GIS概論課件 GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)

地理信息系統(tǒng)概論第4章地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)2023/2/281地理信息系統(tǒng)概論地理信息系統(tǒng)（GIS）GeographicInformationSystem參考文獻(xiàn)：陳述彭等《地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論》科學(xué)出版社2000TorBernhardson,GeographicalInformationSystems,JohnWiley&Sons,Inc.1999Paual.A.Longley,GeographicalInformationSystemsandScience,JohnWiley&Sons,Inc.2000龔健雅《地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)》科學(xué)出版社2001鄔倫等《地理信息系統(tǒng)—原理、方法和應(yīng)用》科學(xué)出版社20012023/2/282地理信息系統(tǒng)概論本章內(nèi)容空間數(shù)據(jù)庫(kù)概述1.

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型2.語(yǔ)義數(shù)據(jù)模型和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型3.

邏輯模型設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)4.

GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)5.2023/2/283地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)1.空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)概述2.時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型3.時(shí)空數(shù)據(jù)模型中存在的問(wèn)題2023/2/284地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)1.空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)概述

時(shí)間特性：

GIS所描述的現(xiàn)實(shí)世界是隨時(shí)間連續(xù)變化的。傳統(tǒng)的無(wú)時(shí)間概念的GIS數(shù)據(jù),只能是現(xiàn)實(shí)世界在某個(gè)時(shí)刻的“快照”。當(dāng)被描述的對(duì)象隨時(shí)間變化比較緩慢且變化的歷史過(guò)程無(wú)關(guān)緊要時(shí),可以用“數(shù)據(jù)更新”的方式來(lái)處理時(shí)間變化的影響。然而在某些應(yīng)用中,被描述的對(duì)象隨時(shí)間變化很快(例如云量變化、日照變化等)或者歷史數(shù)據(jù)也必須予以保存(例如,地籍變更、海岸線變化、環(huán)境變化等)。2023/2/285地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)雖然某些地理現(xiàn)象或地理事件并不一定需要記錄和存儲(chǔ)其時(shí)間數(shù)據(jù)，但如果地理信息系統(tǒng)具有支持時(shí)間的功能，能將時(shí)間變量加入到地理信息系統(tǒng)空間分析過(guò)程中去，則將具有更大的應(yīng)用范圍。因此時(shí)空復(fù)合操作，即將空間分析的問(wèn)題進(jìn)一步擴(kuò)展為時(shí)空分析的范疇，已成為地理信息系統(tǒng)的重要組成部分。1.空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)概述2023/2/286地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)1.空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)概述時(shí)空地理信息系統(tǒng)是一種四維（X，Y，Z，T）的信息系統(tǒng)，其中（X，Y，Z）表示空間系統(tǒng)，（T）表示時(shí)間，這是一種具有時(shí)空復(fù)合分析功能和多維信息可視化的系統(tǒng)。2023/2/287地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)1.空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)概述時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)或數(shù)據(jù)處理技術(shù)，其內(nèi)容表現(xiàn)為以下三個(gè)主要方面：1）空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的表達(dá)?？臻g時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)表達(dá)的目的在于建立空間時(shí)態(tài)一體化數(shù)據(jù)模型。它涉及到時(shí)間標(biāo)志、空間時(shí)態(tài)版本的表識(shí)、空間變化類(lèi)型的定義、空間拓?fù)渑c時(shí)態(tài)拓?fù)?、空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，以及存儲(chǔ)策略等內(nèi)容。2023/2/288地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)1.空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)概述2）空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的更新?？臻g時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的更新研究空間數(shù)據(jù)更新的類(lèi)型、操作方法、更新對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)中空間和時(shí)態(tài)拓?fù)涞挠绊?，以及拓?fù)渲亟ǖ葐?wèn)題。3）空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的查詢(xún)?？臻g時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的查詢(xún)探討空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的各種跟蹤算法，多維信息的復(fù)合、分析、可視化等。2023/2/289地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)2.時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型地理信息系統(tǒng)中時(shí)空一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型注重以一體化的形式表達(dá)地理數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間方面的特性。

2023/2/2810地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)2.時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型

時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究歷程可概括為20世紀(jì)7年代的醞釀起始階段,80年代的開(kāi)拓階段和90年代后的大發(fā)展階段。前兩個(gè)階段的研究重點(diǎn)主要表現(xiàn)為以空間為主的GIS功能研究和以時(shí)態(tài)信息處理為主的時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)研究,時(shí)空結(jié)合方面涉及的很少。20世紀(jì)90年代初期,出現(xiàn)了大量的專(zhuān)門(mén)用于處理時(shí)空數(shù)據(jù)的模型和原型系統(tǒng)。2023/2/2811地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)2.時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型

目前主要的時(shí)空數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)方法有以下幾種:一是在柵格、矢量空間模型基礎(chǔ)上擴(kuò)展時(shí)間維,二是在時(shí)間模型基礎(chǔ)上擴(kuò)展空間維,三是面向?qū)ο蠓椒ā?023/2/2812地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)2.時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型一、基于柵格的時(shí)空數(shù)據(jù)模型分析1.時(shí)間快照?qǐng)D像序列模型該模型是較早的、經(jīng)典的時(shí)空數(shù)據(jù)模型之一,它用一系列經(jīng)過(guò)空間配準(zhǔn)的柵格圖像來(lái)表示真實(shí)世界在某個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)(如圖1)。2023/2/2813地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)2.時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型此模型在快照數(shù)據(jù)庫(kù)（SnapshotDatabase）中僅記錄當(dāng)前數(shù)據(jù)狀態(tài)，數(shù)據(jù)更新后，舊數(shù)據(jù)的變化值不再保留，即“忘記”了過(guò)去的狀態(tài)。連續(xù)快照模型是將一系列時(shí)間片段快照保存起來(lái)，反映整個(gè)空間特征的狀態(tài)，根據(jù)需要對(duì)指定時(shí)間片段的現(xiàn)實(shí)片段進(jìn)行播放。一、基于柵格的時(shí)空數(shù)據(jù)模型分析1.時(shí)間快照?qǐng)D像序列模型2023/2/2814地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)2.時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型這種模型概念簡(jiǎn)單、易于理解、容易實(shí)現(xiàn),但具有幾個(gè)明顯的缺點(diǎn):①只能給出特定時(shí)刻地學(xué)現(xiàn)象的狀態(tài),而且必須通過(guò)比較對(duì)應(yīng)的像素才能派生出相應(yīng)的變化信息;②數(shù)據(jù)冗余大,即使某些位置在給定時(shí)刻未發(fā)生變化,也必須存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù),造成大量存儲(chǔ)資源的浪費(fèi);③沒(méi)有顯式地包含時(shí)態(tài)信息,只能采用獨(dú)立的存儲(chǔ)方式,如反映在圖像的文件名上,并且不支持時(shí)態(tài)關(guān)系的表達(dá)。1.時(shí)間快照?qǐng)D像序列模型一、基于柵格的時(shí)空數(shù)據(jù)模型分析2023/2/2815地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)2.時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型一、基于柵格的時(shí)空數(shù)據(jù)模型分析2.離散格網(wǎng)單元列表模型該模型將格網(wǎng)單元及其變化以變長(zhǎng)列表形式存儲(chǔ),每個(gè)列表的一個(gè)元素對(duì)應(yīng)該位置上的一次時(shí)空變化。若想獲得某時(shí)刻狀態(tài),只需提取相應(yīng)時(shí)刻各個(gè)格網(wǎng)單元列表的元素。離散格網(wǎng)單元列表模型在一定程度上避免了快照模型的數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題,節(jié)省了存儲(chǔ)空間,但其缺點(diǎn)仍與快照模型相似,沒(méi)有顯著的改進(jìn)(圖2)。2023/2/2816地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)2.時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型一、基于柵格的時(shí)空數(shù)據(jù)模型分析2.離散格網(wǎng)單元列表模型2023/2/2817地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)2.時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型為了避免連續(xù)快照模型將每張未發(fā)生變化部分的快照特征重復(fù)進(jìn)行記錄，基態(tài)修正模型按事先設(shè)定的時(shí)間間隔采樣，只儲(chǔ)存某個(gè)時(shí)間的數(shù)據(jù)狀態(tài)（稱(chēng)基態(tài)）和相對(duì)于基態(tài)的變化量?；鶓B(tài)修正的每個(gè)對(duì)象只需儲(chǔ)存一次，每變化一次，只有很小的數(shù)據(jù)量需記錄；同時(shí)，只有在事件發(fā)生或?qū)ο蟀l(fā)生變化時(shí)才存入系統(tǒng)中，時(shí)態(tài)分辨率刻度值與事件發(fā)生的時(shí)刻完全對(duì)應(yīng)(圖3)。二、基于矢量的時(shí)空數(shù)據(jù)模型分析1.基態(tài)修正模型2023/2/2818地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)2.時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型二、基于矢量的時(shí)空數(shù)據(jù)模型分析1.基態(tài)修正模型基態(tài)修正模型較難處理給定時(shí)刻的時(shí)空對(duì)象間的空間關(guān)系。對(duì)于將整個(gè)地理區(qū)域作為處理對(duì)象時(shí)，該模型處理方法難度較大，效率較低，管理索引變化很困難。2023/2/2819地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)2.時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型時(shí)空復(fù)合模型將空間分隔成具有相同時(shí)空過(guò)程的最大的公共時(shí)空單元，每次時(shí)空對(duì)象的變化都將在整個(gè)空間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)新的對(duì)象。對(duì)象把在整個(gè)空間內(nèi)的變化部分作為它的空間屬性，變化部分的歷史作為它的時(shí)態(tài)屬性。時(shí)空單元中的時(shí)空過(guò)程可用關(guān)系表來(lái)表達(dá)，若時(shí)空單元分裂時(shí)，用新增的元組來(lái)反映新增的空間單元，時(shí)空過(guò)程每變化一次，采用關(guān)系表中新增一列的時(shí)間段來(lái)表達(dá)，從而達(dá)到用靜態(tài)的屬性表表達(dá)動(dòng)態(tài)的時(shí)空變化過(guò)程的目的；但在數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)象標(biāo)識(shí)符的修改比較復(fù)雜，涉及的關(guān)系鏈層次很多，必須對(duì)標(biāo)識(shí)符逐一進(jìn)行回退修改(圖4)。二、基于矢量的時(shí)空數(shù)據(jù)模型分析2.時(shí)空復(fù)合模型2023/2/2820地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)2.時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型二、基于矢量的時(shí)空數(shù)據(jù)模型分析2.時(shí)空復(fù)合模型時(shí)空復(fù)合模型不能表達(dá)空間、專(zhuān)題等變化的時(shí)間意義。另外,在更新時(shí)空復(fù)合模型數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí),需要對(duì)時(shí)空復(fù)合模型單元進(jìn)行重構(gòu),其結(jié)果導(dǎo)致對(duì)象的幾何關(guān)系和拓?fù)潢P(guān)系發(fā)生改變,因此也需要重新構(gòu)建。2023/2/2821地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)2.時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型三、基于時(shí)間的時(shí)空數(shù)據(jù)模型分析1.基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型在基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型中,把地學(xué)現(xiàn)象發(fā)生變化的時(shí)刻稱(chēng)為事件,將時(shí)刻序列稱(chēng)為事件列表。時(shí)間是以事件屬性形式存在的,通過(guò)事件來(lái)表現(xiàn)時(shí)間。除了在開(kāi)始時(shí)刻存儲(chǔ)真實(shí)世界初始狀態(tài)外,其它各點(diǎn)均存儲(chǔ)變化部分。基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型模型具有較高的空間和時(shí)間查詢(xún)效率,但是會(huì)將對(duì)象的變化信息分解成多個(gè)片斷因此需要建立索引機(jī)制把這些片斷組合并還原成整體(圖5)。2023/2/2822地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)2.時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型三、基于時(shí)間的時(shí)空數(shù)據(jù)模型分析1.基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型2023/2/2823地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)2.時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型四、面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型分析隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)的發(fā)展及其優(yōu)勢(shì)的體現(xiàn),許多學(xué)者將其應(yīng)用到時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究中。目前比較成熟的面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型是1991年加拿大通用標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)提出的空間歸檔與交換格式,幾經(jīng)修改后于1993年成為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),也是目前唯一用于時(shí)空信息處理的國(guó)家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)將版本信息標(biāo)記在對(duì)象屬性上,使對(duì)象的當(dāng)前狀態(tài)和過(guò)去不同時(shí)刻的狀態(tài)相連,支持對(duì)象特征的快速提取,為對(duì)象的檢索和歷史事件的查詢(xún)帶來(lái)了方便。2023/2/2824地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)2.時(shí)空一體化數(shù)據(jù)模型四、面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型分析ESRI公司的Geodatabase模型采用版本和狀態(tài)概念來(lái)管理空間數(shù)據(jù),隱含了地學(xué)對(duì)象的時(shí)態(tài)信息。然而Geodatabase模型沒(méi)有明確給出時(shí)態(tài)概念,也不支持對(duì)時(shí)態(tài)的任何操作,是不完善的時(shí)空模型。2023/2/2825地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)3.時(shí)空數(shù)據(jù)模型中存在的問(wèn)題盡管時(shí)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,距離實(shí)際應(yīng)用還相差較遠(yuǎn)。時(shí)空數(shù)據(jù)表達(dá)、時(shí)空地理數(shù)據(jù)庫(kù)以及時(shí)態(tài)GIS的研究仍然存在很多問(wèn)題,具體表現(xiàn)在:2023/2/2826地理信息系統(tǒng)概論§5GIS空間時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)3.時(shí)空數(shù)據(jù)模型