时空数据模型【时空数据模型概述及研究】

时间：2019-04-13 04:23:49　来源：雅意学习网本文已影响人

　　摘要时空数据模型是时空数据库的基础，而时空数据库又是研究时态GIS(TGIS)的核心。本文分析了TGIS中的当前几种主要时空数据模型特征及存在的问题，探讨了当前时空数据模型研究存在的问题，最后对GIS和时空数据模型的将来发展方向给出了一些建议和展望。
　　关键词时空数据模型；时空语义；时空数据库；时空对象
　　中图分类号P208 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）69-0054-02
　　0 引言
　　随着GIS应用的推广与深入，用户对空间数据的现势性和准确性提出了更高的要求。目前，我国基础测绘工作重点已转向持续更新和灵性服务。如何建立高效的空间数据库更新机制，如何提高空间数据库更新的自动化程度，已成为亟待解决的问题，有效地空间数据更新机制有助于提升空间数据库的现势性，增强空间数据的利用率，使GIS更好的服务民生、辅助政府决策，而增量更新的重要研究内容是建立时空数据库，规范化的时空数据建模作为其核心技术尚处在探索阶段。
　　1 时空对象与时空语义
　　从建立数据模型的角度可将时空对象看作是空间对象，时态对象和属性对象的抽象，而空间数据对象的扩展是从空间数据类型开始的。
　　对于时态数据类型同样可定义具有时间点、时间区间和时间集合特征的时态数据类型。
　　整个时态数据类型的扩展层次如图1所示：
　　2 几种主要的时空数据模型
　　合理的时空数据模型包含如下几方面的因素：如何节省存储空间，加快存取速度，确立时空语义诠释和模型体系结构的层次[1]。TGIS模型主要包括序列快照模型、空间时间立方体模型、基态修正模型、时空数据模型的面向对象等。
　　2.1 空间时间立方体模型
　　空间时间立方体模型诠释的是一个3维立方体，由一个时间维和空间两个维度组成的，形象的诠释了二维空间向着第三个时间维演变的过程（如图2所示）[2]。空间一时间立方体作为任意一个空间实体的改变过程中的一个实体。模型形象地采用了时间维的几何特征，诠释了空间实体是一个时空体的理念，易于读者理解，模型实现的难度在于三维立方体的诠释。
　　2.2 序列快照模型
　　快照模型有栅格快照模型和矢量快照模型，是通过将一系列时间片段的快照存储起来，为反映地理现象的时空演变过程，要使每个切片都分别对应着不同时刻的状态图层，按照需要对所选择的时间片段进行播放，有一些GIS就是用该方式来慢慢逼近时空特征.该模型的优越之处在于：一是目前的数据库一直处于合理有效的状态；二是能够直接在目前的地理信息系统软件中实现。然而，快照将没有发生变化的全部特征进行储存，会出现许多数据冗余，如若模型变化较为频繁，而且数据量较大时，系统效率就会迅速降低，结果必然难以处理时空对象间的时空关系。
　　2.3 基态修正模型
　　通过设置基态修正模型时间间隔进行采样，避开快照模型使每一次没有发生改变部分特性反复进行记录。该模型也具有栅格和矢量两种模型。基态修正模型中任何一个对象只需储存一次，每改变一次，仅有很小的数据量需要记录，只是将发生改变的对象存人系统中。该模型可以在当前的GIS软件上达到比较好的实现，以地理特征作为基本对象。更新式的操作可以依靠单个地理特征而达到。对于矢量数据来讲通过叠加来表达状态效率太低，而比较适应于栅格数据。但是也未体现出这种状态过渡的过程，因此有人提出了通过设计“过程库”来记录变化过程，即基态修正模型的扩展[3]。
　　2.4 空间时间组合体模型
　　空间时间组合体模型针对矢量数据的出现，及后来的学者对它进行了精确详细阐述。为了使任何一个时空对象的改变都能使整个空间内产生一个新的对象。模型将空间分离成有同样时空过程的最大公共时空单元，归纳了其属性.此模型使空间变化过程和属性改变都反映为空间的变化过程，是基态修正模型和序列快照模型的折衷模型（如图3）。最大的短板在于对关系数据库的较大依靠和多边形的碎化。
　　图3时空复合模型[2]
　　2.5 面向对象的时空数据模型
　　基于上述几种模型提出来取得了很好的效果[4]。地理时空作为面向对象的基本思想理念组织的核心部分。其定义实体是当中对象是独立封闭的且具有惟一标注。根据空间、时间及属性在不同应用中重点关心的部分，分别应用于时间（事件）、位置（栅格）或对象（矢量）的系统构造方式。然而面向对象的时空数据模型存在两个方面的短板：缺少时空变化的语义，不能很好表达空间拓扑关系的改变；构造数据时，未按照语义进行结构化的数据组织，对象的时空属性与其他属性未区分开来。
　　上述的模型都存在一定的优点和缺点，相对规范化的时空数据模型的探讨及研究正处在探索阶段。
　　3 当前时空数据模型存在的问题
　　目前时空数据模型存在的问题有：研究理论多，研究应用少；模型提出的多，原型实现的少；矢量数据格式的模型面向的较多，栅格数据格式的模型面向的较少，想要很好的使用到实际中还有一段距离，而且多集中在地籍变理管理、土地划拨等领域，在环境管理领域和森林资源几乎未曾涉足。
　　目前的时空数据模型大多不是面向地学问题的，而是从计算机阐述的角度出发，缺乏对地理现象或实体的显式含义和基础关系阐述。对复杂繁琐的地理现象或实体的阐述及地理过程分析存在严重不足。不同类型层次主要因素之间可能存在的语义关系很难表达清楚。不同层次主要樱色之间可能存在的空间关系难于表达明了，还需通过复杂的空间叠加操作才能得到最终查询结果。
　　4 时空数据模型的发展方向
　　1）增强对时空语义的诠释和探索。世界研究对象的多种类特征导致了时空信息的多语义性。时空数据建模根本任务在于空间和时间的语义建模，所以在时空数据建模前，应该避免原始的由静态空间角度的思维方法，转而从动态的时空角度去思考问题，在了解GIS时空特性的基础上，依据具体应用领域解析所探索的对象及其特定时空语义，为时空数据模型的建立夯实基础；
　　2）巩固时空数据库模型的建设和设计探究。时空数据库是不同尺度、不同历史及不同维度的大量时空数据和非时空数据的集中组合，是时空GIS的核心的重要组成部分，需要长期基础性的工作去细化；
　　3）探索多维空间数据模型与建模方法、时空分析与可视化的基本理论和关键技术、动态处理与集成管理，从而加深对三维空间实体和时空变化的4维数据建模的了解。
　　5 结论
　　时空数据建模是研究领域的一个重要方向。近年来，对时空数据的查询统计、历史分析、动态分析、及趋势预测方面提出了更为迫切的要求。本文通过对时空语义及时空对象的阐述，介绍了几种主要的时空数据模型，并且指出了其中的问题，还介绍了时空数据模型的发展方向。
　　参考文献
　　[1]吴忠东，张照录，等.时空数据模型研究原则与表达方法的探讨[J].山东理工大学学报：自然科学版，20O4，18(2).
　　[2]孙妍.基于事件的面向对象时空数据模型研究与应用[D].大连理工大学硕士学位论文，2007.
　　[3]闫宏斌.时态GIS数据模型及基态修正时空数据模型的扩展[J].三晋测绘，2002，12(3，4).
　　[4]张山山.一种时空四维数据模型[J].计算机应用，2000，20.

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