時空數據模型概述及研究

韓 劍

合肥學院數學與物理系，安徽 合肥 230000

0 引言

隨著GIS應用的推廣與深入，用戶對空間數據的現勢性和準確性提出了更高的要求。目前，我國基礎測繪工作重點已轉向持續更新和靈性服務。如何建立高效的空間數據庫更新機制，如何提高空間數據庫更新的自動化程度，已成為亟待解決的問題，有效地空間數據更新機制有助于提升空間數據庫的現勢性，增強空間數據的利用率，使GIS更好的服務民生、輔助政府決策，而增量更新的重要研究內容是建立時空數據庫，規范化的時空數據建模作為其核心技術尚處在探索階段。

1 時空對象與時空語義

從建立數據模型的角度可將時空對象看作是空間對象，時態對象和屬性對象的抽象，而空間數據對象的擴展是從空間數據類型開始的。

對于時態數據類型同樣可定義具有時間點、時間區間和時間集合特征的時態數據類型。

整個時態數據類型的擴展層次如圖1所示:

圖1 時態數據類層次

2 幾種主要的時空數據模型

合理的時空數據模型包含如下幾方面的因素:如何節省存儲空間，加快存取速度，確立時空語義詮釋和模型體系結構的層次[1]。TGIS模型主要包括序列快照模型、空間時間立方體模型、基態修正模型、時空數據模型的面向對象等。

2.1 空間時間立方體模型

空間時間立方體模型詮釋的是一個3維立方體，由一個時間維和空間兩個維度組成的，形象的詮釋了二維空間向著第三個時間維演變的過程（如圖2所示）[2]。空間一時間立方體作為任意一個空間實體的改變過程中的一個實體。模型形象地采用了時間維的幾何特征，詮釋了空間實體是一個時空體的理念，易于讀者理解，模型實現的難度在于三維立方體的詮釋。

2.2 序列快照模型

快照模型有柵格快照模型和矢量快照模型，是通過將一系列時間片段的快照存儲起來，為反映地理現象的時空演變過程，要使每個切片都分別對應著不同時刻的狀態圖層，按照需要對所選擇的時間片段進行播放，有一些GIS就是用該方式來慢慢逼近時空特征.該模型的優越之處在于:一是目前的數據庫一直處于合理有效的狀態；二是能夠直接在目前的地理信息系統軟件中實現。然而，快照將沒有發生變化的全部特征進行儲存，會出現許多數據冗余，如若模型變化較為頻繁，而且數據量較大時，系統效率就會迅速降低，結果必然難以處理時空對象間的時空關系。

圖2 空間時間立方體模型[2]

2.3 基態修正模型

通過設置基態修正模型時間間隔進行采樣，避開快照模型使每一次沒有發生改變部分特性反復進行記錄。該模型也具有柵格和矢量兩種模型。基態修正模型中任何一個對象只需儲存一次，每改變一次，僅有很小的數據量需要記錄，只是將發生改變的對象存人系統中。該模型可以在當前的GIS軟件上達到比較好的實現，以地理特征作為基本對象。更新式的操作可以依靠單個地理特征而達到。對于矢量數據來講通過疊加來表達狀態效率太低，而比較適應于柵格數據。但是也未體現出這種狀態過渡的過程，因此有人提出了通過設計“過程庫”來記錄變化過程，即基態修正模型的擴展[3]。

2.4 空間時間組合體模型

空間時間組合體模型針對矢量數據的出現，及后來的學者對它進行了精確詳細闡述。為了使任何一個時空對象的改變都能使整個空間內產生一個新的對象。模型將空間分離成有同樣時空過程的最大公共時空單元，歸納了其屬性.此模型使空間變化過程和屬性改變都反映為空間的變化過程，是基態修正模型和序列快照模型的折衷模型（如圖3）。最大的短板在于對關系數據庫的較大依靠和多邊形的碎化。

圖3 時空復合模型[2]

2.5 面向對象的時空數據模型

基于上述幾種模型提出來取得了很好的效果[4]。地理時空作為面向對象的基本思想理念組織的核心部分。其定義實體是當中對象是獨立封閉的且具有惟一標注。根據空間、時間及屬性在不同應用中重點關心的部分，分別應用于時間（事件）、位置（柵格）或對象（矢量）的系統構造方式。然而面向對象的時空數據模型存在兩個方面的短板:缺少時空變化的語義，不能很好表達空間拓撲關系的改變；構造數據時，未按照語義進行結構化的數據組織，對象的時空屬性與其他屬性未區分開來。

上述的模型都存在一定的優點和缺點，相對規范化的時空數據模型的探討及研究正處在探索階段。

3 當前時空數據模型存在的問題

目前時空數據模型存在的問題有:研究理論多，研究應用少；模型提出的多，原型實現的少；矢量數據格式的模型面向的較多，柵格數據格式的模型面向的較少，想要很好的使用到實際中還有一段距離，而且多集中在地籍變理管理、土地劃撥等領域，在環境管理領域和森林資源幾乎未曾涉足。

目前的時空數據模型大多不是面向地學問題的，而是從計算機闡述的角度出發，缺乏對地理現象或實體的顯式含義和基礎關系闡述。對復雜繁瑣的地理現象或實體的闡述及地理過程分析存在嚴重不足。不同類型層次主要因素之間可能存在的語義關系很難表達清楚。不同層次主要櫻色之間可能存在的空間關系難于表達明了，還需通過復雜的空間疊加操作才能得到最終查詢結果。

4 時空數據模型的發展方向

1）增強對時空語義的詮釋和探索。世界研究對象的多種類特征導致了時空信息的多語義性。時空數據建模根本任務在于空間和時間的語義建模，所以在時空數據建模前，應該避免原始的由靜態空間角度的思維方法，轉而從動態的時空角度去思考問題，在了解GIS時空特性的基礎上，依據具體應用領域解析所探索的對象及其特定時空語義，為時空數據模型的建立夯實基礎；

2）鞏固時空數據庫模型的建設和設計探究。時空數據庫是不同尺度、不同歷史及不同維度的大量時空數據和非時空數據的集中組合，是時空GIS的核心的重要組成部分，需要長期基礎性的工作去細化；

3）探索多維空間數據模型與建模方法、時空分析與可視化的基本理論和關鍵技術、動態處理與集成管理，從而加深對三維空間實體和時空變化的4維數據建模的了解。

5 結論

時空數據建模是研究領域的一個重要方向。近年來，對時空數據的查詢統計、歷史分析、動態分析、及趨勢預測方面提出了更為迫切的要求。本文通過對時空語義及時空對象的闡述，介紹了幾種主要的時空數據模型，并且指出了其中的問題，還介紹了時空數據模型的發展方向。

[1]吳忠東，張照錄，等.時空數據模型研究原則與表達方法的探討[J].山東理工大學學報:自然科學版，20O4，18(2).

[2]孫妍.基于事件的面向對象時空數據模型研究與應用[D].大連理工大學碩士學位論文，2007.

[3]閆宏斌.時態GIS數據模型及基態修正時空數據模型的擴展[J].三晉測繪，2002，12(3，4).

[4]張山山.一種時空四維數據模型[J].計算機應用，2000，20.