時空概念理解做了一些探討，給出了反映拓撲關系時空變化的最鄰近拓撲關系鄰接圖。舒紅、陳軍等給出了時空拓撲關系的定義和基于點集理論的形式化描述，并針對時空數(shù)據(jù)建模中存在的時空語義模糊問題，提出了時間尺度和事件序列兩種時間概念模型。,時空數(shù)據(jù)模型研究進展,時空數(shù)據(jù)模型的研究歷程可概括為20世紀70年代的醞釀起始階段，80年代的開拓階段和90年代后的大發(fā)展階段。前兩個階段重點主要表現(xiàn)為空間為主的GIS功能研究和以時態(tài)信息處理為主的時態(tài)數(shù)據(jù)庫研究，時空結合方面涉及的很少。20世紀90年代初期，出現(xiàn)了大量專門用于處理時空數(shù)據(jù)的模型和原型系統(tǒng)。目前主要時空數(shù)據(jù)模型設計方法有一下幾種：一是在柵格、矢量空間模型基礎上擴展時間維，二是在時間模型基礎上擴展空間維，三是面向?qū)ο蠓椒ā?時空數(shù)據(jù)模型的類型,隨著近年來以空間數(shù)據(jù)庫為基礎的GIS研究和應用的不斷深入，隨時間而變化的信息越來越受到人們的關注，因而提出了時態(tài)GIS（簡稱TGIS）的概念。時態(tài)GIS的組織核心是時空數(shù)據(jù)庫，時空數(shù)據(jù)模型則是時空數(shù)據(jù)庫的基礎。但是由于空間、屬性、時間三者之間的關系和結構組織非常復雜，理想的時空數(shù)據(jù)庫和時態(tài)GIS系統(tǒng)目前還沒有出現(xiàn)。目前研究比較有影響的時空數(shù)據(jù)模型有以下幾種：,時空復合模型,將每一次獨立的疊加操作轉(zhuǎn)換為一次性的合成疊加，變化的累積形成最小變化單元，由這些最小變化單元構成的圖形文件和記錄變化歷史的屬性文件聯(lián)系在一起表達數(shù)據(jù)的時空特征。最小變化單元即是一定時空范圍內(nèi)的最大同質(zhì)單元。其缺點在于多邊形碎化和對關系數(shù)據(jù)庫的過分依賴，隨著變化的頻繁會形成很多的碎片。,,連續(xù)快照模型,連續(xù)快照模型在數(shù)據(jù)庫中僅記錄當前數(shù)據(jù)狀態(tài)，數(shù)據(jù)更新后，舊數(shù)據(jù)變化值不再保留，即“忘記”過去的狀態(tài)。連續(xù)的時間快照模型是將一系列時間片段快照保存起來，以反映整個空間特征的狀態(tài)。由于快照將對未發(fā)生變化的所有特征重復進行存儲，會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余，當事件變化頻繁時，且數(shù)據(jù)量較大時，系統(tǒng)效率急劇下降。,基態(tài)修正模型,為避免連續(xù)快照模型將未發(fā)生變化部分的特征重復記錄，基態(tài)修正模型只存儲某個時間點的數(shù)據(jù)狀態(tài)（基態(tài)）和相對于基態(tài)的變化量。只有在事件發(fā)生或?qū)ο蟀l(fā)生變化時才將變化的數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)中，時態(tài)分辨率刻度值與事件或?qū)ο蟀l(fā)生變化的時刻完全對應?；鶓B(tài)修正模型對每個對象只存儲一次，每變化一次，僅有很少量的數(shù)據(jù)需要記錄?；鶓B(tài)修正模型也稱為更新模型，有矢量更新模型和柵格更新模型。其缺點是較難處理給定時刻時空對象間的空間關系，且對很遠的過去狀態(tài)進行檢索時，幾乎對整個歷史狀況進行閱讀操作，效率很低。,時空立方體模型,時空立方體模型用幾何立體圖形表示二維圖形沿時間維發(fā)展變化的過程，表達了現(xiàn)實世界平面位置隨時間的演變，將時間標記在空間坐標點上。給定一個時間位置值，就可以從三維立方體中獲得相應截面的狀態(tài)，也可擴展表達三維空間沿時間變化的過程。缺點是隨著數(shù)據(jù)量的增大，對立方體的操作會變的越來越復雜，以至于最終變的無法處理。,時空對象模型,時空對象模型認為世界是由時空原子（Spatio-temporal Atom）所組成，時空原子為時間屬性和空間屬性均質(zhì)的實體。在該模型中時間維是與空間維垂直的，它可表示實體在空間和屬性上的變化，但未涉及對漸變實體的表示。缺點是隨著時間發(fā)生的空間漸進的變化不能在時空對象模型中表示，沒有一個描繪變遷、過程的概念。,面向?qū)ο蟮臅r空數(shù)據(jù)模型,面向?qū)ο蠓椒ㄊ窃诠?jié)點、弧段、多邊形等幾何要素的表達上增加時間信息，考慮空間拓撲結構和時態(tài)拓撲結構。一個地理實體，無論多么復雜，總可以作為一個對象來建模。缺點是，沒有考慮地理現(xiàn)象的時空特性和內(nèi)在聯(lián)系，缺少對地理實體或現(xiàn)象的顯式定義和基礎關系描述。,時空數(shù)據(jù)模型研究中存在的問題,盡管時空數(shù)據(jù)模型的研究已經(jīng)取得了比較豐碩的成果，但目前所能看到的各種方法中，理論層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統(tǒng)階段。 距離實際應用還相差較遠。時空數(shù)據(jù)表達、時空地理數(shù)據(jù)庫以及時態(tài)GIS的研究仍然存在很多問題，具體表現(xiàn)在：,（1）現(xiàn)有的模型大多是獨立地模擬地學現(xiàn)象的空間和時態(tài)特征，二者沒有緊密地結合?？臻g模型強調(diào)對象的幾何特征，而時態(tài)模型側(cè)重于對象特征的改變。然而在很多情況下，對象的空間屬性和時態(tài)屬性是密切相關的，如資源管理、環(huán)境監(jiān)測等系統(tǒng)。缺少與時空過程模型集成表達機制是當前GIS發(fā)展的一個主要缺點。 （2）無法表達地學現(xiàn)象的連續(xù)變化，如風暴、降雨等?，F(xiàn)有模型一般對離散變化處理的比較好，有的模型采用微小時段間隔的方法來模擬連續(xù)的變化。另外計算機系統(tǒng)本身也是用離散的方式來表達數(shù)據(jù)的，因此如何在離散和連續(xù)中間進行取舍是值得考慮的一個問題。時態(tài)GIS對空間對象離散和連續(xù)變化的支持不僅要體現(xiàn)在模型層次上，還體現(xiàn)在功能上，要提供統(tǒng)一的查詢語言和表達界面，而不是視圖間的切換。,（3）在地學對象認識和表達過程中，領域?qū)＜?、?shù)據(jù)收集者和GIS技術人員存在著重要的概念差異，導致在對象抽象方式、模型定義、數(shù)據(jù)結構和組織方式上存在著爭議。經(jīng)驗表明，僅僅依靠簡單的時間或空間的擴展方式是無法靈活、高效地表達時空現(xiàn)象及其關系的，也不能滿足時態(tài)GIS的需求。 （4）時空數(shù)據(jù)模型通用性低。目前的時態(tài)GIS主要有一下3種實現(xiàn)方式：基于商業(yè)GIS系統(tǒng)的時態(tài)擴展，用于科學研究的原型系統(tǒng)，針對特殊應用的時空查詢工具。然而這些系統(tǒng)大多是針對特定的應用而設計的，只能使用特定的數(shù)據(jù)結構，通用性非常弱。,（5）沒有充分考慮數(shù)據(jù)移植問題。目前，無論是科學研究還是實際生產(chǎn)應用中都積累了豐富的時空數(shù)據(jù)。如何讓這些數(shù)據(jù)適應新的模型，并且將其移植到新的時態(tài)GIS系統(tǒng)中是必須面對的一個難題。一種可能的解決方案是建立數(shù)據(jù)接口，將原有數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，然而這種數(shù)據(jù)移植風險是值得關注的。在構建新的時空數(shù)據(jù)模型時應充分考慮與現(xiàn)有的主流GIS軟件的集成與兼容問題。,時空數(shù)據(jù)模型以后需注意方面,時空數(shù)據(jù)模型的研究成果仍然與實際應用具有很大差距。具體表現(xiàn)為：理論研究多、實際應用少；數(shù)據(jù)模型多、軟件工具少。在后續(xù)研究中，需注意以下幾個方面： （1）理想的時空數(shù)據(jù)模型應該能夠集成空間、專題、時間三方面特征，綜合離散、連續(xù)的表達方式，符合人類認知的邏輯思維，描述what/where/when三種語義，并且能夠與現(xiàn)有的主流的GIS軟件集成，支持擴展，以滿足不同應用的需要。 （2）集中精力研究現(xiàn)有模型的整合與歸并，并重點研究模型的邏輯設計與系統(tǒng)實現(xiàn)。不再生造沒有實質(zhì)性創(chuàng)新特點的模型，為時態(tài)GIS系統(tǒng)的研制提供支持。,（3）時空數(shù)據(jù)模型的研究應該優(yōu)先考慮地學現(xiàn)象的行為和基于過程的分析，而不是優(yōu)先考慮可用的數(shù)據(jù)格式與結構。時態(tài)GIS絕不是時態(tài)與空間的簡單拼湊，應該突破傳統(tǒng)方法，綜合多學科領域的成果，建立更符合邏輯認知的、語義驅(qū)動的時空表達方法。 （4）加強時空數(shù)據(jù)索引、時空數(shù)據(jù)插值、以及時空數(shù)據(jù)可視化等理論與技術的研究。時空數(shù)據(jù)模型的研究離不開海量時空數(shù)據(jù)的處理，而如何快速、高效、準確的檢索這些數(shù)據(jù)就尤為重要。合理、精確的時空數(shù)據(jù)插值方法可以恢復丟失的歷史數(shù)據(jù)，解決時態(tài)GIS研究中的數(shù)據(jù)源問題?？梢暬四軐崿F(xiàn)傳統(tǒng)GIS中隊某時刻空間實體的分布和形狀進行表達外，還可以對其演化過程進行動態(tài)模擬，更有助于揭示地學現(xiàn)象的物理變化過程及其演變規(guī)律。,