關(guān)于對(duì)時(shí)態(tài)GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的研究

蔣瑞祥

（安徽省合肥市新華學(xué)院國際教育學(xué)院，安徽 合肥 230088）

在GIS、時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫、人工智能等技術(shù)前提下形成和發(fā)展的綜合性應(yīng)用技術(shù)就是時(shí)態(tài)GIS，主要針對(duì)時(shí)空世界下按照自然規(guī)律發(fā)展的現(xiàn)象、事物的時(shí)空信息進(jìn)行分析。綜合當(dāng)前狀況來看，無論在實(shí)踐還是理論層面，時(shí)空GIS均處于初步的研究階段，然而具有非誒長廣闊的發(fā)展及應(yīng)用空間。

一、時(shí)態(tài)GIS主要研究內(nèi)容

GIS系統(tǒng)在具備對(duì)地理現(xiàn)象時(shí)間行為進(jìn)行表達(dá)功能的時(shí)候，就可以稱之為時(shí)態(tài)GIS。若G15可以對(duì)地理現(xiàn)象的時(shí)間、空間信息進(jìn)行表達(dá)、管理的情況下，能夠借助GIS對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的分析，并完成存儲(chǔ)操作，實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)。由現(xiàn)實(shí)世界、人概念世界、數(shù)字世界至借助使用者改造活動(dòng)在現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行反饋，以上三大過程均涉及到地理信息科學(xué)知識(shí)，也就是應(yīng)研究及分析地理認(rèn)知模型，還應(yīng)考慮社會(huì)、地理信息科學(xué)二者間的聯(lián)系。

由于動(dòng)態(tài)地理環(huán)境過程相對(duì)比較復(fù)雜，若把時(shí)間當(dāng)成空間進(jìn)行分析，視作可度量維數(shù)，不符合當(dāng)下的實(shí)際狀況，這同其不存在空間單位、本質(zhì)有直接的關(guān)系，所以能夠把時(shí)間、對(duì)象的改變進(jìn)行綜合性的分析，即使不能通過感官感受到，然而能夠明確其效果。所以，空間對(duì)象相伴隨改變?yōu)闀r(shí)間方式的最佳解釋，改變涵蓋了相對(duì)位置、變形。Hornsby等學(xué)者就構(gòu)建了變化下的對(duì)象時(shí)空語義描述方式，認(rèn)為變化描述語言就是定義語言，描述對(duì)象主要包括歷史和現(xiàn)在均不存在、現(xiàn)在存在、歷史存在而現(xiàn)在不存在三大狀態(tài)[1]。結(jié)合這些狀態(tài)能夠?qū)蓬愖兓僮鬟M(jìn)行進(jìn)一步的界定，依次為：持續(xù)存在、喚醒、創(chuàng)建、歷史存在、無歷史持續(xù)存在、破壞、現(xiàn)在不存在、遺忘、再生及刪除。上述狀態(tài)存在于變化研究時(shí)空內(nèi)，適用語義均能夠進(jìn)行表達(dá)。此外，Worboys學(xué)者也對(duì)GIS和數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的相關(guān)研究成果和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了進(jìn)一步的歸納及總結(jié)[2]。匯總結(jié)果具體介紹如下：

以往GIS系統(tǒng)將地理實(shí)體空間成分的表示放在了重要位置，語義聯(lián)系及內(nèi)部聯(lián)系所占比重矯情，該問題對(duì)GIS空間分析能力造成了較大的影響。如果沒有對(duì)語義關(guān)系提高重視，會(huì)僅結(jié)合當(dāng)下認(rèn)識(shí)水平，針對(duì)整體性的地理世界開展硬性切割，無法主動(dòng)對(duì)GIS在復(fù)雜的深層次空間進(jìn)行深入的研究及分析。

所以公眾均意識(shí)到，在處理GIS中時(shí)態(tài)問題的過程中，一方面要找到有效的數(shù)學(xué)方式，另一方面更要基于現(xiàn)實(shí)世界時(shí)空現(xiàn)象對(duì)表面之下的深層變化規(guī)律進(jìn)行研究。因?yàn)閷?shí)踐過程中，改變時(shí)空數(shù)據(jù)的關(guān)鍵因素就是事件、事件發(fā)生，隨著研究的不斷深化，人們對(duì)事件和事件語義下的時(shí)態(tài)GIS模型進(jìn)行了構(gòu)建。

針對(duì)基礎(chǔ)定義進(jìn)行分析，地理實(shí)體空間拓?fù)潢P(guān)系的拓?fù)涫录g的時(shí)態(tài)關(guān)系就是時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系，其反映的是空間和時(shí)間下地理實(shí)體的相關(guān)性，要想對(duì)時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行充分的展示，應(yīng)對(duì)空間拓?fù)潢P(guān)系時(shí)變序列進(jìn)行保存。

結(jié)合空間拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行分析，若存在兩個(gè)對(duì)象，二者會(huì)從開始的相離狀態(tài)相向運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過相離、相接、重疊、相等、重疊和相接、相離多個(gè)過程，時(shí)空位置處在不斷變化的過程中。因?yàn)槟Ｐ蛯?duì)基于差異化時(shí)間下兩個(gè)對(duì)象的空間關(guān)系的不同，所以能夠進(jìn)行對(duì)改變進(jìn)行推測；再加上對(duì)象改變位置的情況下，能夠?qū)唧w改變時(shí)間進(jìn)行推測。

要想基于時(shí)態(tài)GIS，對(duì)已知、可能時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行保存，當(dāng)下在顯示表達(dá)時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的過程中，開始逐步運(yùn)用圖論。針對(duì)一組具體事物間彼此關(guān)系的抽象代數(shù)進(jìn)行研究即為圖論的主要功能，能夠?qū)r(shí)空實(shí)體、時(shí)態(tài)關(guān)系進(jìn)行有效的顯式表達(dá)。尹章才等學(xué)者對(duì)一類建立在圖論基礎(chǔ)上的時(shí)空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了研究和分析，針對(duì)時(shí)空實(shí)體借助圖頂點(diǎn)進(jìn)行表達(dá)，并對(duì)實(shí)體時(shí)態(tài)關(guān)系通過圖變進(jìn)行表達(dá)。時(shí)態(tài)GIS模型可以對(duì)保存的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系、時(shí)空實(shí)體進(jìn)行顯式表達(dá)，解決了已有圖方式針對(duì)數(shù)據(jù)表達(dá)、保存借助快照序列來實(shí)現(xiàn)的問題。

結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)和簡便是時(shí)態(tài)GIS模型最顯著的特征，能夠高效化的管理、查詢時(shí)空數(shù)據(jù)，使訪問數(shù)據(jù)庫的次數(shù)大大降低，并使數(shù)據(jù)獲取效率得到了顯著的提升，能夠更加簡便地對(duì)顯示數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分離。

二、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型的選擇

GIS因?yàn)樯芷诖嬖诓町悾跁r(shí)間分辨率要求方面也有所不同，然而并不影響選取數(shù)據(jù)模型。在模擬時(shí)空過程（關(guān)鍵是屬性改變）的情況下，相對(duì)簡便，可以基于靜態(tài)GIS來實(shí)現(xiàn)，但是如果空間變化頻率較大的情況下，具備相對(duì)嚴(yán)格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)選取標(biāo)準(zhǔn)[3]。

柵格、矢量是兩類主要的GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)存在一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圈、矢量一柵格混合型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。結(jié)合時(shí)空過程種類進(jìn)行分析，可以借助柵格結(jié)構(gòu)表達(dá)適宜的連續(xù)變化，如果離散改變就需要運(yùn)用矢量結(jié)構(gòu)。矢量結(jié)構(gòu)適用于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、多邊形結(jié)構(gòu)等的表示；柵格結(jié)構(gòu)適用于連續(xù)分布的空間目標(biāo)。

三、時(shí)空目標(biāo)的標(biāo)識(shí)和同一性

實(shí)體指的是基于現(xiàn)實(shí)世界下不同現(xiàn)象的抽象化概括，能夠通過數(shù)字形式在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行表達(dá)，也叫作對(duì)象或目標(biāo)。點(diǎn)、線和面等均屬于空間目標(biāo)，如果多邊形出現(xiàn)改變，對(duì)于形成多邊形或者一致多邊形出現(xiàn)狀態(tài)改變這一問題就是目標(biāo)標(biāo)識(shí)。目標(biāo)狀態(tài)的所有、隨意部分均能夠在時(shí)間變化的同時(shí)出現(xiàn)改變，系統(tǒng)結(jié)合特定規(guī)則，明確基本元素即選取子集，也就是系統(tǒng)ID。系統(tǒng)下目標(biāo)屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)二者的融合過程也應(yīng)用到ID，其基于關(guān)系數(shù)據(jù)模型下就是碼及關(guān)鍵字。

所以對(duì)用戶標(biāo)識(shí)（U-ID）理念進(jìn)行構(gòu)建，GIS面向使用者提供服務(wù)，使用者影響目標(biāo)是新生成還是改變。由于相同現(xiàn)象的抽象結(jié)果可能存在差異，所以用戶標(biāo)識(shí)、系統(tǒng)ID可等也可不等。