从空间到时间_时空数据模型研究_姜晓轶
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w hile problem s and thei r causes in ST DM s are analy zed parti cularly. T he autho rs pointed out t hat i t w ould no t sati sfy the expressio n needs o f ST DMs by si mply expanding t he exi sting spat ial data mo dels wi th a temporal dimension. On the co ntrary , the essent ial variatio n and pro cess of geog raphical phenomena m ust be analy zed and modeled sy stematically. An object-oriented and pro cess-o riented ST DM method that is also spatio-t emporal semantic , w hi ch m atches hum an logical vi si on , is t he f oundat ion to the st udy o f tem po ral GIS.
间拓扑关系的渐变规律 、时空概念理解做了一些探 一定程度上避免了快照模型的数据冗余问题 , 节省
讨 , 给出了反映拓扑关系时空变化的最邻近拓扑关 了存储空间 , 但其缺点仍与快照模型相似 , 没有显著
系邻接图[ 10] 。舒红 、陈军等给出了时空拓扑关系的 的改进(图 2)。
定义和基于点集理论的形式化描述 , 并针对时空数
Tel :021 - 62233429 , E-mail :andy jia ng xy @126. co m 通讯联系人 :周云轩(1962 ), 男 , 江苏泰县人 , 教授 , 博士生 导师 , 主要从事地 理信息系 统 、遥感 、地球物 理位场 与应用
基础研究 , E-mail:zho uy x @sklec. ecm. edu. cn 。
1. S t ate K ey Labora tory o f Est uar ine and Coasta l Resear ch , East Ch ina N orma l Un iver sit y , S han ghai 200062, China 2. Col lege o f GeoE x p lorat ion S i cence and Tech no logy , J il in Uni versi t y , Chang chun 130026 , Ch ina
第
36 卷 第 3 2006 年 5 月
期
J
吉
our nal
林 大 学 学 报(地 球
of Jilin U niver sity(Ea rth
科学
S ci ence
பைடு நூலகம்版)
E di t io
n)
Vo l. 36 M ay
No 20 06
. 3
从空间到时间 ———时空数据模型研究
图 1 时间快照图像序列模型 Fig. 1 Temporal snapshot series model
H art shorne 对地域差异的研究 :说明了人类很早就
这种模型概念简单 、易于理解 、容易实现 , 但具
认识到地学中时空相互作用的重要性 。
有几个明显的缺点 :①只能给出特定时刻地学现象
空间 、专题和时间是地学对象的 3 个基本特征 , 的状态 , 而且必须通过比较对应的像素才能派生出
据建模中存在的时空语义模糊问题 , 提出了时间尺 度和事件序列两种时间概念模型[ 6] 。
2 时空数据模型研究进展
时空数据模型的研究历程可概括为 20 世纪 70 年代的酝酿起始阶段 , 80 年代的开拓阶段和 90 年 代后的大发展阶段[ 3] 。前两个阶段的研究重点主要 表现为以空间为 主的 GIS 功能研究和以 时态信息 处理为主的时态数据库研究 , 时空结合方面涉及的 很少 。20 世纪 90 年代初期 , 出现了大量 的专门用 于处理时空数据的模型和原型系统 。目前主要的时 空数据模型设计方法有以下几种 :一是在栅格 、矢量 空间模型基础上扩展时间维 , 二是在时间模型基础 上扩展空间维 , 三是面向对象方法 。 2. 1 基于栅格的时空数据模型分析 2. 1. 1 时间快照图像序列模型[ 11]
48 2
吉 林 大 学 学 报(地 球 科 学 版) 第 36 卷
图 2 离散格网单元列表模型 Fig. 2 Discrete grid cell table model
2. 2 基于矢量的时空数据模型分析 2. 2. 1 基图修正模型
其基本思想是基于起始时刻地图的不断修正 , 任何后续时刻对象的变化都以增量的形式存储 , 也 叫“矢量修正”[ 12] 。 该模型保证了地学对象 的完整 性 , 可以直接检索对象的变化历史 , 但变化信息是基 于图层的 , 时间是以图层属性形式存在 , 不支持对象 时态拓扑关系的运算(图 3)。
姜晓轶1 , 周云轩1 , 2
1. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室 , 上海 200062 2. 吉林大学 地球探测科学与技术学院, 长春 130026
摘要 :从 地学中的时空观出发 , 论述了时 空数据 模型的研 究现状 与发展 趋势 , 就几 类有代表 性的模 型 原理和特点进行了详细介绍 。 其次 , 重点分析了时空数据模型研究过程中 急需解决 的问题及其 根源 , 认为 单纯地在空间维基础上扩展时间维是不能满足时空数据 表达需求的 。 建议从 系统理论角 度出发 , 分析 、模 拟地学现象的基本变化与过程 , 建立面向对象和 过程的 、基于 时空语 义的 、符合 人类逻 辑思维的 时空数 据 模型方法 , 从而为时态地理信息系统的研究奠定基础 。
2. 3. 1 基于事件的时空数据模型 ES T DM (ev entbased spat io-temporal dat a model)[ 14]
在 ES T DM 中 , 把地学现象发生变化的时刻称 为事件 , 将时刻序列称为事件列表 。时间是以事件 属性形式存在的 , 通过事件来表现时间 。 除了在开 始时刻存储真实世界初始状态外 , 其它各点均存储 变化部分 。EST DM 模型具有较高的空间和时间查 询效率 , 但是会将对象的变化信息分解成多个片断 , 因此需要建立索引机制把这些片断组合并还原成整 体(图 5)。
该模型是较早的 、经典的时空数据模型之一 , 它 用一系列经过空间配准的栅格图像来表示真实世界 在某个时刻的状态(图 1)。
1 地学中的时空观
人类对地学中时空概念的 认知可以追溯到 19 世纪末 20 世纪初[ 7] 。 1899 年 Davis 对地貌循环的 研究 ;1925 年 Sauer 对历史地理学的研究 ;1939 年
是反映地学对象状态和演变过程的重要组成部分 。 相应的变化信息 ;②数据冗余大 , 即使某些位置在给
在时空数据模型中 , 空间刻画了地学对象的空间位 定时刻未发生变化 , 也必须存储这些数据 , 造成大量
置 、分布和空间相关性 ;专题说 明了地学对象 的性 存储资源的浪费 ;③没有显式地包含时态信息 , 只能
尽管时空数据模型的研究已经具有近 20 多年 的历史 , 然而其成果仍然局限于概念模型和原型系 统阶段[ 3 ～ 6] 。 时空数据表达 、时空地理数据 库以及 时态 GIS 的研究仍然存在很多问题 。
本文从地学中的时空观出发 , 论述了时空数据 模型的发展历史 、研究现状 ;就几类具有代表性的模 型的原理和特点进行了详细介绍 ;重点讨论了研究 过程中急需解决的几类问题 , 并对其根源做了详细 分析 ;最后对时空数据模型的研究方法和发展趋势 提出了认识 。
图 5 基于事件的时空数据模型 Fig. 5 Event-based spatio-temporal data model
2. 3. 2 基于时间语义模型
图 3 基图修正模型 Fig. 3 Base-map revision model
许多空间应用系统 , 尤其是地理信息系统(GIS)都 的 GIS 数据模型强调地学对象的静态描述 , 通常采
收稿日期 :2005 10 24 基金项目 :上海市科委科技攻关项目(04DZ12049) ;教育部优秀青 年教师教学科研奖励计划 作者简介 :姜晓轶(1973 ), 男 , 黑龙江齐 齐哈尔 人 , 博 士研究 生 , 主 要从事 时空数 据库 、地 理信息 系统 软件开 发研 究 ,
Key words:temporal GIS ;spatio-tem po ral dat a mo del ;spatio-tempo ral dat abase
0 引言
需要表达地学对象的 时空属性[ 1] 。 例如在地籍 变 更 、环境监测 、城市演化等领域都需要管理历史变化
空间和时间是现实世界最基本 、最重要的属性 。 数据 , 以便重建历史 、跟踪变化 、预测未来[ 2] 。 传统
Abstract :O n the basis of t he spatio-tem po ral visio n i n geog raphy , the autho rs provi ded a review on spatio-tem po ral dat a mo del (ST DM), t he state-of-t he-art and it s evolving trends. ST DM s current ly av ailable are ca tego rized. Def ini tions and characterist ics of ty pical ST DM s are di scussed in detail. M ean-
第 3 期 姜晓轶 , 周云轩 :从空间到时间 时空数据模型研究
481
用矢量或栅格的方式来描述空间数据 。 这种机制限 制了如位移 、变迁等动态信息的表达 。
时态地理信息系统(时态 GIS)是一种采集 、存 储 、管理 、分析与显示地学对象随时间变化信息的计 算机系统[ 3] 。时 态 G IS 的核心 问题之一是时 空数 据模型的建立 。 时空数据模型是一种有效组织和管 理时态地学数据 、空间 、专题 、时间语义完整的地学 数据模型 , 它不仅强调地学对象的空间和专题特征 , 而且强调这些特征随时间的变化 , 即时态特征 。 建 立合理 、完善 、高效的时空数据模型是实现时态 GIS 的基础和关键 。
该模型将格网单元及其变化以变长列表形式存
关系和度量关系 , 把时间分为有效时间 、事务时间和 储 , 每个列表的一个元素对应该位置上的一次时空
存在时间 。Allen 提出了基于时态区间代数理论的 变化 。若想获得某时刻状态 , 只需提取相应时刻各 时态拓扑关系模型[ 9] 。 Egenhofer 、Szmurlo 等对空 个格网单元列表的元素 。 离散格网单元列表模型在
质 ;时间则刻画了地学对象的存在时间 、变化状况和 采用独立的存储方式 , 如反映在图像的文件名上 , 并
时间相关性 。地学对象之间的空间关系往往随着时 且不支持时态关系的表达 。
间而变化 , 与时间关系交织在一起就形成了多种时 2. 1. 2 离散格网单元列表模型[ 12]
空关系 。 T ry fo na[ 8] 把空间关系分为拓扑关系 、方向
关键词 :时态地理信息系统 ;时空数据模型 ;时空数据库 中图分类号 :P208 文献标识码 :A 文章编号 :1671 5888(2006)03 0480 06
From Space to Time A Research on Spatio-Temporal Data Model
JIA N G Xiao-yi1 , ZH O U Y un-xuan1 , 2
间拓扑关系的渐变规律 、时空概念理解做了一些探 一定程度上避免了快照模型的数据冗余问题 , 节省
讨 , 给出了反映拓扑关系时空变化的最邻近拓扑关 了存储空间 , 但其缺点仍与快照模型相似 , 没有显著
系邻接图[ 10] 。舒红 、陈军等给出了时空拓扑关系的 的改进(图 2)。
定义和基于点集理论的形式化描述 , 并针对时空数
Tel :021 - 62233429 , E-mail :andy jia ng xy @126. co m 通讯联系人 :周云轩(1962 ), 男 , 江苏泰县人 , 教授 , 博士生 导师 , 主要从事地 理信息系 统 、遥感 、地球物 理位场 与应用
基础研究 , E-mail:zho uy x @sklec. ecm. edu. cn 。
1. S t ate K ey Labora tory o f Est uar ine and Coasta l Resear ch , East Ch ina N orma l Un iver sit y , S han ghai 200062, China 2. Col lege o f GeoE x p lorat ion S i cence and Tech no logy , J il in Uni versi t y , Chang chun 130026 , Ch ina
第
36 卷 第 3 2006 年 5 月
期
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吉
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林 大 学 学 报(地 球
of Jilin U niver sity(Ea rth
科学
S ci ence
பைடு நூலகம்版)
E di t io
n)
Vo l. 36 M ay
No 20 06
. 3
从空间到时间 ———时空数据模型研究
图 1 时间快照图像序列模型 Fig. 1 Temporal snapshot series model
H art shorne 对地域差异的研究 :说明了人类很早就
这种模型概念简单 、易于理解 、容易实现 , 但具
认识到地学中时空相互作用的重要性 。
有几个明显的缺点 :①只能给出特定时刻地学现象
空间 、专题和时间是地学对象的 3 个基本特征 , 的状态 , 而且必须通过比较对应的像素才能派生出
据建模中存在的时空语义模糊问题 , 提出了时间尺 度和事件序列两种时间概念模型[ 6] 。
2 时空数据模型研究进展
时空数据模型的研究历程可概括为 20 世纪 70 年代的酝酿起始阶段 , 80 年代的开拓阶段和 90 年 代后的大发展阶段[ 3] 。前两个阶段的研究重点主要 表现为以空间为 主的 GIS 功能研究和以 时态信息 处理为主的时态数据库研究 , 时空结合方面涉及的 很少 。20 世纪 90 年代初期 , 出现了大量 的专门用 于处理时空数据的模型和原型系统 。目前主要的时 空数据模型设计方法有以下几种 :一是在栅格 、矢量 空间模型基础上扩展时间维 , 二是在时间模型基础 上扩展空间维 , 三是面向对象方法 。 2. 1 基于栅格的时空数据模型分析 2. 1. 1 时间快照图像序列模型[ 11]
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吉 林 大 学 学 报(地 球 科 学 版) 第 36 卷
图 2 离散格网单元列表模型 Fig. 2 Discrete grid cell table model
2. 2 基于矢量的时空数据模型分析 2. 2. 1 基图修正模型
其基本思想是基于起始时刻地图的不断修正 , 任何后续时刻对象的变化都以增量的形式存储 , 也 叫“矢量修正”[ 12] 。 该模型保证了地学对象 的完整 性 , 可以直接检索对象的变化历史 , 但变化信息是基 于图层的 , 时间是以图层属性形式存在 , 不支持对象 时态拓扑关系的运算(图 3)。
姜晓轶1 , 周云轩1 , 2
1. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室 , 上海 200062 2. 吉林大学 地球探测科学与技术学院, 长春 130026
摘要 :从 地学中的时空观出发 , 论述了时 空数据 模型的研 究现状 与发展 趋势 , 就几 类有代表 性的模 型 原理和特点进行了详细介绍 。 其次 , 重点分析了时空数据模型研究过程中 急需解决 的问题及其 根源 , 认为 单纯地在空间维基础上扩展时间维是不能满足时空数据 表达需求的 。 建议从 系统理论角 度出发 , 分析 、模 拟地学现象的基本变化与过程 , 建立面向对象和 过程的 、基于 时空语 义的 、符合 人类逻 辑思维的 时空数 据 模型方法 , 从而为时态地理信息系统的研究奠定基础 。
2. 3. 1 基于事件的时空数据模型 ES T DM (ev entbased spat io-temporal dat a model)[ 14]
在 ES T DM 中 , 把地学现象发生变化的时刻称 为事件 , 将时刻序列称为事件列表 。时间是以事件 属性形式存在的 , 通过事件来表现时间 。 除了在开 始时刻存储真实世界初始状态外 , 其它各点均存储 变化部分 。EST DM 模型具有较高的空间和时间查 询效率 , 但是会将对象的变化信息分解成多个片断 , 因此需要建立索引机制把这些片断组合并还原成整 体(图 5)。
该模型是较早的 、经典的时空数据模型之一 , 它 用一系列经过空间配准的栅格图像来表示真实世界 在某个时刻的状态(图 1)。
1 地学中的时空观
人类对地学中时空概念的 认知可以追溯到 19 世纪末 20 世纪初[ 7] 。 1899 年 Davis 对地貌循环的 研究 ;1925 年 Sauer 对历史地理学的研究 ;1939 年
是反映地学对象状态和演变过程的重要组成部分 。 相应的变化信息 ;②数据冗余大 , 即使某些位置在给
在时空数据模型中 , 空间刻画了地学对象的空间位 定时刻未发生变化 , 也必须存储这些数据 , 造成大量
置 、分布和空间相关性 ;专题说 明了地学对象 的性 存储资源的浪费 ;③没有显式地包含时态信息 , 只能
尽管时空数据模型的研究已经具有近 20 多年 的历史 , 然而其成果仍然局限于概念模型和原型系 统阶段[ 3 ～ 6] 。 时空数据表达 、时空地理数据 库以及 时态 GIS 的研究仍然存在很多问题 。
本文从地学中的时空观出发 , 论述了时空数据 模型的发展历史 、研究现状 ;就几类具有代表性的模 型的原理和特点进行了详细介绍 ;重点讨论了研究 过程中急需解决的几类问题 , 并对其根源做了详细 分析 ;最后对时空数据模型的研究方法和发展趋势 提出了认识 。
图 5 基于事件的时空数据模型 Fig. 5 Event-based spatio-temporal data model
2. 3. 2 基于时间语义模型
图 3 基图修正模型 Fig. 3 Base-map revision model
许多空间应用系统 , 尤其是地理信息系统(GIS)都 的 GIS 数据模型强调地学对象的静态描述 , 通常采
收稿日期 :2005 10 24 基金项目 :上海市科委科技攻关项目(04DZ12049) ;教育部优秀青 年教师教学科研奖励计划 作者简介 :姜晓轶(1973 ), 男 , 黑龙江齐 齐哈尔 人 , 博 士研究 生 , 主 要从事 时空数 据库 、地 理信息 系统 软件开 发研 究 ,
Key words:temporal GIS ;spatio-tem po ral dat a mo del ;spatio-tempo ral dat abase
0 引言
需要表达地学对象的 时空属性[ 1] 。 例如在地籍 变 更 、环境监测 、城市演化等领域都需要管理历史变化
空间和时间是现实世界最基本 、最重要的属性 。 数据 , 以便重建历史 、跟踪变化 、预测未来[ 2] 。 传统
Abstract :O n the basis of t he spatio-tem po ral visio n i n geog raphy , the autho rs provi ded a review on spatio-tem po ral dat a mo del (ST DM), t he state-of-t he-art and it s evolving trends. ST DM s current ly av ailable are ca tego rized. Def ini tions and characterist ics of ty pical ST DM s are di scussed in detail. M ean-
第 3 期 姜晓轶 , 周云轩 :从空间到时间 时空数据模型研究
481
用矢量或栅格的方式来描述空间数据 。 这种机制限 制了如位移 、变迁等动态信息的表达 。
时态地理信息系统(时态 GIS)是一种采集 、存 储 、管理 、分析与显示地学对象随时间变化信息的计 算机系统[ 3] 。时 态 G IS 的核心 问题之一是时 空数 据模型的建立 。 时空数据模型是一种有效组织和管 理时态地学数据 、空间 、专题 、时间语义完整的地学 数据模型 , 它不仅强调地学对象的空间和专题特征 , 而且强调这些特征随时间的变化 , 即时态特征 。 建 立合理 、完善 、高效的时空数据模型是实现时态 GIS 的基础和关键 。
该模型将格网单元及其变化以变长列表形式存
关系和度量关系 , 把时间分为有效时间 、事务时间和 储 , 每个列表的一个元素对应该位置上的一次时空
存在时间 。Allen 提出了基于时态区间代数理论的 变化 。若想获得某时刻状态 , 只需提取相应时刻各 时态拓扑关系模型[ 9] 。 Egenhofer 、Szmurlo 等对空 个格网单元列表的元素 。 离散格网单元列表模型在
质 ;时间则刻画了地学对象的存在时间 、变化状况和 采用独立的存储方式 , 如反映在图像的文件名上 , 并
时间相关性 。地学对象之间的空间关系往往随着时 且不支持时态关系的表达 。
间而变化 , 与时间关系交织在一起就形成了多种时 2. 1. 2 离散格网单元列表模型[ 12]
空关系 。 T ry fo na[ 8] 把空间关系分为拓扑关系 、方向
关键词 :时态地理信息系统 ;时空数据模型 ;时空数据库 中图分类号 :P208 文献标识码 :A 文章编号 :1671 5888(2006)03 0480 06
From Space to Time A Research on Spatio-Temporal Data Model
JIA N G Xiao-yi1 , ZH O U Y un-xuan1 , 2