时态GIS

管理时间数据一般有两种方法： (1)快照式浏览模式。在这种方法中，每套空间数据 和相应的时间数据相连。几乎现在所有的商业化时 态GIS应用软件都采用了这种方法。 (2)空间—时间模式。在这种方法中，空间数据的每 个元素都和时间数据相连。最近兴起的时态GIS应 用软件采用的是这种方法。 快照式浏览模式有一个缺点就是，随着空间元 素的不断变化，所需的存储空间越来越大。
与传统经验相异的是， 与传统经验相异的是，克服一项 巨大的挑战， 巨大的挑战，不需要时间和资源 上进行同比例的投入， 上进行同比例的投入，而应把精 力集中于找出具有非凡影响力的 关键因素，让他们发挥杠杆作用， 关键因素，让他们发挥杠杆作用， 节约资源和时间。 节约资源和时间。布雷顿在纽约 运输警署的前任们争辩说， 运输警署的前任们争辩说，要保 障地铁安全， 障地铁安全，就应该在每一条线 路派一名警员乘坐， 路派一名警员乘坐，并在每一个 进出口巡逻。然而， 进出口巡逻。然而，布雷顿没有 要更多的警员， 要更多的警员，而是将警力配备 到热点地区，使地铁上的犯罪、 到热点地区，使地铁上的犯罪、 恐惧和混乱都急剧下降， 恐惧和混乱都急剧下降，创下历 史上的最低记录。 史上的最低记录。
（一） 时间
时态 中通常把时间分成2种基本类型： 事务时间 亦称物理时间、 数据库时间。事务时间指事件被记录在 数据库中的时间。 有效时间 亦称逻辑时间、 事件时间、 数据时间或世界时间。有 效时间是指事件在现实中发生的时间。
事务时间和有效时间的关系 这两类时间在应用中是相关的。由于事 件常是在发生后才被记录在数据库中， 所以 有效时间一般要早于事务时间； 若两者相等， 就可以认为现实事件就是数据库事务， 而有 效时间亦可能晚于事务时间， 则意味着系统 可包括未来事件的信息， 这在一些应用中是 很有意义的。
时态GIS的研究方向
1 加深对时空语义的研究与理解 时空 语 义 包 括地 理 实 体 的 空 间 结 构 、 有 效时 间 结 构 、 属 性 组 成 及 实 体 间 的 空 间 关 、 时 态 关 系 和 时 空 关 系等 ， 不同领域和部门解决问题的侧重点不同, 对同一时空信息 的语义也就有不同的理解,因而会存在语义分歧问题 。时 空 数 据 建模 的 根 本 任 务 在 于 时 间 和 空 间 语 义 建模 。 因 此 ， 在进行时空数据建模之前，应改变传统的由静态空间角 度看问题的思维方式，从动态的时空角度去考虑问题。
时态GIS的研究重点
时间、空间和属性是地理实体和地理现象 本身固有的三个基本特征, 是反映地理实体的 状态和演变过程的重要组成部分。时态GIS是 能够跟踪和分析随时间变化的空间、非空间信 息的地理信息系统。 TGIS的操作对象是时空信 息,其特点是在系统中增加对时间维的分析表达 能力, 提供历史分析与趋势分析的功能。怎样 有效地运用时间信息，以及如何将时间、空间 及属性数据有效地结合起来，是时态GIS研究 的重点。
以原始为基 准，考察变 化，预测未 来，提供辅 助决策功能
保证GIS数 据的现势 性，失去 了“实时” 更新的时 态GIS就成 了普通的 静态GIS
以动态方 式，回答 用户的关 于“何 时”， “何地”， “怎样” 的询问
包括逻辑容 错，即保证 GIS数据库的 逻辑一致性； 时态安全， 就是时态变 迁中的安全 保密随时态 变化而变化
时态地理信息系统
第一节 主要内容
1
时态GIS背景 背景 时态
2
时态GIS的定义 的定义 时态
3
时态GIS的基本概念 的基本概念 时态
案例引导
Baidu Nhomakorabea
基于空间和时间的 分析对于人们的生产和 生活的重要作用
引导案例： 《蓝海战略》中的一个真实故事
以纽约市警察局（NYPD） 以纽约市警察局（NYPD） 为例，20世纪90年代它在 世纪90 为例，20世纪90年代它在 然而在不到两年时间里， 然而在不到两年时间里， 公共部门执行了一项蓝海 没有增加一分钱预算， 没有增加一分钱预算，布 战略。比尔·布雷顿在 战略。比尔· 雷顿成功地将纽约转变为 1994年出任纽约市警察局 美国最安全的城市在1994 1994年出任纽约市警察局 美国最安全的城市在1994 1996年间 年间， 长，他面临的重重困难是 到1996年间，纽约警察局 利润”跳跃式增长： 很少有人经历过。 90年 很少有人经历过。在90年 的“利润”跳跃式增长： 重大案件减少了39％、谋 39％、 重大案件减少了39％、谋 代初， 代初，纽约市的谋杀案发 杀案减少了50％、盗窃案 50％、 杀案减少了50％、盗窃案 生率居高不下，骗子、 生率居高不下，骗子、黑 减少了35％；赢得了“客 减少了35％；赢得了 35％；赢得了“ 手党、 手党、持枪抢劫充斥各报 户”。盖洛普民意调查显 示民众对纽约警察局的信 刊头条。 刊头条。 心由37 上升到73％；也 37％ 73％； 心由37％上升到73％；也 赢得了雇员： 赢得了雇员：内部调查显 示警察局的工作满意度达 到新高。 到新高。
时态GIS与静态GIS
静态GIS 静态 动态GIS 动态 在很多应用领域（地籍变更、 环境监测、抢险救灾、交通 管理等）要求GIS能提供完善 的时序分析功能，高效地回 答与时间相关的各类问题， 因此，必须在静态GIS中增加 对空间信息的管理和处理功 能，这种能在时间和空间两 方面全面处理地理信息的系 统，即时态GIS。
GIS GIS研究和应用的
时态GIS的定义
对多时态及时空数据库，以动态的方式来描述目 标对象的时空过程。 时态GIS是建立在时态数据库、GIS、人工智能等 基础上的一种综合型应用性技术，其研究对象是时空 世界中遵循着诞生、成长、生存，直至死亡等自然规 律的事物和现象的时空信息。虽然时空GIS在理论和 实践等环节的研究还不十分成熟，但它是未来GIS发 展的一个必然趋势。
如此看来，正如如迈普所指出的， 如此看来，正如如迈普所指出的，禁毒处 占全局不到5 的警员不能不说是人手不足， 占全局不到5％的警员不能不说是人手不足， 而禁毒处通常是周一到周五工作， 而禁毒处通常是周一到周五工作，但毒品交 易大部分发生在周末， 易大部分发生在周末，与毒品相关的犯罪也 总是发生在周末。 总是发生在周末。为什么原来的工作方法从 来没有受到质疑呢？当找到这些事实， 来没有受到质疑呢？当找到这些事实，热点 也被识别出来。 也被识别出来。布雷顿在纽约警察局大规模 重新配置警力和资源的方案很快被接受。 重新配置警力和资源的方案很快被接受。相 应地，布雷顿为热点增加了警力和资源， 应地，布雷顿为热点增加了警力和资源，结 果毒品犯罪直线下降。 果毒品犯罪直线下降。
比尔"布雷顿充分分析了犯 罪现象的时间和空间分布特 征，找出热点区域，有效利 用有限的警力资源，实现了 纽约治安环境的彻底转变。
背 景
地理信息系统 是对与地理空间相关的数据进行有 效管理和综合分析的计算机系统 ， 由于现代科学 研究和工程应用对大量空间数据进行有效处理的 迫切要求， 以及计算机技术的高速发展，地理信 息系统的应用日益广泛 。然而， 现实世界的数据 不仅与空间相关， 而且与时间相关。在环境监测、 抢险救灾、交通管理等许多领域， 相关数据随着 时间的变化而变化，如何处理数据随时间变化的 ， 是地理信息系统 的 。 时 领域， 逕的关 。而且， 随着 和高效技术的 速 进 ， 大 量时 数据的 和高效处理 要的 ， 时 GIS的研究和应用 。
他的分析表明虽然地铁系统由很多线路和进出口组成， 他的分析表明虽然地铁系统由很多线路和进出口组成，但大多 数犯罪发生在少数几个站和线路上。他还发现， 数犯罪发生在少数几个站和线路上。他还发现，一些对防治犯 罪具有特别影响力的热点却缺少警力， 罪具有特别影响力的热点却缺少警力，一些几乎从未有犯罪发 生的线路和站点却配置了同样多的警员。答案就是要重新配置 生的线路和站点却配置了同样多的警员。答案就是要重新配置 警力到热点地区以打击犯罪， 警力到热点地区以打击犯罪，这样在警力不变时能使犯罪率大 幅下降。同样，在布雷顿来纽约警察局前， 幅下降。同样，在布雷顿来纽约警察局前，其禁毒处是朝九晚 一周五天执勤，其人手只占整个警察局人数的5％。为了 五、一周五天执勤，其人手只占整个警察局人数的5％。为了 找出热点，在与纽约警察局领导会面时， 找出热点，在与纽约警察局领导会面时，布雷顿手下负责犯罪 战略的副局长杰克"迈普问在座的人， 战略的副局长杰克"迈普问在座的人，估计有多少比例的犯罪 与使用毒品有关？多数回答说有50％，还有的说是70％， 50％，还有的说是70％，最低 与使用毒品有关？多数回答说有50％，还有的说是70％，最低 估计也有30 30％。 估计也有30％。
第二节主要内容
时态地理信息系统的功能 时态地理信息系统的研究重点
时态地理信息系统的研究方向
时态地理信息系统的技术问题
时态地理信息系统的实现方法
时态GIS的功能
从功能上讲，时态GIS除了具备静态GIS的所有功 能外，还应该提供：
档案功能 分析功能 更新功能 查询功能 其他功能
记载GIS数 据随时间 的演变， 回溯历史 是时态GIS 最基本的 功能要求
时态GIS的基本概念
（四） 应答时间 应答时间是 GIS响应用户查询和分析要求 的时间， 也是时态 GIS中需要考虑的一个重 要概念。由于GIS要处理大量的时空属性数据， 就会出现查询效率与尽量经济地使用有限存 储空间实现时空支持之间的矛盾。 时态 GIS 只能在两者间权衡， 在提高时空查询应答时 间的同时， 尽可能控制数据冗余， 从而增加 数据库的信息容量。
TGIS研究的核心问题是建立合适的时间与空间联 合的数据模型——时空数据模型，它的建立要解决： 数据更新和存取尽量简便快速 数据存储空间尽量小 能够表现时空范围内的地理实体的空间和时间语义 保证其相互间正确的空间关系 、时态关系 、演变 关系和时空关系 一般认为，一个合理的时空数据模型必须考虑如下 几个方面的因素：节省存贮空间，加快存取 ，查询、分 析的响应速度以及表现时空语义，时空数据模型的建立 依赖于时间的表示方法。
现有的GIS大多不具有处 理数据的时间动态性，只 是描述数据的瞬时状态。 如果数据发生变化时，新 数据将代替旧数据，即成 了另一个瞬时状态，旧数 据将会消失，无法对数据 的更新变化进行分析，更 不能预测未来的趋势，这 类GIS就是我们说的静态 GIS。
时态GIS的基本概念
在时态 GIS中， 如何准确定义和表示时间特性 是一个最基本的问题 以下讨论几个基本概念：
时态GIS的基本概念
（三） 时间戳
把时间看作事件的一个属性， 通常存在 2种处 理方法： 一种方法是只用一个时间戳标记事件发生 的时间。这种方法显然会节省内存， 免去冗余数据 和空值 （不考虑循环情况时） ， 但对有关时间区段 的查询， 系统的应答时间就会很长。另一种较好的 方法是每个状态以一个时间戳：since和 until来标记， 表明状态的一段区间。这种机制方便了时间区段查 询， 但时间戳有时会出现空值或伪值，引来操作和 计算上的复杂化。
2 时空数据模型的研究 时空数据模型（即如何设计并建立一个有效 的数据库结构来存储时空数据）是TGIS的核心, 它的好坏直接影响到时空查询和分析的效率。在 目前结构化的关系方法遇到困难的情况下, 如何 采用 N1NF ( No n- 1NF, 非第一范式）方法, 实现关 系方法和层次方法的高度融合, 解决复杂结构对 象的数据不定长或嵌套问题值得探讨。同时, 面 向对象方法的提出也为 TGIS 的发展开辟了新的 途径。
时态GIS的基本概念
（二） 时间 粒度（time granularity)
由于计算机的数字化特点,不可能将时间存贮为 一个连续的实体， 而必须用离散形式来表示。 时间粒度是对离散化程度的度量，当以固定时 间粒度对实体状态采样时，粒度越小表示越精确， 但太小的粒度又会导致内存开销的增加。实际实现 时，往往在两者间折中权衡 ，当系统以状态改变时 来记录信息的方式，则时间粒度是变化的， 或者时 间粒度的语义由不同应用的需要而定。理想的时态 GIS应支持用户选择各类粒度的能力，并提供方便灵 活的不同粒度间的转换机制。