時(shí)空數(shù)據(jù)模型簡介資料PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1時(shí)空數(shù)據(jù)模型簡介資料時(shí)空數(shù)據(jù)模型簡介資料 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)對象的時(shí)空屬性。例如在地籍變更、環(huán)境監(jiān)測、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)測未來。傳統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)模型強(qiáng)調(diào)地學(xué)對象的靜態(tài)描述，通常采用矢量或柵格的方式來描述空間數(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的核心問題之一是時(shí)空數(shù)據(jù)模型的建立。 第1頁/共18頁 時(shí)空數(shù)據(jù)模型的核心問題是研究如何有效地表達(dá)、記錄和管

2、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)庫的版本問題、時(shí)空數(shù)據(jù)庫的質(zhì)量控制、時(shí)空數(shù)據(jù)的可視化問題等。第2頁/共18頁 人類對地學(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對地貌循環(huán)的研究；1925年Saue

3、r對歷史地理學(xué)的研究；1939年Hartshorne對地域差異的研究；說明了人類很早就認(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，并針對時(shí)空數(shù)據(jù)建模中存在的時(shí)空語義模

4、糊問題，提出了時(shí)間尺度和事件序列兩種時(shí)間概念模型。第3頁/共18頁 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?。?頁/共18頁 隨著近年來以空間數(shù)據(jù)庫為基礎(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越受到人們的關(guān)注

5、，因而提出了時(shí)態(tài)GIS（簡稱TGIS）的概念。時(shí)態(tài)GIS的組織核心是時(shí)空數(shù)據(jù)庫，時(shí)空數(shù)據(jù)模型則是時(shí)空數(shù)據(jù)庫的基礎(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)庫和時(shí)態(tài)GIS系統(tǒng)目前還沒有出現(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：第5頁/共18頁 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關(guān)系數(shù)據(jù)庫的過分依賴，隨著變化的頻繁會(huì)形成很多的碎片。第6頁/共18頁 連續(xù)快照模型在數(shù)

6、據(jù)庫中僅記錄當(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，以反映整個(gè)空間特征的狀態(tài)。由于快照將對未發(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。第7頁/共18頁 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)刻完全對應(yīng)。基態(tài)修正模型對每個(gè)對象只存儲(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

7、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)空對象間的空間關(guān)系，且對很遠(yuǎn)的過去狀態(tài)進(jìn)行檢索時(shí)，幾乎對整個(gè)歷史狀況進(jìn)行閱讀操作，效率很低。第8頁/共18頁 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)間變化的過程。缺點(diǎn)是隨著數(shù)據(jù)量的增大，對立方體的操作會(huì)變的越來越復(fù)雜，以至于最終變的無法處理。第9頁/共18頁 時(shí)空對象模型認(rèn)為世界是由時(shí)空原子（Spatio-temporal Atom）所組成，時(shí)空原

8、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)空對象模型中表示，沒有一個(gè)描繪變遷、過程的概念。第10頁/共18頁 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，無論多么復(fù)雜，總可以作為一個(gè)對象來建模。缺點(diǎn)是，沒有考慮地理現(xiàn)象的時(shí)空特性和內(nèi)在聯(lián)系，缺少對地理實(shí)體或現(xiàn)象的顯式定義和基礎(chǔ)關(guān)系描述。第11頁/共18頁 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

9、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)庫以及時(shí)態(tài)GIS的研究仍然存在很多問題，具體表現(xiàn)在：第12頁/共18頁 （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，二者沒有緊密地結(jié)合。空間模型強(qiáng)調(diào)對象的幾何特征，而時(shí)態(tài)模型側(cè)重于對象特征的改變。然而在很多情況下，對象的空間屬性和時(shí)態(tài)屬性是密切相關(guān)的，如資源管理、環(huán)境監(jiān)測等系統(tǒng)。缺少與時(shí)空過程模型集成表達(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)段間隔的方法來模擬連續(xù)的變化。另外

10、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身也是用離散的方式來表達(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)問題。時(shí)態(tài)GIS對空間對象離散和連續(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)一的查詢語言和表達(dá)界面，而不是視圖間的切換。第13頁/共18頁 （3）在地學(xué)對象認(rèn)識(shí)和表達(dá)過程中，領(lǐng)域?qū)＜?、?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議。經(jīng)驗(yàn)表明，僅僅依靠簡單的時(shí)間或空間的擴(kuò)展方式是無法靈活、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)GI

11、S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。第14頁/共18頁（5）沒有充分考慮數(shù)據(jù)移植問題。目前，無論是科學(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題。第15頁/共18頁 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

12、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。第16頁/共18頁（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、語義驅(qū)動(dòng)的時(shí)空表達(dá)方法。（4）加強(qiáng)時(shí)空數(shù)據(jù)索引、時(shí)空數(shù)據(jù)插值