文/蔡 暉 葉華平 游開燕

對(duì)空間數(shù)據(jù)模型的認(rèn)識(shí)和研究是GIS學(xué)科的核心內(nèi)容和重要論題。廣義上的地理空間數(shù)據(jù)模型研究的主要內(nèi)容就是如何正確對(duì)以上內(nèi)容進(jìn)行描述并有效實(shí)現(xiàn)龐大信息量和檢索速度的協(xié)調(diào)，同時(shí)動(dòng)態(tài)地表現(xiàn)地物的發(fā)展變化。在設(shè)計(jì)GIS空間數(shù)據(jù)庫和發(fā)展新一代GIS技術(shù)及其應(yīng)用過程中有著舉足輕重的作用，它直接影響著數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的語義表達(dá)、查詢、檢索的方式、速度和效率?？臻g數(shù)據(jù)模型按照空間數(shù)據(jù)時(shí)態(tài)特征的地位也經(jīng)歷了靜態(tài)空間數(shù)據(jù)模型與時(shí)態(tài)空間數(shù)據(jù)模型兩大階段。

一、時(shí)空數(shù)據(jù)模型概述

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)。

時(shí)空數(shù)據(jù)建模是針對(duì)如何合理、有效地表達(dá)、記錄和管理現(xiàn)實(shí)世界時(shí)空變化實(shí)體及其關(guān)系與行為的研究，是GIS數(shù)據(jù)建模的前沿研究領(lǐng)域，也是建立TGIS的極其重要的基礎(chǔ)。然而，由于時(shí)空變化語義的復(fù)雜性和時(shí)間維表達(dá)的特殊性，目前仍無普遍接受的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，也未見各方面較為成熟的TGIS基礎(chǔ)平臺(tái)，且實(shí)用的GIS系統(tǒng)很多仍是靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的。

從建模方法學(xué)角度，時(shí)空數(shù)據(jù)建?？蓜澐譃槿齻€(gè)層次，即時(shí)空語義建模、時(shí)空數(shù)據(jù)邏輯建模和時(shí)空數(shù)據(jù)物理建模，相應(yīng)時(shí)空數(shù)據(jù)模型包括時(shí)空語義模型、時(shí)空數(shù)據(jù)邏輯模型和時(shí)空數(shù)據(jù)物理模型。時(shí)空語義建模屬于概念模型一級(jí)，主要研究地理認(rèn)知世界中的時(shí)間和空間概念、時(shí)空結(jié)合的含義以及所要表達(dá)的時(shí)空實(shí)體及其時(shí)空變化特征。時(shí)空數(shù)據(jù)邏輯建模內(nèi)容包括時(shí)空數(shù)據(jù)類型及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)、時(shí)空數(shù)據(jù)操作及時(shí)空完整性約束三個(gè)部分。時(shí)空數(shù)據(jù)物理建模主要考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、物理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和時(shí)空索引結(jié)構(gòu)等。其中，語義建模是基礎(chǔ)，邏輯建模和物理建模具體表達(dá)時(shí)空語義及語義信息的物理存取。時(shí)空數(shù)據(jù)模型特點(diǎn)是語義更豐富、對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的描述更準(zhǔn)確。一個(gè)有效的時(shí)空數(shù)據(jù)模型必須具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)冗余度低、支持各種復(fù)雜時(shí)空對(duì)象的構(gòu)造、表達(dá)豐富的時(shí)空語義、兼顧檢索效率和用戶的應(yīng)用要求等特點(diǎn)。

從時(shí)態(tài)GIS實(shí)現(xiàn)的角度來看，時(shí)空數(shù)據(jù)模型可分為廣義與狹義。從廣義上，時(shí)空數(shù)據(jù)模型可涵蓋包括準(zhǔn)靜態(tài)空間數(shù)據(jù)模型在內(nèi)的所有考慮時(shí)變因素的非靜態(tài)空間數(shù)據(jù)模型，這些系統(tǒng)底層并不一定包括對(duì)傳統(tǒng)靜態(tài)GIS空間數(shù)據(jù)模型的改造。換句話說，廣義上的時(shí)空數(shù)據(jù)模型可以和傳統(tǒng)靜態(tài)GIS系統(tǒng)在底層數(shù)據(jù)模型上沒有本質(zhì)上的差別。

狹義上的時(shí)空數(shù)據(jù)模型則不然，它需要充分研究時(shí)間維語義和表達(dá)的特殊性，對(duì)傳統(tǒng)靜態(tài)GIS空間數(shù)據(jù)模型進(jìn)行擴(kuò)充和改造，使之能夠?qū)r(shí)變特性的屬性和空間數(shù)據(jù)進(jìn)行沿時(shí)間維的動(dòng)態(tài)組織和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多維(包括時(shí)空三維或時(shí)空四維)時(shí)空數(shù)據(jù)的一體化表達(dá)及管理，特別是具備時(shí)序分析能力。這種空間數(shù)據(jù)模型才是真正意義上的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。

上述兩個(gè)層面的理解都有理論或現(xiàn)實(shí)的意義。廣義上的時(shí)空數(shù)據(jù)模型允許將相對(duì)成熟的傳統(tǒng)靜態(tài)GIS技術(shù)作簡單擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)時(shí)態(tài)GIS功能，雖然不能完全滿足時(shí)空動(dòng)態(tài)應(yīng)用的需求，但由于不要求對(duì)傳統(tǒng)靜態(tài)GIS系統(tǒng)做較大的改動(dòng)，設(shè)計(jì)和開發(fā)比較容易，成本和風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)也較低；另一方面，采用狹義的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，可以引導(dǎo)時(shí)空數(shù)據(jù)建模、時(shí)空數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)及可視化表達(dá)與分析向真正的屬、時(shí)、空一體化方向發(fā)展。

二、時(shí)態(tài)GIS與時(shí)空數(shù)據(jù)庫

時(shí)態(tài)GIS包含時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫（temporal database），內(nèi)置有時(shí)空數(shù)據(jù)模型。時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫基于時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)模型，是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)技術(shù)的一個(gè)比較前沿的分支。時(shí)態(tài)GIS采用時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，動(dòng)態(tài)地研究三維地理空間的數(shù)據(jù)和信息。因此，時(shí)態(tài)GIS所基于的數(shù)據(jù)模型成為時(shí)態(tài)空間數(shù)據(jù)模型，或簡稱時(shí)空數(shù)據(jù)模型。

1.時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)

時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)，亦稱為時(shí)態(tài)GIS、temporal GIS或者TGIS。時(shí)態(tài)GIS是相對(duì)GIS而言的。地理環(huán)境、事物和現(xiàn)象不斷發(fā)展變化，但是靜態(tài)GIS僅對(duì)其進(jìn)行“快照”式的表達(dá)。當(dāng)研究的空間現(xiàn)象狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，靜態(tài)GIS對(duì)原來的狀態(tài)不予保留，只關(guān)心系統(tǒng)變化后的結(jié)果;它只是簡單的對(duì)一定瞬間的地理現(xiàn)象進(jìn)行備份，將發(fā)生的時(shí)間作為屬性數(shù)據(jù)保留，而非慣性過去時(shí)刻狀態(tài)的回放，也不對(duì)動(dòng)態(tài)演變進(jìn)行比較分析。這種只對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行“快照”是描述的GIS系統(tǒng)，稱靜態(tài)GIS。

時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)將時(shí)間概念引入GIS中，跟蹤和分析空間數(shù)據(jù)和隨時(shí)間的變化。它不僅描述系統(tǒng)在某時(shí)刻、時(shí)段的狀態(tài)，而且描述系統(tǒng)沿時(shí)間維變化的過程，預(yù)測(cè)未來時(shí)刻、時(shí)段系統(tǒng)將會(huì)呈現(xiàn)的狀態(tài)，以此獲得系統(tǒng)變化的趨勢(shì)，或者對(duì)過去不同時(shí)刻、時(shí)段的系統(tǒng)狀態(tài)回放重現(xiàn)，總結(jié)出系統(tǒng)沿時(shí)間變化的規(guī)律。這種不同于靜態(tài)GIS，含有時(shí)間概念的GIS系統(tǒng)，成為時(shí)態(tài)GIS或TGIS。

2.時(shí)空數(shù)據(jù)庫

時(shí)空數(shù)據(jù)庫的基本概念、特征及術(shù)語。

有效時(shí)間(valid time)：指一個(gè)對(duì)象在現(xiàn)實(shí)世界中發(fā)生并保持的那段時(shí)間、或者該對(duì)象在現(xiàn)實(shí)世界中為真的時(shí)間段。有時(shí)也稱為對(duì)象時(shí)間、世界時(shí)間、外界時(shí)間和物理時(shí)間。

事務(wù)時(shí)間(transaction time)：指一個(gè)對(duì)象錄入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的時(shí)間，有時(shí)也稱為系統(tǒng)時(shí)間、 數(shù)據(jù)庫時(shí)間、歷史記錄時(shí)間、邏輯時(shí)間等。

用戶定義時(shí)間(User-defined time)：指用戶根據(jù)需要而輸入的時(shí)間，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)將它與庫中其他一般數(shù)據(jù)同等對(duì)待。

快照數(shù)據(jù)庫(Snapshot database)：使用刪除、替換對(duì)數(shù)據(jù)庫狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新的一系列系統(tǒng)活動(dòng)，它導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫的過去狀態(tài)丟失并忘記，它僅反映現(xiàn)實(shí)中的一個(gè)片斷。

回滾數(shù)據(jù)庫 (Rollback database)：根據(jù)事務(wù)時(shí)間在系統(tǒng)中保存對(duì)象的所有過去歷史，并能對(duì)庫中任何數(shù)據(jù)做更新操作。

歷史數(shù)據(jù)庫 (Historical database)：根據(jù)有效時(shí)間在系統(tǒng)中保存對(duì)象的所有過去歷史，并能對(duì)庫中任何數(shù)據(jù)做更新操作。

時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(Temporal DB)：根據(jù)有效時(shí)間和事務(wù)時(shí)間在系統(tǒng)中分別保存對(duì)象歷史和數(shù)據(jù)庫狀態(tài)。

三、幾種有代表的時(shí)空數(shù)據(jù)模型

時(shí)空立方體模型。時(shí)間立方體模型用二維圖形沿時(shí)間第三維發(fā)展變化的過程表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界平面位置隨世界的演變;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)的截面、立方體的狀態(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(duì)立方體的操作會(huì)變得越來越復(fù)雜，以至于最終變得無法處理。

連續(xù)快照模型。連續(xù)快照模型是將一系列的時(shí)間片斷快照保存起來，反映整個(gè)空間特征的狀態(tài)，根據(jù)需要對(duì)指定時(shí)間片斷的現(xiàn)實(shí)進(jìn)行播放。該模型的不足在于，由于快照將未發(fā)生變化的時(shí)間片斷的所有特征重復(fù)進(jìn)行存儲(chǔ)，會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余，當(dāng)應(yīng)用模型變化頻繁、且數(shù)據(jù)量較大時(shí)，系統(tǒng)效率急劇下降。此外，連續(xù)快照模型不表達(dá)單一的時(shí)空對(duì)象，較難處理時(shí)空對(duì)象的時(shí)態(tài)關(guān)系。

基態(tài)修正模型。為了避免連續(xù)快照模型將每張未發(fā)生變化部分的快照特征重復(fù)進(jìn)行記錄，基態(tài)修正模型按事先設(shè)定的時(shí)間間隔采樣，只存儲(chǔ)某個(gè)時(shí)間的數(shù)據(jù)狀態(tài)(稱為基態(tài))和相對(duì)基態(tài)的變化量?；鶓B(tài)修正的每個(gè)對(duì)象只存儲(chǔ)一次，每變化一次只有很小的數(shù)據(jù)量需要記錄。同時(shí)，只有在事件發(fā)生或?qū)ο蟀l(fā)生變化時(shí)，才存入系統(tǒng)中，時(shí)態(tài)分辨率刻度值與事件發(fā)生的時(shí)刻完全對(duì)應(yīng)?；鶓B(tài)修正模型不存儲(chǔ)每個(gè)對(duì)象不同時(shí)間段的所有信息，只記錄一個(gè)數(shù)據(jù)基態(tài)和相對(duì)應(yīng)基態(tài)的變化量，提高了時(shí)態(tài)分辨率，減少了數(shù)據(jù)冗余量。但基態(tài)修正模型較難處理給定時(shí)刻的時(shí)空對(duì)象間的空間關(guān)系。對(duì)于將整個(gè)地理區(qū)域作為處理對(duì)象時(shí)，該模型處理方法難度較大，效率較低，管理索引變化很困難。

時(shí)空復(fù)合模型。時(shí)空復(fù)合模型將空間分隔成具有相同時(shí)空過程的最多的公共時(shí)空單元，每次時(shí)空對(duì)象的變化將在整個(gè)空間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)新的對(duì)象。對(duì)象把在整個(gè)空間內(nèi)的變化部分作為它的空間屬性，變化部分的歷史作為它的時(shí)態(tài)屬性。時(shí)空單元中的時(shí)空過程可用關(guān)系表來表達(dá)，若時(shí)空單元分裂時(shí)，用新增的元組來反映新增的空間單元，時(shí)空過程每變化一次，采用關(guān)系表中新增一列的時(shí)間段來表達(dá)，從而達(dá)到用靜態(tài)的屬性表表達(dá)動(dòng)態(tài)的時(shí)間變化過程的目的。但在數(shù)據(jù)庫中對(duì)象標(biāo)識(shí)符的修改比較復(fù)雜，涉及關(guān)系鏈層次很多，必須對(duì)標(biāo)識(shí)符逐一進(jìn)行回退修改。