韓 劍

合肥學院數(shù)學與物理系，安徽 合肥 230000

0 引言

隨著GIS應用的推廣與深入，用戶對空間數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性和準確性提出了更高的要求。目前，我國基礎測繪工作重點已轉(zhuǎn)向持續(xù)更新和靈性服務。如何建立高效的空間數(shù)據(jù)庫更新機制，如何提高空間數(shù)據(jù)庫更新的自動化程度，已成為亟待解決的問題，有效地空間數(shù)據(jù)更新機制有助于提升空間數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)勢性，增強空間數(shù)據(jù)的利用率，使GIS更好的服務民生、輔助政府決策，而增量更新的重要研究內(nèi)容是建立時空數(shù)據(jù)庫，規(guī)范化的時空數(shù)據(jù)建模作為其核心技術尚處在探索階段。

1 時空對象與時空語義

從建立數(shù)據(jù)模型的角度可將時空對象看作是空間對象，時態(tài)對象和屬性對象的抽象，而空間數(shù)據(jù)對象的擴展是從空間數(shù)據(jù)類型開始的。

對于時態(tài)數(shù)據(jù)類型同樣可定義具有時間點、時間區(qū)間和時間集合特征的時態(tài)數(shù)據(jù)類型。

整個時態(tài)數(shù)據(jù)類型的擴展層次如圖1所示:

圖1 時態(tài)數(shù)據(jù)類層次

2 幾種主要的時空數(shù)據(jù)模型

合理的時空數(shù)據(jù)模型包含如下幾方面的因素:如何節(jié)省存儲空間，加快存取速度，確立時空語義詮釋和模型體系結(jié)構的層次[1]。TGIS模型主要包括序列快照模型、空間時間立方體模型、基態(tài)修正模型、時空數(shù)據(jù)模型的面向?qū)ο蟮取?/p>

2.1 空間時間立方體模型

空間時間立方體模型詮釋的是一個3維立方體，由一個時間維和空間兩個維度組成的，形象的詮釋了二維空間向著第三個時間維演變的過程（如圖2所示）[2]?？臻g一時間立方體作為任意一個空間實體的改變過程中的一個實體。模型形象地采用了時間維的幾何特征，詮釋了空間實體是一個時空體的理念，易于讀者理解，模型實現(xiàn)的難度在于三維立方體的詮釋。

2.2 序列快照模型

快照模型有柵格快照模型和矢量快照模型，是通過將一系列時間片段的快照存儲起來，為反映地理現(xiàn)象的時空演變過程，要使每個切片都分別對應著不同時刻的狀態(tài)圖層，按照需要對所選擇的時間片段進行播放，有一些GIS就是用該方式來慢慢逼近時空特征.該模型的優(yōu)越之處在于:一是目前的數(shù)據(jù)庫一直處于合理有效的狀態(tài)；二是能夠直接在目前的地理信息系統(tǒng)軟件中實現(xiàn)。然而，快照將沒有發(fā)生變化的全部特征進行儲存，會出現(xiàn)許多數(shù)據(jù)冗余，如若模型變化較為頻繁，而且數(shù)據(jù)量較大時，系統(tǒng)效率就會迅速降低，結(jié)果必然難以處理時空對象間的時空關系。

圖2 空間時間立方體模型[2]

2.3 基態(tài)修正模型

通過設置基態(tài)修正模型時間間隔進行采樣，避開快照模型使每一次沒有發(fā)生改變部分特性反復進行記錄。該模型也具有柵格和矢量兩種模型?；鶓B(tài)修正模型中任何一個對象只需儲存一次，每改變一次，僅有很小的數(shù)據(jù)量需要記錄，只是將發(fā)生改變的對象存人系統(tǒng)中。該模型可以在當前的GIS軟件上達到比較好的實現(xiàn)，以地理特征作為基本對象。更新式的操作可以依靠單個地理特征而達到。對于矢量數(shù)據(jù)來講通過疊加來表達狀態(tài)效率太低，而比較適應于柵格數(shù)據(jù)。但是也未體現(xiàn)出這種狀態(tài)過渡的過程，因此有人提出了通過設計“過程庫”來記錄變化過程，即基態(tài)修正模型的擴展[3]。

2.4 空間時間組合體模型

空間時間組合體模型針對矢量數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，及后來的學者對它進行了精確詳細闡述。為了使任何一個時空對象的改變都能使整個空間內(nèi)產(chǎn)生一個新的對象。模型將空間分離成有同樣時空過程的最大公共時空單元，歸納了其屬性.此模型使空間變化過程和屬性改變都反映為空間的變化過程，是基態(tài)修正模型和序列快照模型的折衷模型（如圖3）。最大的短板在于對關系數(shù)據(jù)庫的較大依靠和多邊形的碎化。

圖3 時空復合模型[2]

2.5 面向?qū)ο蟮臅r空數(shù)據(jù)模型

基于上述幾種模型提出來取得了很好的效果[4]。地理時空作為面向?qū)ο蟮幕舅枷肜砟罱M織的核心部分。其定義實體是當中對象是獨立封閉的且具有惟一標注。根據(jù)空間、時間及屬性在不同應用中重點關心的部分，分別應用于時間（事件）、位置（柵格）或?qū)ο螅ㄊ噶浚┑南到y(tǒng)構造方式。然而面向?qū)ο蟮臅r空數(shù)據(jù)模型存在兩個方面的短板:缺少時空變化的語義，不能很好表達空間拓撲關系的改變；構造數(shù)據(jù)時，未按照語義進行結(jié)構化的數(shù)據(jù)組織，對象的時空屬性與其他屬性未區(qū)分開來。

上述的模型都存在一定的優(yōu)點和缺點，相對規(guī)范化的時空數(shù)據(jù)模型的探討及研究正處在探索階段。

3 當前時空數(shù)據(jù)模型存在的問題

目前時空數(shù)據(jù)模型存在的問題有:研究理論多，研究應用少；模型提出的多，原型實現(xiàn)的少；矢量數(shù)據(jù)格式的模型面向的較多，柵格數(shù)據(jù)格式的模型面向的較少，想要很好的使用到實際中還有一段距離，而且多集中在地籍變理管理、土地劃撥等領域，在環(huán)境管理領域和森林資源幾乎未曾涉足。

目前的時空數(shù)據(jù)模型大多不是面向地學問題的，而是從計算機闡述的角度出發(fā)，缺乏對地理現(xiàn)象或?qū)嶓w的顯式含義和基礎關系闡述。對復雜繁瑣的地理現(xiàn)象或?qū)嶓w的闡述及地理過程分析存在嚴重不足。不同類型層次主要因素之間可能存在的語義關系很難表達清楚。不同層次主要櫻色之間可能存在的空間關系難于表達明了，還需通過復雜的空間疊加操作才能得到最終查詢結(jié)果。

4 時空數(shù)據(jù)模型的發(fā)展方向

1）增強對時空語義的詮釋和探索。世界研究對象的多種類特征導致了時空信息的多語義性。時空數(shù)據(jù)建模根本任務在于空間和時間的語義建模，所以在時空數(shù)據(jù)建模前，應該避免原始的由靜態(tài)空間角度的思維方法，轉(zhuǎn)而從動態(tài)的時空角度去思考問題，在了解GIS時空特性的基礎上，依據(jù)具體應用領域解析所探索的對象及其特定時空語義，為時空數(shù)據(jù)模型的建立夯實基礎；

2）鞏固時空數(shù)據(jù)庫模型的建設和設計探究。時空數(shù)據(jù)庫是不同尺度、不同歷史及不同維度的大量時空數(shù)據(jù)和非時空數(shù)據(jù)的集中組合，是時空GIS的核心的重要組成部分，需要長期基礎性的工作去細化；

3）探索多維空間數(shù)據(jù)模型與建模方法、時空分析與可視化的基本理論和關鍵技術、動態(tài)處理與集成管理，從而加深對三維空間實體和時空變化的4維數(shù)據(jù)建模的了解。

5 結(jié)論

時空數(shù)據(jù)建模是研究領域的一個重要方向。近年來，對時空數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計、歷史分析、動態(tài)分析、及趨勢預測方面提出了更為迫切的要求。本文通過對時空語義及時空對象的闡述，介紹了幾種主要的時空數(shù)據(jù)模型，并且指出了其中的問題，還介紹了時空數(shù)據(jù)模型的發(fā)展方向。

[1]吳忠東，張照錄，等.時空數(shù)據(jù)模型研究原則與表達方法的探討[J].山東理工大學學報:自然科學版，20O4，18(2).

[2]孫妍.基于事件的面向?qū)ο髸r空數(shù)據(jù)模型研究與應用[D].大連理工大學碩士學位論文，2007.

[3]閆宏斌.時態(tài)GIS數(shù)據(jù)模型及基態(tài)修正時空數(shù)據(jù)模型的擴展[J].三晉測繪，2002，12(3，4).

[4]張山山.一種時空四維數(shù)據(jù)模型[J].計算機應用，2000，20.