時(shí)空數(shù)據(jù)模型簡(jiǎn)介.ppt

時(shí)空數(shù)據(jù)模型簡(jiǎn)介 時(shí)空數(shù)據(jù)模型是TGIS和STDB的基礎(chǔ) 時(shí)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(shí)空數(shù)據(jù)模型是一種有效組織和管理時(shí)態(tài)地學(xué)數(shù)據(jù) 空間 專題 時(shí)間語(yǔ)義完整的地學(xué)數(shù)據(jù)模型 它不僅強(qiáng)調(diào)地學(xué)對(duì)象的空間和專題特征 而且強(qiáng)調(diào)這些特征隨時(shí)間的變化 既時(shí)態(tài)特征 建立合理 完善 高效的時(shí)空數(shù)據(jù)模型是實(shí)現(xiàn)時(shí)態(tài)GIS的基礎(chǔ)和關(guān)鍵 空間和時(shí)間是現(xiàn)實(shí)世界最基本 最重要的屬性 許多空間應(yīng)用系統(tǒng) 尤其是地理信息系統(tǒng) GIS 都需要表達(dá)地學(xué)對(duì)象的時(shí)空屬性 例如在地籍變更 環(huán)境監(jiān)測(cè) 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(yù)測(cè)未來(lái) 傳統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)模型強(qiáng)調(diào)地學(xué)對(duì)象的靜態(tài)描述 通常采用矢量或柵格的方式來(lái)描述空間數(shù)據(jù) 這種機(jī)制限制了如位移 變遷等動(dòng)態(tài)信息的表達(dá) 時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)是一種采集 存儲(chǔ) 管理 分析與顯示地學(xué)對(duì)象隨時(shí)間變化信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 時(shí)態(tài)GIS的核心問(wèn)題之一是時(shí)空數(shù)據(jù)模型的建立 時(shí)空數(shù)據(jù)模型的核心問(wèn)題是研究如何有效地表達(dá) 記錄和管理現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體及其相互關(guān)系隨時(shí)間不斷發(fā)生的變化 這種時(shí)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(biāo)或位置不變 二是空間坐標(biāo)或位置變化 而屬性不變 這里空間的坐標(biāo)或位置變化既可以是單一實(shí)體的位置 方向 尺寸 形狀等發(fā)生變化 也可以是兩個(gè)以上的空間實(shí)體之間的關(guān)系發(fā)生變化 三是空間實(shí)體或現(xiàn)象的坐標(biāo)和屬性都發(fā)生變化 當(dāng)前時(shí)態(tài)GIS研究的主要問(wèn)題有 表達(dá)時(shí)空變化的數(shù)據(jù)模型 時(shí)空數(shù)據(jù)組織與存取方法 時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的版本問(wèn)題 時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的質(zhì)量控制 時(shí)空數(shù)據(jù)的可視化問(wèn)題等 地學(xué)中的時(shí)空觀 人類對(duì)地學(xué)中時(shí)空概念的認(rèn)知可以追溯到19世紀(jì)末20世紀(jì)初 1899年Davis對(duì)地貌循環(huán)的研究 1925年Sauer對(duì)歷史地理學(xué)的研究 1939年Hartshorne對(duì)地域差異的研究 說(shuō)明了人類很早就認(rèn)識(shí)到地學(xué)中時(shí)空相互作用的重要性 地學(xué)對(duì)象之間的空間關(guān)系往往隨著時(shí)間而變化 與時(shí)間關(guān)系交織在一起就行成了多種時(shí)空關(guān)系 Tryfona把空間關(guān)系分為拓?fù)潢P(guān)系 方向關(guān)系和度量關(guān)系 把時(shí)間分為有效時(shí)間 事務(wù)時(shí)間和存在時(shí)間 Allen提出了基于時(shí)態(tài)區(qū)間代數(shù)理論的時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系模型 Egenhofer Szmurlo等對(duì)空間拓?fù)潢P(guān)系的漸變規(guī)律 時(shí)空概念理解做了一些探討 給出了反映拓?fù)潢P(guān)系時(shí)空變化的最鄰近拓?fù)潢P(guān)系鄰接圖 舒紅 陳軍等給出了時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的定義和基于點(diǎn)集理論的形式化描述 并針對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)建模中存在的時(shí)空語(yǔ)義模糊問(wèn)題 提出了時(shí)間尺度和事件序列兩種時(shí)間概念模型 時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究進(jìn)展 時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究歷程可概括為20世紀(jì)70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)階段重點(diǎn)主要表現(xiàn)為空間為主的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)了大量專門用于處理時(shí)空數(shù)據(jù)的模型和原型系統(tǒng) 目前主要時(shí)空數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)方法有一下幾種 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?時(shí)空數(shù)據(jù)模型的類型 隨著近年來(lái)以空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的GIS研究和應(yīng)用的不斷深入 隨時(shí)間而變化的信息越來(lái)越受到人們的關(guān)注 因而提出了時(shí)態(tài)GIS 簡(jiǎn)稱TGIS 的概念 時(shí)態(tài)GIS的組織核心是時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù) 時(shí)空數(shù)據(jù)模型則是時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ) 但是由于空間 屬性 時(shí)間三者之間的關(guān)系和結(jié)構(gòu)組織非常復(fù)雜 理想的時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)和時(shí)態(tài)GIS系統(tǒng)目前還沒(méi)有出現(xiàn) 目前研究比較有影響的時(shí)空數(shù)據(jù)模型有以下幾種 時(shí)空復(fù)合模型 將每一次獨(dú)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(dá)數(shù)據(jù)的時(shí)空特征 最小變化單元即是一定時(shí)空范圍內(nèi)的最大同質(zhì)單元 其缺點(diǎn)在于多邊形碎化和對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的過(guò)分依賴 隨著變化的頻繁會(huì)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(kù)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)變化值不再保留 即 忘記 過(guò)去的狀態(tài) 連續(xù)的時(shí)間快照模型是將一系列時(shí)間片段快照保存起來(lái) 以反映整個(gè)空間特征的狀態(tài) 由于快照將對(duì)未發(fā)生變化的所有特征重復(fù)進(jìn)行存儲(chǔ) 會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余 當(dāng)事件變化頻繁時(shí) 且數(shù)據(jù)量較大時(shí) 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(fù)記錄 基態(tài)修正模型只存儲(chǔ)某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)狀態(tài) 基態(tài) 和相對(duì)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(shí)才將變化的數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)中 時(shí)態(tài)分辨率刻度值與事件或?qū)ο蟀l(fā)生變化的時(shí)刻完全對(duì)應(yīng) 基態(tài)修正模型對(duì)每個(gè)對(duì)象只存儲(chǔ)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(diǎn)是較難處理給定時(shí)刻時(shí)空對(duì)象間的空間關(guān)系 且對(duì)很遠(yuǎn)的過(guò)去狀態(tài)進(jìn)行檢索時(shí) 幾乎對(duì)整個(gè)歷史狀況進(jìn)行閱讀操作 效率很低 時(shí)空立方體模型 時(shí)空立方體模型用幾何立體圖形表示二維圖形沿時(shí)間維發(fā)展變化的過(guò)程 表達(dá)了現(xiàn)實(shí)世界平面位置隨時(shí)間的演變 將時(shí)間標(biāo)記在空間坐標(biāo)點(diǎn)上 給定一個(gè)時(shí)間位置值 就可以從三維立方體中獲得相應(yīng)截面的狀態(tài) 也可擴(kuò)展表達(dá)三維空間沿時(shí)間變化的過(guò)程 缺點(diǎn)是隨著數(shù)據(jù)量的增大 對(duì)立方體的操作會(huì)變的越來(lái)越復(fù)雜 以至于最終變的無(wú)法處理 時(shí)空對(duì)象模型 時(shí)空對(duì)象模型認(rèn)為世界是由時(shí)空原子 Spatio temporalAtom 所組成 時(shí)空原子為時(shí)間屬性和空間屬性均質(zhì)的實(shí)體 在該模型中時(shí)間維是與空間維垂直的 它可表示實(shí)體在空間和屬性上的變化 但未涉及對(duì)漸變實(shí)體的表示 缺點(diǎn)是隨著時(shí)間發(fā)生的空間漸進(jìn)的變化不能在時(shí)空對(duì)象模型中表示 沒(méi)有一個(gè)描繪變遷 過(guò)程的概念 面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型 面向?qū)ο蠓椒ㄊ窃诠?jié)點(diǎn) 弧段 多邊形等幾何要素的表達(dá)上增加時(shí)間信息 考慮空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和時(shí)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 一個(gè)地理實(shí)體 無(wú)論多么復(fù)雜 總可以作為一個(gè)對(duì)象來(lái)建模 缺點(diǎn)是 沒(méi)有考慮地理現(xiàn)象的時(shí)空特性和內(nèi)在聯(lián)系 缺少對(duì)地理實(shí)體或現(xiàn)象的顯式定義和基礎(chǔ)關(guān)系描述 時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究中存在的問(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 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(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 1 現(xiàn)有的模型大多是獨(dú)立地模擬地學(xué)現(xiàn)象的空間和時(shí)態(tài)特征 二者沒(méi)有緊密地結(jié)合 空間模型強(qiáng)調(diào)對(duì)象的幾何特征 而時(shí)態(tài)模型側(cè)重于對(duì)象特征的改變 然而在很多情況下 對(duì)象的空間屬性和時(shí)態(tài)屬性是密切相關(guān)的 如資源管理 環(huán)境監(jiān)測(cè)等系統(tǒng) 缺少與時(shí)空過(guò)程模型集成表達(dá)機(jī)制是當(dāng)前GIS發(fā)展的一個(gè)主要缺點(diǎn) 2 無(wú)法表達(dá)地學(xué)現(xiàn)象的連續(xù)變化 如風(fēng)暴 降雨等 現(xiàn)有模型一般對(duì)離散變化處理的比較好 有的模型采用微小時(shí)段間隔的方法來(lái)模擬連續(xù)的變化 另外計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身也是用離散的方式來(lái)表達(dá)數(shù)據(jù)的 因此如何在離散和連續(xù)中間進(jìn)行取舍是值得考慮的一個(gè)問(wèn)題 時(shí)態(tài)GIS對(duì)空間對(duì)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(yǔ)言和表達(dá)界面 而不是視圖間的切換 3 在地學(xué)對(duì)象認(rèn)識(shí)和表達(dá)過(guò)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(dǎo)致在對(duì)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(zhēng)議 經(jīng)驗(yàn)表明 僅僅依靠簡(jiǎn)單的時(shí)間或空間的擴(kuò)展方式是無(wú)法靈活 高效地表達(dá)時(shí)空現(xiàn)象及其關(guān)系的 也不能滿足時(shí)態(tài)GIS的需求 4 時(shí)空數(shù)據(jù)模型通用性低 目前的時(shí)態(tài)GIS主要有一下3種實(shí)現(xiàn)方式 基于商業(yè)GIS系統(tǒng)的時(shí)態(tài)擴(kuò)展 用于科學(xué)研究的原型系統(tǒng) 針對(duì)特殊應(yīng)用的時(shí)空查詢工具 然而這些系統(tǒng)大多是針對(duì)特定的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的 只能使用特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 通用性非常弱 5 沒(méi)有充分考慮數(shù)據(jù)移植問(wèn)題 目前 無(wú)論是科學(xué)研究還是實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中都積累了豐富的時(shí)空數(shù)據(jù) 如何讓這些數(shù)據(jù)適應(yīng)新的模型 并且將其移植到新的時(shí)態(tài)GIS系統(tǒng)中是必須面對(duì)的一個(gè)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(jìn)行格式轉(zhuǎn)換 然而這種數(shù)據(jù)移植風(fēng)險(xiǎn)是值得關(guān)注的 在構(gòu)建新的時(shí)空數(shù)據(jù)模型時(shí)應(yīng)充分考慮與現(xiàn)有的主流GIS軟件的集成與兼容問(wèn)題 時(shí)空數(shù)據(jù)模型以后需注意方面 時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究成果仍然與實(shí)際應(yīng)用具有很大差距 具體表現(xiàn)為 理論研究多 實(shí)際應(yīng)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(gè)方面 1 理想的時(shí)空數(shù)據(jù)模型應(yīng)該能夠集成空間 專題 時(shí)間三方面特征 綜合離散 連續(xù)的表達(dá)方式 符合人類認(rèn)知的邏輯思維 描述what where when三種語(yǔ)義 并且能夠與現(xiàn)有的主流的GIS軟件集成 支持?jǐn)U展 以滿足不同應(yīng)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(diǎn)研究模型的邏輯設(shè)計(jì)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 不再生造沒(méi)有實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新特點(diǎn)的模型 為時(shí)態(tài)GIS系統(tǒng)的研制提供支持 3 時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究應(yīng)該優(yōu)先考慮地學(xué)現(xiàn)象的行為和基于過(guò)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(shí)態(tài)GIS絕不是時(shí)態(tài)與空間的簡(jiǎn)單拼湊 應(yīng)該突破傳統(tǒng)方法 綜合多學(xué)科領(lǐng)域的成果 建立更符合邏輯認(rèn)知的 語(yǔ)義驅(qū)動(dòng)的時(shí)空表達(dá)方法 4