時空數(shù)據(jù)模型簡介.ppt

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(chǔ) 時空數(shù)據(jù)模型通常由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 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(chǔ)和關(guān)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(lǐng)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(guān)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(guān)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(guān)系往往隨著時間而變化 與時間關(guān)系交織在一起就行成了多種時空關(guān)系 Tryfona把空間關(guān)系分為拓撲關(guān)系 方向關(guān)系和度量關(guān)系 把時間分為有效時間 事務(wù)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(guān)系模型 Egenhofer Szmurlo等對空間拓撲關(guān)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(guān)系時空變化的最鄰近拓撲關(guān)系鄰接圖 舒紅 陳軍等給出了時空拓撲關(guān)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(jié)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(shè)計方法有一下幾種 一是在柵格 矢量空間模型基礎(chǔ)上擴展時間維 二是在時間模型基礎(chǔ)上擴展空間維 三是面向?qū)ο蠓椒?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(chǔ)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(guān)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(chǔ) 但是由于空間 屬性 時間三者之間的關(guān)系和結(jié)構(gòu)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(gòu)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(guān)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 基態(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 基態(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(guān)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 temporalAtom 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(jié)構(gòu)和時態(tài)拓撲結(jié)構(gòu) 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(chǔ)關(guān)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(jié)合 空間模型強調(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(guān)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 現(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(lǐng)域?qū)＜?數(shù)據(jù)收集者和GIS技術(shù)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(jié)構(gòu)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(guān)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(shè)計的 只能使用特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 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(guān)注的 在構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu) 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(lǐng)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