地理信息系統中的時空數據模型的建立

PAGEPAGE13 題目：地理信息系統中的時空數據模型的建立專業(yè)：測繪工程[摘要]：時態(tài)GIS的基礎是時空數據模型的建立，國內外均有許多學者對時空數據模型進行了研究，他（她）們出發(fā)點都是地理實體的空間特征再結合時間屬性來進行研究，也有很多學者對時空數據模型的研究作出綜述，是本文從地理信息系統出發(fā)，地理實體具有的特征并結合如何在地理信息系統中描述地理實體以及空間分布、時間屬性等出發(fā)，根據地理信息系統中建模過程，統計時空數據模型，最后以土地利用類型變化建立時空數據模型說明基態(tài)修正時空數據模型更適合于柵格數據的建模。[關鍵詞]：地理實體時空特征時空數據模型目錄1引言 12地理信息系統基礎 12.1GIS系統的組成 12.2地理信息系統對空間對象的描述基礎 22.3地理信息系統的認知過程 43時空數據模型 53.1時空數據模型定義 63.2時空數據模型類型 64時空數據模型建立（以土地利用類型變化為例） 94.1時空數據模型的需求分析 94.2時空數據模型的概念設計 94.3時空數據模型的邏輯設計 105結論 12致謝語 12參考文獻 131引言隨著GIS的發(fā)展，地理信息系統相關的軟件逐漸能為GIS的使用者提供一個清晰的、實時的、直觀的、全面的信息表達方式，并能對具有時空特性的信息進行可視化表達，能提高管理的科學性和及時性，被認為是用于解決空間問題的有效手段。隨著計算機技術飛速發(fā)展，特別是計算機硬件的發(fā)展，人們對空間信息的渴望也不斷地增長，對地理信息系統的要求越來越高，在技術發(fā)展和應用需求的驅動下，地理信息系統的應用也越來越廣泛。地理信息具有三個基本的特征，即時間、空間和屬性特征，怎樣處理好這三個特征是地理信息系統發(fā)展的主要內容。然而在傳統的地理信息系統應用只涉及地理信息的兩個方面:空間維度和屬性維度，因此也叫SGIS（StaticGIS），而能夠同時處理時間維度的GIS叫TGIS（TemporalGIS）。在TGIS中，具有時間維度的數據可以分為兩類，一類是可以稱為結構化的數據，如一測站歷史數據的積累，它可以通過在屬性數據表記錄中簡單地增加一個時間嶻（TimeStamp）實現管理；另一類是非結構化的，最典型的例子是土地利用狀況的變化，描述這種數據是TGIS數據模型的重點要解決的問題[1]。時空數據模型時TGIS的核心，所以在國內外均有很多學者提出自己的看法，在時空數據模型的研究中，時態(tài)問題占著重要的位置，包含屬性數據和空間數據的時態(tài)問題。在20世紀70年代，屬性數據的時態(tài)問題已經引起了數據庫研究領域的學者的關注，空間數據的時態(tài)問題直到20世紀80年代末才引起人們的注意[2]。在1992年，GailLangran發(fā)表了他的博士畢業(yè)論文“地理信息系統中的時間”，是GIS時空數據模型研究的開始的標志，相繼在我們國內也有很多的學者作出了自己的研究，比如陳軍在1995年提出了非第一范式時空數據模型，1997年杜道生等也研究了時空數據模型，提出了同步數據項和碎分拓撲弧段時間的時空數據模型；龔建雅也對時空數據模型進行了研究，并在1997年發(fā)表了面向對象時空數據模型。朱建軍[3]等在2009年對目前所有的時空數據模型進行綜述，對一些時空數據模型的異同點、分類等作出一個論述。對時空數據模型作一些歸結、說明、分析，時空數據模型本身是在對地理實體熟悉并建立了地理認知模型的基礎下，用地理語言描述的一個概念模型，本文把時空數據模型放入地理信息系統中進行一個剖析，并最后以土地利用類型變化為例來創(chuàng)建一個時空數據模型。在系統地分析了時空數據模型和綜合調查各種時空概念的基礎上，結合國際上己有的時空概念建模方法、時空數據模型、時空動態(tài)建模方法等方面的研究成果，從概念設計、邏輯設計、應用分析等多個層面對時空數據庫展開系統的研究，以便對時序數據進行科學合理的時空一體化管理，其研究結果表明，基于雙基態(tài)修正模型的時空數據模型可以提高對時空數據輸入、檢索、查詢和更新的速度。2地理信息系統基礎在我們認識事物中，腦子需要對一些文字或者句子進行處理，從而得到別人或是對事物的認識。在地理信息系統中也是一樣的，一些的文字或者句子就是輸入地理信息系統中數據，而地理信息系統就像是腦子一樣對這些數據進行處理從而得到想要得到的地理信息。地理信息系統（Geographicinformationsystem,簡稱GIS）是在計算機硬件、軟件系統支持下，對整個或者部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關分布數據進行采集、存儲、管理、計算、分析和描述的技術系統[4]。2.1GIS系統的組成在我國，完整的GIS系統可以理解為在核心部分（軟件和硬件）支持下，主體（人員）對操作對象（地理空間數據庫）通過作業(yè)方法（分析功能或空間分析模型）得到空間數據信息，人主要包括系統管理人員、系統開發(fā)人員以及分析人員。2.1.1計算機硬件系統是地理信息系統系統中的實際物理裝置的總稱，是組成地理信息系統的物理外殼，它是根據GIS功能和規(guī)模進行配置的，有基本設備和擴展設備之分?；驹O備主要包括計算機主機（含鼠標、鍵盤、顯示器等）、存儲設備（比如：光盤刻錄機、磁帶機、活動硬盤等）、數據輸入設備（如數字化儀、掃描儀等）、數據輸出設備（繪圖儀、打印機等），這些基本設備是組成GIS所比不可少的，同時也是組成簡單GIS單機系統的硬件要求。為了使GIS軟件能夠與網絡、多媒體數據等組成多功能的GIS而增加的設備，比如有圖像處理系統、虛擬現實與仿真系統、網絡系統等。GIS的軟件部分又是它的核心中的核心，關系到GIS的功能。GIS的功能是對數據進行采集、加工、管理、分析和表達，這樣便將GIS基礎軟件分為六大子系統：數據輸入與格式轉換、圖形與屬性的編輯處理、數據存儲與管理、數據分析與處理、數據輸出與表示和用戶接口[5]。2.1.2數據是GIS的操作對象，是GIS的血液，它包括空間數據和屬性數據。地理空間數據庫是地理數據組織的直接結果，為此它需要數據庫管理系統進行統一管理。在我們測量中，主要產品有4D數據類型，分別是DLG（DigitalLineGraph）即數字線劃數據、DRG（DigitalRasterGraph）即數字柵格數據、DEM（DigitalElevationModel）數字高程模型、DOM（DigitalOrthoMap）數字正射影像。在GIS不單單只需要這些空間數據，還需要屬性數據。數據組織按工作區(qū)、工作層、邏輯層等方式進行。2.1.3人是GIS成功的決定因素，包括系統管理人員、系統開發(fā)人員和分析人員。在建設過程中，還包括GIS專業(yè)人員、組織管理人員和應用領域專家。主要有地圖使用者、地圖生產者、地圖出版者、數據錄入人員、地圖分析員等使用GIS。2.2地理信息系統對空間對象的描述基礎地理信息系統是通過對地理數據處理、分析等操作而最終得到地理信息，從而為人們提供關于現實世界新的事實和知識，作為生產、建設、經營、管理和決策的依據。地理數據是描述地理實體或者地理現象和它們間關系的符號化表示，在了解如何對地理實體進行描述必須對地理空間有一個了解。地理信息（GeographicInformation）是有關地理實體和地理現象的性質、特征和運動狀態(tài)的表征和一切有用的知識，是與地球表面位置數據相關聯的信息，是對表達地理特征和地理現象之間關系的地理數據的解釋。地理實體是指相對永久存在的地表物體，如典型的山地、道路、房屋等；地理現象是指一些偶然發(fā)生的地理事件，如火災、洪水、干旱等。2.地球系統科學（EarthSystemScience）是研究地球系統的科學。地球系統，是指由大氣層、水圈、土壤巖石圈和生物圈(包括人類自身)等四大圈組成的作為整體的地球。它包括了自地心到到地球的外層空間的十分廣闊的范圍，是一個復雜的非線性系統。在它們之間存在著地球系統各組成部分之間的相互作用，物理、化學和生物三大基本過程之間的相互作用，及人與地球系統之間的相互作用，將構成地球整體的四大圈層作為一個相互作用的系統，研究其構成、運動、變化、過程和規(guī)律等，并與人類生活和活動結合起來，借以了解現在和過去，預測未來[3]。2.由上可了解到地球系統科學面對的是綜合性很強的問題，應該采用多種科學思維方法，即大科學思維方法。大科學思維方法包括系統方法、分析和綜合方法、模型方法[3]。系統方法，是指將所研究對象作為一個整體系統來進行研究分析的方法，是地球系統科學的主要思維方法。這一方法體現了在系統觀點指導下的系統分析和在系統分析基礎上的系統綜合的科學認識的過程。分析和綜合方法，是指包括從分析到綜合的思維方法和從綜合到分析的思維方法，實質上是系統方法的擴展和具體化。從地球系統科學的概念和所需解決的問題來看，也是地球系統科學的科學思維方法。模型方法，是針對地球系統科學所要解決的問題及其特點，建立正確的數學模型，或地球的虛擬模型、數字模型，是地球系統科學的主要科學思維之一。它對研究地球系統的構成內容的描述、過程推演、變化預測等都是至關重要的。模型是指對現實的原型系統的本質的抽象或者模擬。軟件開發(fā)的過程就是人們使用各種計算機語言將人們關心的現實世界(問題域)映射到計算機世界的過程。模型應該由以下幾個部分組成[7]：⑴目標：系統對對象描述要達到的目的；⑵系統：主要是指系統描述的對象，比如房屋、河流等；⑶相關性：表述不同對象的關系，比如有不同變量之間的數量關系；⑷變量：表述各種組成部分的量的變化，可以分成內部變量，外部變量和狀態(tài)變量；⑸系統成分：構成系統的各種組成部分或者子系統；⑹約束條件：系統所處的環(huán)境，比如計算機硬件的限制條件。2.2.在地理學上，地理空間（GeographicSpace）是指物質、能量、信息的存在形式在形態(tài)、結構過程、功能關系上的分布方式、格局及其在時間上的延續(xù)。在GIS中，地理空間被定義為絕對空間和相對空間兩種形式。絕對空間是指具有屬性描述的實體的空間位置的集合，它由一系列不同位置上的實體要素的空間坐標值組成；相對空間是具有空間屬性特征的實體的集合，它由不同實體要素之間的空間關系構成[4]。2.2.地理實體是地理空間中獨立的、具有完整地理意義的最小邏輯單元。如果S空間是關于空間變量Ai的離散空間，s為該空間的一個獨立單元,則s及在s上的空間變量Ai的值F(s,Ai)稱為地理實體[6,7]。地理實體具有下列特征:⑴地理實體是可以分解和組合的，隨著研究目的和范圍不同，地理實體可以再分或組合成新的地理實體；⑵地理實體是可以描述的,對一個地理實體的完整描述包括對其時空屬性域及其取值、非時空屬性域及其取值、地理實體基本關系和方法的描述,其中屬性域是描述該地理實體所有可能屬性項的集合，值域是每一屬性可能取值范圍；⑶地理實體是可以區(qū)分的，即任意地理實體都具有一組屬性,由這一組屬性唯一確定該地理實體的存在；⑷地理實體是可以標識的，即可以給任意地理實體一個唯一標識符。GIS的表達的對象是地理空間信息，為了能夠很好的處理，需要對地球系統科學有個了解。明確目前能有幾種科學思維方法描述地球系統，并且需要考慮計算機硬軟件、表達效果及效率等因素。從而選擇一種行而有效的科學思維方法，在GIS中快速運行卻被人們接受。2.2.時空數據建模應考慮不同類型的時空過程和應用，在建立時空數據模型之前，我們需要把時空過程進行分類。地理實體和現象的一個基本特征就是發(fā)展，它們都會隨著時間的變化而發(fā)生變化。研究時空變化的時候，需要確定變化的類型；而為了能準確地給出數據模型中的時間定義，我們要掌握關于地理實體和現象的基本變化規(guī)律。地理實體變化有時會停頓，停頓后又會得到繼續(xù)，根據這些特點把地理實體變化又分為離散變化和連續(xù)變化。實體的連續(xù)變化狀態(tài)是指依據地理實體會按照一定的規(guī)律約束發(fā)生不間斷的變化，這種變化的劃分在一定程度上依賴于時間尺度。地理實體的突然發(fā)生的變化稱為離散變化，它在不同時刻有不同的狀態(tài)，常常是無規(guī)律可循。離散變化跟連續(xù)變化也有相互轉換的關系，某種大時間尺度下的離散變化可以近似的認為是一種連續(xù)變化，反之小時間尺度下的連續(xù)變化可以認為是離散變化。根據地理變化的程度，在形式上把地理實體變化分為地理實體的進化和地理實體的生亡。由地理實體的本質特征發(fā)生變化而引起的變化稱為地理實體的存亡，一般是指地理實體的屬性特征或空間特征發(fā)生的變化。而地理事物變化有快慢，同時變化的周期有長也有短，因而將地理變化分為：短期(如洪水、地震的發(fā)生過程)，中期(如城市化過程)，長期(如地殼運動)。按照時空應用所涉及的信息類型，時空過程可分為如下類型:(1)地理實體屬性離散變化，如事物含有的數量的增加。(2)空間的離散變化而地理實體屬性的連續(xù)變化。(3)像鐵路改線這樣的空間離散變化。(4)空間的連續(xù)變化而屬性的離散變化。(5)屬性連續(xù)變化，如某城市市區(qū)劃線內資源、人口在不斷變化，而城市市區(qū)劃線相對穩(wěn)定。(6)屬性和空間都離散變化，如地籍變更。(7)屬性和空間位置都連續(xù)變化，如暴風雨來臨時，而它的形狀和性質也在斷發(fā)生改變。(8)空間位置連續(xù)變化，如火車在鐵路上的移動，火車的位置在不斷的變化，但它的形狀和屬性沒有發(fā)生改變。2.3地理信息系統的認知過程現實世界地理實體和地理現象固有的空間、屬性和時間三個基本特征，每個地理實體都有自己的一個過程，在不同時刻它的屬性跟空間狀態(tài)都會有所不同，所以只有描述空間、屬性和時間相結合的方法才能正確、動態(tài)的反映現實世界。眾所周知，建立一個數據庫的前提需要對地理實體進行一個的認知過程，在GIS中稱為GIS認知，如下圖2-1所示，在地理信息系統中，它的認知過程：首先對地理實體及關系有深入的理解，形成地理實體的概念模型（包括空間現象描述、空間對象抽象和空間對象表達等）、根據形成的概念模型，用計算機能識別的語言構造邏輯模型（包括空間關系描述、空間數據集成、空間數據結構等）建立物理模型（空間數據管理、空間數據組織等）以便實現對地理實體的重構（包括地學可視化、空間數據構模等），最終在用數據庫語言在計算機里面建立數據庫，用數據庫管理軟件進行數據管理、分析等[9]。在地理信息系統的認知過程，可以認為時空數據模型（spatio-temporaldatamodel,STDM）是時態(tài)地理信息系統的建立理論基礎，同時也應是TGIS（TemporalGIS）的核心，可想對時空數據模型的研究有著重要的地位。圖2-1地理信息認知過程在GIS研究領域，由現實世界到GIS的抽象過程可劃分為三個層次模型：概念數據模型、邏輯數據模型、物理(存儲)數據模型(張山山，2001)。圖2-2地理數據模型的三個層次⑴抽象模型（概念模型）抽象模型是在對現實世界中的地理實體或現象有個深刻的認識，對地理事物或者現象進行抽象，從而形成的抽象概念集，它主要描述系統的特征和行為實際結構，而非系統。一個形式化的抽象模型是系統建模的基礎。⑵數據模型數據模型是在抽象模型建立形成后，根據建立的抽象模型用計算機語言建立一個數據模型，它一個完全確定了的模型，是可實現的、實在的模型，在地理信息系統數據模型有兩個步驟，先建立邏輯模型，最后形成存儲數據模型。數據模型是用圖表、表格、數據字典等形式描述了一個信息系統模型的問題域、人機交互、數據管理、系統交互等方面的內容[10]。①邏輯數據模型邏輯數據模型是用計算機中的語言描述的，主要描述的是信息系統涉及到的信息，并在計算機中用二進制的數據表示，把現實系統中的復雜的數據結構（概念模型形成的）映射到合適的數據表達。②存儲數據模型（物理數據模型）存儲數據模型根據形成的數據模型進行一定的修改，它們之間有密切聯系的，它需要標明持久信息如何存儲設備存儲，并能在計算機中表達。存儲數據模型一般是指數據庫的數據模型，即用數據庫語言描述邏輯數據模型，簡稱為存儲模型，也有稱物理數據模型。3時空數據模型對時空數據模型的研究是基于一定的應用目的的。首先我們應要探討客觀世界，建立了對客觀世界及其相關事物認識的基礎上，然后把這些認識轉換為數字數據的形式，最終在計算機中建立客觀世界及其相關事物的模擬系統。我們在作對客觀世界的模擬時，應當保證其準確性，盡量要求接近客觀世界里的事物的真實面目，然而客觀世界并不是一成不變的，反而總是千變萬化的。因而只能從應用的角度出發(fā)，考慮它的應用方面，因為這些模型必須要在計算機上有效重現。這樣便能為了滿足用戶的要求，常常需要對客觀世界及相關事物進行一定程度的建模。3.1時空數據模型定義當進行對現實世界中的實體進行抽象時稱為數據建模，如圖4-1所示數據建模過程。時空數據是一個特殊的數據，不但含有地理實體的屬性數據、空間數據還具有時間數據，所以它含有的數據類型多、數據量大、數據結構復雜等特點。在時態(tài)地理信息系統中，每個描述的對象都具有屬性、時間和空間三個基本特征。空間特征是指空間對象的空間位置的數據及其一些派生的數據;時間特征是指有關空間對象的空間特征數據和屬性數據隨時間而發(fā)生變化的信息;屬性特征則是標明空間對象是什么，有什么等特征，比如房子，有長、寬等屬性，是一些與空間位置沒有關系的屬性數據。當數據模型的研究和應用的不斷深入發(fā)展，另外人們對時間發(fā)生變化的信息越來越感興趣，隨時間而變化的信息逐步得到了廣大學者的關注，并提出了時態(tài)地理信息系統這個概念。作為時態(tài)地理信息系統的組織核心(時空數據模型)，時空數據庫能否建立的保障。本來只涉及帶有拓撲結構的空間數據就有數據量大、結構復雜等特點，當時間維的加入時，會讓那些隨時間變化而不斷變化產生的歷史數據會越來越多，從而積累而形成的海量數據將會使空間數據越來越復雜。但是也正是這些特性豐富了時空數據庫的內容，給時空數據模型的研究帶來了強大的挑戰(zhàn)性。所以時空數據模型是指是面向一定的應用目的，根據對客觀物體的認識以數字數據的形式建立的加入時間維的對客觀物體的一種模擬系統。圖3-1現實世界中數據進行抽象的過程3.2時空數據模型類型時空數據模型作為時態(tài)地理信息系統的最重要的組成部分，是時態(tài)地理信息系統的核心研究內容，關系到能否將時態(tài)地理信息系統應用在現實事件中，作預測、為決策提供依據等。在國內、國外均有很多的學者和研究者對時空數據模型展開了大量的研究和實踐，各自都有自身的特色，從而產生眾多時空數據模型的概念。國外有Langran[14,15]、Peuquet[16,17]、Yuan[18]和Pelekisetal.[19]對時空數據模型作出研究并發(fā)表了相應的文獻，其中Langran[14]總結出4種模型，快照模型(snapshots)、基態(tài)修正模型(thebasestatewithamendmentsmodel)、立方體模型(space-timecubemodel)和時空組合模型(space-timecomposites)，他是從計算機模型入手，把前人對時空模型的研究的成果進行文獻性論述，被國內外學者們認為是時態(tài)GIS研究的標志；Peuquet[17]探討了基于實體的時空表達、基于位置的時空表達、基于事件的時空表達和基于時間的時空表達等，也是對已有的模型進行了總結和討論，但他是從時間所要表達的特性和本質出發(fā)；Yuan[14]主要是基于過程或事件的時空模型(包括ESTDM（Peuqet&Duan,1995）、地形空間模型和三域模型（thethreedomainmodel,Yuan1994；Aprocessorientedorsemanticsapproach,Yuan1996）和基于時間標簽（包括快照模型、時空復合模型、時空對象模型[20]）的模型等相關模型進行了歸納和評述。Pelekisetal.[15]用圖來實例化模型的方式詳細說明11種模型。國內學者從時空數據模型的應用領域出發(fā)，參照國外的一些探討成果，對時空數據模型進行總結。比如尹章才和李全[21]總結和闡述了國內外比較實用的10種時空數據模型等，他們是以土地劃撥為例，對時空數據的存儲管理和語義進行作出的表達。自從Langran總結了4種模型，即立方體模型(space-timecubemodel)、快照模型(snapshots)、基態(tài)修正模型(thebasestatewithamendmentsmodel)和時空組合模型(space-timecomposites)，國內國外都還有很多學者提出了自己特有的模型或擴展模型，在此先介紹最早的序列快照模型(snapshots)、基態(tài)修正模型(thebasestatewithamendmentsmodel)和時空組合模型(space-timecomposites)。3.2.1就是將一系列時間片段的快照保存起來，反映整個“全球狀態(tài)圖”，各個切片分別對應不同時刻的狀態(tài)圖層，以此來反映地理現象的時空演化過程，根據需要對指定時間片段進行播放，有些GIS用該方法來逼近時空特性（如圖4-2）。圖3-2序列快照模型(Source：Peuquet[17])時空表達快照方法是根據離散的時間間隔序列記錄數據，一個顯著特征是在某時刻內給定的“全球狀態(tài)”，Si以完全的圖像或快照方式存儲。單一層內是存儲單一專題域、與單一已知時刻相關的信息，而沒有存儲給定專題域相關的所有信息。從先前的快照開始，要包括所有信息，無論其變化與否?？煺罩g的時間距離也不一定是均勻的。根據這種概念上的直接方法，就可以檢索給定時刻任意位置或實體的狀態(tài)。這種模型具有的優(yōu)點：(1)可以直接在當前的地理信息系統軟件中實現；(2)當前的數據庫總是處于有效狀態(tài)；(3)可以輕松的檢索給定時刻任意位置的狀態(tài)。但由于快照將未發(fā)生變化的所有特征進行存儲，因此，它具有如下缺陷[23]：(l)不能準確確定任何獨立變化所發(fā)生時間；(2)兩個快照之間時間間隔不易確定，發(fā)生在間隔之間的變化信息無法獲取；(3)數據容量隨著時間急劇膨脹，因為每一次快照都是一個區(qū)域的完全表達，存在大量冗余；(4)某一個具體位置或點的變化只通過前后兩次比較才能得出，這自然增大了操作時的難度。后來，Langran根據這些缺陷提出修正GIS柵格模型，允許記錄獨立變化的事件的時間和空間（如圖4-3）圖3-3基于時態(tài)柵格模型（Source：Langran[15]）柵格模型不僅記錄每個像元的單一值，而是把一個長度可變的列表與每個像元關聯起來。列表中的每個內容記錄了該特定位置的變化，并由新值和發(fā)生變化的時間來標識。將給定位置的每個新變化加到該單元位置按時間順序排序的歷史事件。與快照模型相比，僅存儲與特定位置相關的變化，避免了數據沉余，非常適合柵格數據的空間分析。缺點是數據庫實現復雜。3.2基態(tài)修正模型時指只存儲基態(tài)（初態(tài)）和累積變化的對象，如下圖4-4所示，這類模型與特定的地理實體關聯而不是與位置關聯。從概念上看，基態(tài)修正模型在每次變化時存儲的量是基態(tài)和累積變化的對象，存儲量大。不斷記錄地理實體位置中初始點之后隨時間的任何變化。因為它的存儲圖3-4基態(tài)修正模型(thebasestatewithamendmentsmodel)(Source：Peuquet[17])量大，為了改進此模型，提出了時空復合模型（如下圖4-5所示）。時空復合模型存儲的是基態(tài)和此次變化的對象，存儲量小，但是有一個缺陷就是當變化增多時導致碎片加大。這兩種模型的本質上是一樣的，只是它們所存儲的對象不一樣。但是它們都無法處理時空對象的空間關系和檢索效率低等缺點。圖3-5時空復合模型（Space-timecompoundmodel）(Source：May[18])基于序列快照模型和基態(tài)修正模型的優(yōu)缺點，國內學者尹章才等[21]提出用版本表示地理現象的狀態(tài)，如下圖4-6所示，它用增量來表示基于版本的時空現象變化，它們結合了序列快照模型和基態(tài)修正模型，所以是一種基于快照-增量的時空模型，模型是序列快照模型和基態(tài)修正模型兩種模型的優(yōu)勢互補的結果。但是，有一個缺點就是它需要建立一個基于增量的時空索引機制，因為當時間增大時，增量數據將會越來越大，查找快照與版本之間的增量是非常困難的。圖3-6基于快照-增量的時空模型(Source：尹章才等[21])3.2.Hagersatrand最早提出了時空立方體模型[24]，后來Rucker.szego等對其進行了進一步的研究。該模型表示為一個三維立方體，一維的時間軸是用來表示平面位置隨時間的變化，即圖中的T軸，用圖中的X軸和Y軸來表示空間，如圖4-7所示。圖3-7時空立方體模型4時空數據模型建立（以土地利用類型變化為例）根據李玉蘭[22]在2007年根據所描述的時空目標本身情況不同，把時空數據模型按照適合范圍等分成三類。它從本質上區(qū)別各類模型的異同(表3-1)。表3-1時空數據模型分類方法和歸類情況表時空數據模型分類方法類別模型歸類適合范圍根據所描述的時空目標本身情況側重于對時空實體狀態(tài)的描述如序列快照模型，基態(tài)修正模型，時空立方體模型，時空復合模型以及陳軍的非一范式關系時空模型矢量數據，更適合于柵格數據，可以跟CAD模型進行擴展側重于時空實體變化過程如基于事件驅動的時空數據模型、定性因果模型、基于圖論的時空數據模型和基于過程（Voronoi）的時空數據模型等柵格或矢量數據，可以做時空推理分析側重于時空實體本身和時空關系描述如時空立體模型，面向對象時空數據模型，面向特征和地理實體時空數據模型等矢量數據，可以做時空規(guī)劃分析根據這些分類，以及考慮到土里利用類型的變化，在這例子中采用的是柵格數據，并且主要是側重于土地狀態(tài)的一個考慮，經過綜合考慮后用基態(tài)數據模型進行建模。4.1時空數據模型的需求分析時空數據模型的建立在數據庫建立里作為數據庫的設計一部分，在做數據庫的設計的前提必須要進行一個需求分析，即主要是根據用戶的需求，取得設計者與用戶一直的看法。然后收集和分析數據：主要包括包括信息需求（信息內容、特征、需要存儲的數據）、信息加工處理要求（如響應時間）、完整性與安全性要求等方面。最后編制用戶需求說明書：主要包括需求分析的目標、任務、運行環(huán)境、系統功能與性能、具體需求說明等，是需求分析的最終成果。這就完成了時空數據模型建立的首要任務——需求分析。在社會越來越發(fā)達的今天，農藥、農用機械業(yè)越之發(fā)生很大的改變，土地在施肥、噴射農藥、耕地操作之下，土地利用狀態(tài)會發(fā)生一個很大的改變。尤其在環(huán)境污染那么嚴重的今天，很多的農用地已經變?yōu)樯?，但是也有森林變成農用地，所以對土地利用類型做一個時空上的變化有很大的必要性。不但能掌握好目前的農用地、森林地等面積，而且還能在以后作出一些預測，對于環(huán)境保護、農用地的保護起到很大的作用。4.2時空數據模型的概念設計對需求分析階段所收集的信息和數據進行分析、整理，確定地理實體、屬性及它們之間的聯系，將各種用戶的局部視圖合并成一個總的全局視圖，形成立于計算機的反映用戶觀點的概念模式。概念模式與具體的DBMS（數據庫管理系統）無關，結構穩(wěn)定，能較好地反映用戶的信息需求[36]。通常采用P.P.Chen設計的基于實體聯系模型(即E-R模型)的方法。在土地利用類型變化中，建立了圖4-1E-R模型圖（基于雙基態(tài)修正模型）。圖4-1時空數據模型的E-R模型4.3時空數據模型的邏輯設計在概念模型設計的基礎上，按照不同的轉換規(guī)則將概念模型轉換為具體DBMS（數據庫管理系統）支持的數據模型過程，即導出具體DBMS（數據庫管理系統）可處理的地理數據庫的邏輯結構（或外模型），包括確定數據項，記錄及記錄間的聯系、安全性、完整性和一致性約束等。導出的邏輯結構是否與概念模型一致，能否滿足用戶要求，還要對其功能和性能進行評價，并予以優(yōu)化。在土地利用類型變化中使用的是E-R概念模型，我們常采用關系模型來進行做數據間的描述。在兩者的轉換過程中需要注意兩點，一是實體的變換原則：E-R模型中的一個實體在關系模型中是一個關系模式，屬性不變，而實體的鍵就是關系的鍵。二是實體關系的變換原則：一對實體間的聯系轉換為一個關系模式，與該實體相聯系的屬性以及聯系的鍵都轉換為該關系的屬性，這種鍵的轉換主要也有三種情況：1:1的聯系時，每個實體的鍵都是關系的候選鍵，也可以將兩個實體合并為一個實體；1：n的聯系時，n端實體的鍵是關系的鍵；m:n的聯系時，各實體鍵的組合是關系的鍵。所以在土地利用類型變化中包含了這三種聯系。把E-R概念模型轉換為關系模型會有如下結果。（表4-1到表4-9）表4-1圖幅表PictureInfo表4-2文件頭表Filehead表4-3土地利用類型Classification表4-4土地利用變化情況WhetherChange表4-5基態(tài)數據表Base_Data表4-6差異變化數據表Difference_Data表4-7差異累加存儲表SumDelta表4-8快照表SnapShot表4-9快照表TemporarySnapShot5結論地理信息系統是當代科學發(fā)展的前沿領域之一，它已經或正在深刻地影響人類生產與生活的各個方面，其研究與應用是極其龐大而復雜的系統工程。而時空GIS是GIS一個新興的研究領域，是實現數字地球的關鍵技術之一。由于時空GIS對時空分析具有根本的重要性，而時空GIS的核心基礎都是時空數據模型。重點從地理信息系統本身、地理實體時空特征以及空間變化類型出發(fā)，綜述時空數據模型，以土地利用類型變化為例子介紹時空數據模型的建立過程,最后經過土地利用類型變化說明基態(tài)修正模型更適合于柵格數據模型的建模要求。致謝語參考文獻[1]鄔倫,劉瑜,張晶,馬修軍,韋中亞,田原.地理信息系統-原理方法和應用（M）.北京：科學出版社2001.[2]黃少鑾.基于GIS一T的面向對象時空數據模型的研究[D].武漢理工大學，2009.[3]陳新保，SongnianLi，朱建軍，陳建群.時空數據模型綜述[J].地理科學，2009，28（1）：9-17.[4]李建松.地理信息系統原理[M].武漢大學出版社.2006年第一版.[5]龔健雅.地理信息系統基礎[M].科學出版社.2001年第一版.[6]TANGAY,ADAMST,USERYEL.ASpatialdatamodeldesignorfeaturebasedgeographicalinformationsystem[J].Geo-graphicalInformationSystem,1996,10(5):643-659.[7]李暉,肖鵬峰,佘江峰.時空數據模型分類及特點分析[J].GIS技術,2008,(6):90-95[8]LYNNEU.Categorytheoryandthestructureoffeatureingeographicinformationsystem[J].CartographyandGeographicInformationSystem,1993,20(1):5-12.[9]吳立新.關于空間數據與空間數據模型的思考[J].地理信息世界.2005年第3卷.第5期:41-46.[10]NormanRJ.Object-OrientedSystemsAnalysis