時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)探析

PAGEPAGE10時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)探析內(nèi)容內(nèi)容內(nèi)容摘要：時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)〔TGIS〕是在傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將描繪敘述事件的時(shí)間要素納入系統(tǒng)范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)空間信息隨時(shí)間變化的跟蹤和分析，回首TGIS的發(fā)展歷史，分析當(dāng)下TGIS進(jìn)一步發(fā)展的相關(guān)技術(shù)，提出TGIS將是拓展地理信息系統(tǒng)應(yīng)用范圍的主要橋梁，通過(guò)TGIS，能夠?qū)⑹沟貙W(xué)、測(cè)繪、計(jì)算機(jī)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)管理愈加親密地結(jié)合起來(lái)。本文本文本文關(guān)鍵詞語(yǔ)語(yǔ)語(yǔ)：時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)；時(shí)間；時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)；系統(tǒng)王晨瑋王建利P208A1671—7597〔2012〕0120016-02自從二十世紀(jì)六十年代末世界上第一個(gè)地理信息系統(tǒng)——加拿大地理信息系統(tǒng)〔CGIS〕誕生以來(lái)，人類對(duì)地理信息系統(tǒng)的研發(fā)就沒(méi)有停止過(guò)，而且經(jīng)過(guò)1973—1982年的大量實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段，到八十年代末全面進(jìn)入了商業(yè)開(kāi)發(fā)和運(yùn)作階段。如今，GIS已經(jīng)被普遍用于測(cè)繪、資源開(kāi)發(fā)與管理、農(nóng)林水利、城市建設(shè)與規(guī)劃、國(guó)防建設(shè)和全球變化與地學(xué)研究領(lǐng)域。在GIS不斷發(fā)展和完善的經(jīng)過(guò)中，新的觀念和思想使計(jì)算機(jī)技術(shù)具有了靈魂和指點(diǎn)。能夠說(shuō)GIS是將計(jì)算機(jī)信息技術(shù)與地學(xué)等相關(guān)專業(yè)知識(shí)完美結(jié)合的杰作之一。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，GIS關(guān)于對(duì)詳細(xì)事物的描繪敘述方法從單一實(shí)體，互相聯(lián)絡(luò)的平面投影，到愈加廣闊的空間，在不斷完善。1時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)〔TGIS〕的產(chǎn)生和發(fā)展時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)〔TemporalGeographicInformationSystem，TGIS〕是能夠處理時(shí)間因素，可跟蹤和分析空間信息隨時(shí)間變化的地理信息系統(tǒng)。TGIS的觀念最早由Thrift在1977年初次提出，Basoglu和Morrison于1978年設(shè)計(jì)了最早的HGIS〔HistoricalGeographicInformationSystem〕。但由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，此后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)TGIS無(wú)人問(wèn)浸。直到Lorentzos和Langran分別于1988年和1989年完成了關(guān)于TGIS方面的博士論文，才將TGIS的研究從新推向了一個(gè)高潮。為促進(jìn)TGIS的發(fā)展，1996年UCGIS〔UniversityConsortiumforGeographicInformationScience〕將TGIS作為“地理描繪敘述擴(kuò)展〞的一部分列入GISci十大優(yōu)先研究領(lǐng)域之列。使TGIS的研究廣泛展開(kāi)。1.1時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)〔TGIS〕的涵義空間〔Location〕、時(shí)間〔Time〕和屬性〔Attribution〕是描繪敘述客觀對(duì)象的三個(gè)基本要素。但相對(duì)成熟的GIS對(duì)空間和屬性的描繪敘述比較全面，對(duì)時(shí)間性的處理大多是靜態(tài)的。GIS對(duì)客觀對(duì)象是“快照〞式的描繪敘述，系統(tǒng)對(duì)“過(guò)去〞和“將來(lái)〞的描繪敘述非常困難。而且，由于來(lái)自不同時(shí)間的信息可能會(huì)導(dǎo)致毛病匹配，實(shí)際中往往造成分析中的邏輯毛病。這就在一定水平上限制了GIS的應(yīng)用，尤其是對(duì)時(shí)間性要素要求比較嚴(yán)格的管理活動(dòng)。TGIS是能夠跟蹤和分析隨時(shí)間變化的空間、非空間信息的地理信息系統(tǒng)。在TGIS中，地理實(shí)體對(duì)象能夠描繪敘述為如下的關(guān)系：E=f〔S，T，A〕其中：E為被描繪敘述的地理實(shí)體或事件；f為映射關(guān)系；S為空間參數(shù)，通過(guò)空間坐標(biāo)體系和空間關(guān)系來(lái)描繪敘述；T為時(shí)間參數(shù)，通過(guò)時(shí)間坐標(biāo)體系和對(duì)象的發(fā)展經(jīng)過(guò)的關(guān)系來(lái)描繪敘述；A為屬性參數(shù)，是對(duì)被描繪敘述的、具有特定的空間和時(shí)間參數(shù)的地理實(shí)體的特性的描繪敘述。由于地理實(shí)體的空間、時(shí)間和屬性要素具有不可分割性，因此只要對(duì)這三個(gè)屬性的完好表達(dá)能力揭示地理實(shí)體和現(xiàn)象的特征、規(guī)律。完善的TGIS應(yīng)該具有基本的儲(chǔ)存、分析、更新、質(zhì)量控制、調(diào)度、模仿以及靜態(tài)制圖的功能。1.2關(guān)于TGIS中的時(shí)間傳統(tǒng)的GIS基本上是針對(duì)空間和屬性兩方面的數(shù)據(jù)，而TGIS還要在這里基礎(chǔ)上考慮時(shí)間要素。因而，需要對(duì)時(shí)間要素進(jìn)行認(rèn)真分析。從信息系統(tǒng)來(lái)看，時(shí)間是一條沒(méi)有端點(diǎn)、向過(guò)去和將來(lái)無(wú)限延伸的線軸。由于客觀地理實(shí)體與光速之比能夠忽略不計(jì)，因而，能夠以為時(shí)空之間不產(chǎn)生互相作用，時(shí)間僅僅僅僅是一種特殊的測(cè)度標(biāo)準(zhǔn)，它反映了事件序列的表現(xiàn)形式。在TGIS中，根據(jù)時(shí)間對(duì)事件的影響能夠?qū)r(shí)間類型歸納如表1。在系統(tǒng)信息中包括了上述的時(shí)間信息，就能夠使GIS的分析、評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)等功能更進(jìn)一步。而當(dāng)下對(duì)TGIS研究的重點(diǎn)之一恰是怎樣處理因引入時(shí)間要素而成幾何積數(shù)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)信息。2時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)〔TGIS〕發(fā)展的相關(guān)技術(shù)2.1計(jì)算機(jī)等相關(guān)技術(shù)是TGIS的基礎(chǔ)從GIS的發(fā)展經(jīng)過(guò)能夠清楚地看出，GIS的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的每一次突破都會(huì)帶來(lái)GIS的大發(fā)展。但是，TGIS從一開(kāi)始就遭到海量數(shù)據(jù)和計(jì)算速度的影響。實(shí)際上，數(shù)據(jù)和計(jì)算速度同是時(shí)間這一個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面。在計(jì)算速度一定的情況下，隨著數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)。處理的時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)；在數(shù)據(jù)信息量不斷增長(zhǎng)的情況下，計(jì)算速度得不到同步提升，處理的時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)。可見(jiàn)，時(shí)間是數(shù)據(jù)信息處理中的重要因素之一。同時(shí)，合理的時(shí)間組織一方面能夠系統(tǒng)中減少數(shù)據(jù)的冗余，另一方面又能夠提升系統(tǒng)的運(yùn)算速度。因而時(shí)間又是影響計(jì)算機(jī)處理的重要因素之一。正確處理時(shí)間因素是當(dāng)下計(jì)算機(jī)發(fā)展中必需面對(duì)的一個(gè)重要問(wèn)題，也是TGIS的發(fā)展契機(jī)。當(dāng)下，隨著計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存技術(shù)和運(yùn)算速度的不斷提升，TGIS的研究具備了需要的基礎(chǔ)。而由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)信息的標(biāo)準(zhǔn)化的加快，數(shù)據(jù)信息分享的逐步實(shí)現(xiàn)，大大節(jié)約了系統(tǒng)內(nèi)有效的儲(chǔ)存空間，對(duì)TGIS的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。2.2時(shí)間數(shù)據(jù)的合理組織是IGIS的保障時(shí)間僅僅僅僅是描繪敘述客觀對(duì)象的三大要素之一，而且它必需依附于客觀對(duì)象才具有實(shí)際意義。為了全面、系統(tǒng)、真實(shí)地反映客觀對(duì)象，需要將其屬性賦以對(duì)應(yīng)的時(shí)間。因而，TGIS中的時(shí)間比較復(fù)雜〔見(jiàn)表1〕。對(duì)這些時(shí)間屬性的管理，當(dāng)下重要有三種形式：第一是在傳統(tǒng)GIS中空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，從新構(gòu)建時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理事件的時(shí)間要素，即時(shí)間作為新的一維；第二是在傳統(tǒng)的GIS中的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中，增長(zhǎng)相關(guān)的時(shí)間記錄來(lái)管理對(duì)象的時(shí)間要素，即時(shí)間作為附加的屬性數(shù)據(jù)；第三是面向?qū)ο蟮姆椒?，打破關(guān)系模型范式的限制，直接支持對(duì)象的嵌套及變長(zhǎng)記錄。其中第二種形式比較容易實(shí)現(xiàn)，但精確度受數(shù)據(jù)容量的限制，而且運(yùn)行速度比較慢。第一種和第三種形式的研究是當(dāng)下的熱門。從信息系統(tǒng)的角度來(lái)看，構(gòu)建獨(dú)立的時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)是TGIS的發(fā)展方向。而面向?qū)ο蟮臅r(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)能夠更直觀地反映時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化。但由于具有時(shí)空特性的數(shù)據(jù)信息的復(fù)雜性，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，固然對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)管理的研究不少，但效果并不睬想。郭達(dá)志等于1993年提出了用十六叉樹(shù)表示礦山GIS中的空間和時(shí)間的四維數(shù)據(jù)模型，但對(duì)離散變化、多邊形、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造等空間對(duì)象，這種形式的效率比較低。陳晉等于1995年提出了時(shí)空一體化的TGIS數(shù)據(jù)模型，應(yīng)用效果則遭到計(jì)算機(jī)技術(shù)的影響。當(dāng)下關(guān)于TGIS數(shù)據(jù)模型的討論重要有：序列快照模型〔SequentSnapshots〕、基圖修正模型〔Basestatewithamendments〕和時(shí)空組合體模型〔Time—spacecomposite〕等。相對(duì)來(lái)講，時(shí)空組合體模型能夠?qū)r(shí)間和空間屬性有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，便于系統(tǒng)分析、管理功能的實(shí)現(xiàn)。以合理的數(shù)據(jù)模型為框架，對(duì)時(shí)間信息應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)式管理。針對(duì)大量的時(shí)間數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方式，Snodgrass和Ahn〔1987〕將時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)詳細(xì)分為四類〔如表2〕。實(shí)際設(shè)計(jì)中采取最多的是歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。一般能夠?qū)⒚枥L敘述對(duì)象的時(shí)間在詳細(xì)分類的基礎(chǔ)上，不斷把靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的信息存入構(gòu)建的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)聯(lián)。2.3與相關(guān)系統(tǒng)的有效關(guān)聯(lián)是IGIS發(fā)展的前提TGIS能夠自成系統(tǒng)，但這一系統(tǒng)并不是完全孤立的系統(tǒng)，它是在傳統(tǒng)GIS的基礎(chǔ)上，充足考慮時(shí)間要素對(duì)客觀對(duì)象的動(dòng)態(tài)影響建立起來(lái)的。因而，TGIS的關(guān)系相對(duì)愈加復(fù)雜。首先，TGIS必需處理好系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)聯(lián)關(guān)系。TGIS要充足利用傳統(tǒng)GIS已經(jīng)建立起來(lái)的信息關(guān)系，利用其中的空間、屬性數(shù)據(jù)信息，在這里基礎(chǔ)上增長(zhǎng)時(shí)間要素以知足相關(guān)分析、管理的要求。因而，建立TGIS決不時(shí)拋開(kāi)傳統(tǒng)的GIS，而是以GIS為基礎(chǔ)。這就要求TGIS中新增的時(shí)間數(shù)據(jù)模型必需與GIS系統(tǒng)中已經(jīng)建立起來(lái)的模型互相兼容，保證系統(tǒng)內(nèi)信息的完全分享。其次，TGIS的運(yùn)行需要大量的信息資料，這些信息的來(lái)源必定是多元化的，因此要求TGIS能夠順利承受提供信息的基礎(chǔ)系統(tǒng)所提供的信息。這一方面是數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，要求數(shù)據(jù)資料必需標(biāo)準(zhǔn)化；另一方面要求TGIS必需是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)信息既能夠傳入，可以以讀出，只要符合規(guī)定的權(quán)限。另外，GIS整體也在不斷發(fā)展完善，TGIS的發(fā)展本質(zhì)上是進(jìn)一步架通管理與相關(guān)專業(yè)的橋梁。以GIS為基礎(chǔ)平臺(tái)來(lái)發(fā)展管理系統(tǒng)，將會(huì)使現(xiàn)代管理手段發(fā)生根天性的改變，更好地知足管理的要求。因而，客觀上要求TGIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該具有管理的理念，為系統(tǒng)的不斷豐富留有余地。3TGIS的發(fā)展瞻望當(dāng)下，計(jì)算機(jī)技術(shù)仍在以加速度的方式發(fā)展，將為TGIS的發(fā)展提供愈加有力的支撐。因而，TGIS不斷發(fā)展完善是必定的。TGIS作為GIS的一個(gè)主要發(fā)展方向，隨著相關(guān)技術(shù)的突破，其研究水平會(huì)迅速提升，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大。3.1計(jì)算機(jī)處理速度的進(jìn)一步提升將為TGIS的發(fā)展提供更有力的支撐隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)速度仍在不斷提升，這為TGIS技術(shù)的突破提供了有力的技術(shù)保障。眾所周知，GIS面對(duì)的是海量數(shù)據(jù)，增長(zhǎng)時(shí)間屬性，客觀對(duì)象的數(shù)據(jù)信息就會(huì)成倍增長(zhǎng)，處理工作量就會(huì)以幾何積數(shù)的方式增長(zhǎng)。計(jì)算機(jī)處理速度的提升，將使這一問(wèn)題得到相應(yīng)的解決。同時(shí)計(jì)算機(jī)速度的提升，會(huì)相應(yīng)地提升工作效率，進(jìn)一步擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，這為TGIS的普及應(yīng)用做好了操作上的預(yù)備，為TGIS軟件系統(tǒng)的推廣提早培育了市場(chǎng)。TGIS系統(tǒng)會(huì)逐步構(gòu)成一個(gè)不斷推出、檢驗(yàn)、進(jìn)一步改良的良性循環(huán)。進(jìn)而促進(jìn)TGIS的不斷發(fā)展。3.2網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展將為IGIS的發(fā)展減輕數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使信息工業(yè)突飛猛進(jìn)，也為TGIS的發(fā)展創(chuàng)造了條件。隨著數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的加快，長(zhǎng)期以來(lái)困擾TGIS的數(shù)據(jù)問(wèn)題能夠得到一定的解決。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化施行以后，通過(guò)建立數(shù)據(jù)信息分享基本數(shù)據(jù)庫(kù)，將其與相關(guān)專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)建立聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分享和及時(shí)傳輸，充足利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)減輕TGIS的數(shù)據(jù)管理負(fù)擔(dān)〔如此圖1〕。3.3IGIS應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展TGIS是GIS的發(fā)展方向之一，但GIS也僅僅僅僅是技術(shù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的一個(gè)小系統(tǒng)。因而，TGIS的發(fā)展自己就應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持系統(tǒng)論的觀點(diǎn)。當(dāng)下固然研究TGIS的學(xué)者不少，但大多是從技術(shù)上來(lái)尋求突破，從管理學(xué)的角度來(lái)進(jìn)行研究的并不是許多。實(shí)際上，從管理學(xué)的角度來(lái)看，受管理方法的限制，對(duì)信息的空間性要求相比照較弱，但對(duì)信息的時(shí)間性要求比較高。而這恰是GIS的弱點(diǎn)，因而GIS直到當(dāng)下僅在宏觀規(guī)劃中應(yīng)用較多，而在微觀管理領(lǐng)域沒(méi)有得到普遍應(yīng)用。略微留意就能夠發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代管理對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用非常廣泛，從最初的Basic，到dBASEⅡ、dBASEⅢ、dBASEⅣ，以及后來(lái)的FoxBASE、Foxpro、VfoxPro直至當(dāng)下的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，都在管理中得到了充足利用。但數(shù)據(jù)庫(kù)管理的信息中普遍缺少空間信息。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，企業(yè)的經(jīng)營(yíng)