第7章 时态数据库

– 只用一个时间戳标记事件发生的时间
• 节省内存， • 少冗余数据和空值
• 但对有关时间区段的查询，系统的应答时间就会很长
– 以一个时间戳：scienc 和until 来标记
• 方便时间区段查询，
• 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
• 7、应答时间：
– 应答时间是响应用户查询和分析要求的时间
– 连续模型中的时间就是在时间轴上实数点；离 散模型中的时间点就是时间轴上的一个原子时 间间隔，此时，时间点和时间粒度相关。例如
当时间粒度为“天”时，2011年3月1日是时间
点；而当时间粒度是“秒”时，上述时间点就 由系统自动换算为2005年3月1日0时0分0秒。
• 4、时间期间（period）：
二、时间概念
• 1、时间 ：通常把时间分成 3种基本类型
– 用户自定义时间 – 事务时间
– 有效时间
• 有效时间：亦称物理时间、数据库时间
– 是指事件在现实中发生的时间
• 事务时间：亦称逻辑时间、事件时间、数据时间 或世界时间
– 指事件被记录在数据库中的时间
用户自定义时间（User-defined Time）
一、时态GIS
• 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。
双时态数据库的两个时间维
姓名
出生年月
职称
工资
有效时间
1998－12－18
李小山
张又宝
196009
196411 出生年月
讲师
副教授 职称
1000
1700 工资
1000 1300
(199809，now)
(199803，now) 有效时间
1999－06－18
姓名
李小山
张又宝
196009
196411 出生年月 196009 196411
• 在“产品化”方面代表性成果是瑞士TimeConsult 公司1998年推出的TimeDB 2.0。但是目前 TimeDB仍没有能够真正“产品化”。 • 这个时期另一个重要特征是“时态信息的应用”。 例如地理信息系统、农业信息系统，电信信息系 统，电子商务、多媒体信息技术等。 • 但是，由于时态数据库理论与模型还不够成熟， 只能借助时态数据库的一些概念，时态信息的管 理与操作的实现还是采用传统的数据库技术与相 关应用领域的技术（GIS, Multimedia等）相结合 来完成的。
• 支持事务时间的数据库称为回滚数据库 （Rollback Database）。回滚数据库记录数据库
的自身变化，实现方式是沿着事务时间轴记录数
据状态，按照事务时间排序，保留所有状态的演 变历史。 • 回滚数据库由三维的回滚关系组成，在属性维和 元组维的基础上增加了事务时间维，因此可看作
一个按时间编址的瞬象序列。每一个时间点都对
第七章 时空GIS
• 第一节 时态数据库
• 第二节 GIS中的时间 • 第三节 时空数据模型 • 第四节 时空GIS实现方法
第一节 时态数据库
一、时态数据库的发展
• 时态信息的需求与技术实际上一直伴随着 数据库技术的发展而产生和发展。 • 三个时期：
– 开创期（1982年以前） – 理论与模型探索阶段（1983年至1993年） – 应用与发展阶段（1994年以来）
应于一个二维快照数据库。
• 由于事件常是在发生后才被记录在库中，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 • 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
• 回滚数据库和历史数据库各具优点，因此，可以 设计一种数据库，使它既支持事务时间又支持有 效时间，这就是双时态数据库（Bitemporal Database）。 • 双时态数据库集成了前三种类型数据库的基本功 能特性，储存了数据库和现实世界两者发展的历 史。 • 双时态数据库由时态关系组成，其时态关系是一 个四维结构。其中两维是属性和元组，另外两维 是事务时间和有效时间，一个时态关系可以看成 是一个历史关系的序列。
• 同样是在1982年，纽约大学的J. Clifford完成了其 博士论文“A logical frame work for the Temporal Semantics and Natural Language Querying of Historical Database ” 。 • 他的主要贡献是对历史数据库的做了开创性工作， 提出了HRDM (Historical Relational Data Model ) 模型。他研究了在关系、元组、字段值上加时态 信息的技术细节，引入了历史关系模型，历史关 系代数，将传统关系数据库当作历史数据库的一 种特例。 • 可以说时态数据库是在1982年正式形成。
第七章 时空GIS
基于时间和空间的分析
• 上个月的银行帐单如何？
• John老师2000年的职称是什么？ • 逸夫楼所在的位置2010年是什么样子？
• 如何从价格、距离、安全性、时间等因素确定最合 理的买房地段？
• 如何从时间、地理位置上合理配置，从而有效的降 低城市犯罪率？
资源的空间优化配置 资源的时间优化配置
• 是指用户根据自己的需要或理解定义的时 间。这种时间的属性值一般是时间点，用 户会解释他所给出的时间信息，数据库系 统不需要解释该数据的含义，只需将此时 间域等同于其他一般的属性域来理解，对 它的操作和对普通的字符串操作几乎没有 什么差别。
• 支持用户自定义时间的数据库称为快照数据库。 快照数据库中无法表示属性与时间的关系，没有 维护状态变迁的能力，不能够进行与时间相关的 任何工作，快照数据库无法回答与时间相关的问 题，例如James何时当的讲师？
2、理论与模型探索阶段
• 此阶段，国际上一些重要大学和研究机构涌现出一 大批研究学者，形成了一批专门的时态数据库研究 集体。主要集中在美国纽约大学、依阿华州立大学、 加州大学伯克利分校、南加利福尼亚大学、亚利桑 那大学、HP公司和Bell公司的专业实验室等。 • 这个时期标志性成果是1993年共同编辑出版的 “Temporal databases: theory, design, and implementation” 该书被称为“世界第一本关于时 态数据库专著”。对此前国际时态数据库技术的研 究给出了全面的总结。
讲师
副教授 职称 讲师
副教授 教授
(199809，199903) (199904，now)
1700 工资
1000 1300 1700 2100
(199803，now） 有效时间
(199809，199903) (199904，now) (199803，200003) (200004，now）
2000－09－18
No 019504478 019504479 019504480 Name Peter James Bush Birthday 1969-6-6 1966-7-8 1963-8-16 Title Lecturer Prof. Prof.
有效时间（Valid Time），亦称物理时间
• 是指事件在现实中发生的时间，或者该对象在现实世界中 为真的时间。 • 有效时间可以是单一的时间点，单一的时间区间，或者是 时间点的有限集合或时间区间的有限集合，或者是整个时 间域。也就是说，一条记录的属性取值可以在任意的时间 点，任意的时间区间内为真。 • 与用户自定义时间不同，当查询语句被检测到存在有效时 间时态语义时，相应有效时间通过数据库系统进行解释。 有效时间可以被更新，有效时间的创建和更新由用户自身 完成。
1、开创期（1982年以前）
• 加州大学J. Ben–Zvi1982年的博士论文“The Time Relational Model” 是时态数据库技术开创期的标 志性成果。 • 主要贡献：提出了时态数据库模型，以时间区间作 字段值，突破了数据库字段值只能是一个数或串的 局限，引入了后来被称为双时态(bi-temporal)的概 念，即用有效时间（valid time）表示被管理对象在 库中生命周期，用事务时间(transaction time )表示 数据库本身的历史，引入了时态索引结构。这些概 念和思想一直沿用至今。
• 支持有效时间数据库通常称为历史数据库
（Historical Database）。历史数据库记录现
实世界在有效时间点处或有效时间期间内的事
件和状态变化。有效时间对事物的描述简洁直 观、容易理解。
Name John John John Title 助教 讲师 副教授 Start of VT 2003-07-01 2005-09-04 2008-07-23 End of VT 2005-09-03 2008-07-22 Now
• 该书收录了国际时态数据库方面重要学者 的研究成果和时态数据库模型。书中列出 这13种最有影响的时态数据模型，包括前 面提到J. Ben Zvi和J. Clifford的模型。 • 这段时期重要特征是时态数据库理论研究 和时态数据模型探讨，因而模型多，但原 型系统少，实际应用少。
3、应用与发展阶段
Leabharlann Baidu
张又宝
副教授 系主任
二、时间概念
• 2、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。
• 3、时间点（instant）：
– 给定两个时间点t1和t2（t1≤t2），以t1为始点 和以t2为终点的时间期间[t1 , t2]定义为集合{t| t 是时间点并且t1≤t≤ t2}。时间点可以看作始点
和终点重和的时间区间，此时的时间区间可以
理解为延续时间为0的一段时间。在实际应用 中，由于需要考虑时间区间兼容时间点的表示 和时间区间的比较谓词，一般采用始点封闭， 终点开放的“左闭右开”形式。
事务时间（Transaction Time），也称系统时间 • 是指对给定数据库对象进行数据操作例如插入、 删除或修改的时间，是一个事实进入并存储于数 据库当中的时间。事务时间记录对数据库更新的
各种操作历史，对应于现有事务或现有数据库状
态变迁的历史。例如，数据录入数据库的时间， 对其进行查询的时间，对其进行删除或修改的时 间。 由系统时钟给出，独立于应用，不允许用户 对事务时间进行任何修改。
姓名 李小山 张又宝
2002－06－18
姓名
出生年月
职称
讲师 副教授
工资
1000 1300 1800
1700 2100
有效时间
(199809，199903) (199904，200103) (200104，now)
(199803，200003) (200004，now)
李小山
196009
196411
• 5、时间区间（interval）：
– 时间区间是指持续的一段时间，其基本特征是
表示该段时间的长度。例如：“1 year 3 month”、“30天”、“28个小时”等。在数 据库系统内，一般用一个整数表示时间区间。 时间区间有时也称为时间跨度（Time Span）。
• 6、时间戳：
– 把时间看作事件的一个属性，处理方法
第二节 GIS中的时间
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。
空间数据的三个侧面
一、时态GIS
• 现有的GIS大多不处理时间动态性，只描述 数据的一个瞬态（snapshot ）。当数据发 生变化时，用新数据代替旧数据，系统成 为另一个瞬态，旧数据不复存在，因而无 法对数据变化的历史进行分析，更无法预 测未来的趋势这类 亦称为静态GIS。
• 94年以来，学术界的观点和认识逐步趋向“统 一”，基本上采用扩充SQL模型，时态模型没有 新的突破。人们开始 “思索” ，如何将时态数据 模型“标准化”和“产品化” 。
• 在“标准化”方面代表性成果是双时态数据模型 TSQL2， TSQL2是对SQL-92语言标准的时态扩 充，并提出将TSQL2的相关结构集成到SQL3标 准。1996年已将增加有效时间（valid time）和事 务时间(transaction time)的SQL/Temporal方案提 交到ISO和ANSI委员会。