04基于本体和约束理论的统一时空数据模型研究
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要 时空数据模型的实现问题。课题从模型的通用性入手，从本体论的角度阐明时空数据与时 空变化的一体化特性，从查询优化角度提出新的时空数据库实现技术，为时空数据库技术 的进一步研究与应用提供新思路和理论依据。
关 键 词(用分号分开，最多 5 个) 时空数据模型；时空数据库；时空本体；约束数据库
第2页
版本 1.011.715
2、国内外研究现状
时空数据模型是时空数据库的核心问题之一。而时空数据模型的基础是时空语义。
在时空语义方面，研究者从不同的角度探讨了时空变化的分类、描述以及时空对象的描述等问 题，如文献[8, 9] 从制图学角度对 GIS 的时态特性进行了研究，文献[10]根据时空对象的空间特性定 义了基本时空变化和复杂时空变化，文献[11]则从时空对象的生命期角度提出了基于对象标识的时 空语义描述方法。但迄今尚未见对时空语义进行系统研究的工作。
国家自然科学基金申请书
项目组主要成 员 ( 杰 出 青 年 科 学 基 金 不 填 此 栏 )
编号
姓名
出生年月 性别 职 称 学 位
单位名称
电话
1
2
3
4
5
6
7
8
9
总人数
高级
中级
初级
博士后
8
1
2
0
说明: 1. 高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请者负责填报，总人数自动生成。 说明: 2. 项目组主要成员不包括项目申请者。
时空数据模型的研究现状，制约了时空数据库实现和应用。例如，层次型结构[26,27]是在传统 的关系数据库管理系统之上附加一个时空层，通过其来完成对时空数据的操作，但时空层易成为应 用开发的瓶颈。扩展型技术[7,28,29]是在对象关系数据库管理系统之上进行基于内核的时空扩展。 其实现路线较清晰，而且是基于内核的扩展，有利于时空数据库的实用化，但难以解决时空查询的 优化问题。
就国内而言，时空数据模型研究主要集中在国家基础地理信息系统中心、浙江大学、华中科技 大学、清华大学、中国科学院地理所等单位。大多数国内已有研究可归于“基于事件的时空数据模 型”中，例如国家基础地理信息系统中心的陈军等提出的基于事件的时空数据模型[15,21]、武汉大 学的孟令奎等提出的基于地理事件时变序列的时空数据模型[22]、浙江大学人工智能研究所提出了 基于状态和变化的时空数据模型[16]、华中科技大学的易宝林等提出的基于对象行为的时空拓扑模 型[25]等。其中，国家基础地理信息系统中心的陈军等提出了基于事件的时空数据模型，可以有效 支持土地划拨等涉及离散时空变化的时空应用。浙江大学人工智能研究所提出了基于状态和变化的 时空数据模型，以显式的方式表达时空对象在空间域、时间域以及对象域上的变化，解决了基于时 间戳的时空数据模型无法表达变化原因、形式等问题。基于对象行为的时空拓扑模型[25]对时空拓 扑变化的建模方法进行了深入研究。另外一些研究者从概念建模角度探讨了时空数据模型[23,24]。 文献[17]提出面向平面移动对象的时空数据模型 OPH 模型以三个观测几何表示空间对象的演变，从 空间几何的角度探讨了时空变化的表示。
性别
出生 年月
年月
民族
请学
位
职称
主要研究领域
者电
话
电子邮件
信传
真
个人网页
息 工作单位
在研项目批准号
依
托名
称
单
位 信
联系人
息
电
话
合 作 单 位 信 息
电子邮件 网站地址 单位名称
代码
代码
项目名称 基于本体和约束理论的统一时空数据模型研究
项
基
目
资助类别 面上项目
亚 类 说 明 青年科学基金项目
基
百度文库
附注说明
（4）基于约束数据库的时空数据模型[18-20]。文献[18]提出了描述连续移动对象的时空数据模 型。但移动对象数据模型只适合仅位置随时间连续变化的时空数据库应用，因此不能满足一般的时 空数据库应用需求。为了支持空间形状随时间连续变化的时空数据库应用， 研究者从约束数据库 方面对时空数据模型进行了研究[19,20]。其中参数化矩形模型[19]将空间对象表示为一个参数化矩 形的集合，以参数化矩形的变化集合来表示空间对象的连续时空变化。其问题是每次时空变化都需 要构建一个较大的参数化矩形集合，代价较高，而且如何支持离散时空变化、是否可实现等问题都 没有解决。
电子邮件
项目分工
每年工 作时间 （月）
博士生 1
硕士生 4
第3页
版本 1.011.715
国家自然科学基金申请书
经费申请表
（金额单位：万元）
科目 一.研究经费
申请经费
18.2000
备注（计算依据与说明）
1.科研业务费
11.6000
（1）测试/计算/分析费
0.0000
（2）能源/动力费 （3）会议费/差旅费 （4）出版物/文献/信息传播费 （5）其它
2.境外专家来华合作交流 三.劳务费
1.7000 邀请 1-2 人次境外专家进行合作 4.2000
四.管理费
1.4000
合计
28.0000
与本项目相关的 其他经费来源
国家其他计划资助经费 其他经费资助（含部门匹配）
其他经费来源合计
0.0000 0.0000 0.0000
第4页
版本 1.011.715
综上所述，已有的时空语义和时空数据建模研究存在的主要问题有：（1）缺乏表示和查询时空 变化的完备方法；（2）缺乏对连续时空变化和离散时空变化的统一支持；（3）缺乏有效的实现方法。
本课题统一解决上述三个问题，研究目标是探索可以完备描述和操纵时空数据与时空变化的通 用的统一时空数据模型及其实现技术，以适应各种时空应用的迫切需求，并可为时空数据库技术的 发展提供新思路和理论依据。
[2]. Sellis, T.K.: CHOROCHRONOS: Research on Spatiotemporal Database Systems. DEXA Workshop 1999, 452-456, 1999
在时空数据模型研究方面，已经提出了一系列的时空数据模型[8,9,12-24]。这些模型可归结为以 下几类：
（1）基于时间戳的时空数据模型，如时空快照模型[8]、基态修正模型[8]、时空立方体模型[8]、 时空复合模型[8]以及时空对象模型[12]等。这些方法采用版本来表达时空对象的状态，并通过版本
第5页
本
申请代码
F020204:数据库（包括分布式数 据库）
信
基地类别
息
预计研究年限 2005 年 1 月 — 2007 年 12 月
研究属性 应用基础研究
项目研究内容和意义简介（限 400 字）： 时空数据库技术已成为目前国内外研究的热点，它对于移动计算、环境监测、军事、
摘 交通管理等需要有效管理移动对象的应用有着重要的实际意义。本课题采用本体技术和约 束理论对时空数据及时空变化的统一表示、查询等问题进行深入探索，通过时空本体建立 时空数据及时空变化的统一语义建模，并采用约束理论解决连续时空变化的建模问题，从 而构造可以完备描述和查询时空数据与时空变化的统一时空数据模型。同时以对象关系数 据库和中间件技术为基础，深入探讨时空数据库的实现结构、查询处理等问题，解决统一
本课题组已经对时空语义和时空数据模型进行了系统研究，并建立了时空变化的一个分类体系 和描述框架，其特点是可以完备描述各种时空变化，它为建立完备的时空语义模型提供了基础。而 事物的本质语义是本体的研究基础，因此，我们已有的时空语义研究为时空本体的设计奠定了基础。 本课题拟从本体论的角度出发，构造既可以表示时空数据同时又包含时空变化表示的时空本体，建
版本 1.011.715
国家自然科学基金申请书
间的比较来实现时空变化的查询，因此对时空变化的支持相对较弱，时空变化查询的效率低。
（2）基于数据类型的时空数据模型[13]。该模型采用时空类型构造子来表示时空对象及时空变 化，并通过时空类型构造子上的操作来实现时空变化的查询。其优点是比较适合在对象关系数据库 管理系统上实现，缺点是无法表达涉及多个时空对象的时空变化。
1.1000 电费、水费等
4.0000 按 10 人次，每人次 0.4 万计算
5.5000
网络通讯费 4.5 万 按每年 1.5 万；论文发表费 1 万，按 10 篇，每篇平均 0.1 万
1.0000 资料费，印刷费，邮费等
2.实验材料费
3.0000
（1）原材料/试剂/药品购置费 （2）其它
2.0000 消耗材料，包括磁盘，光盘，打印机等消耗材料 1.0000 硬件维修费，软件购买费等。
申请代码：
受理部门： 收件日期： 受理编号：
国家自然科学基金
申请书
资助类别： 亚类说明： 附注说明：
项目名称： 申 请 者： 依托单位： 通讯地址： 邮政编码： 电子邮件：
申报日期：
电话： 单位电话： 2004年2月15日
国家自然科学基金委员会
国家自然科学基金申请书
基本信息 0Ewa0XOT
申姓
名
对于统一时空数据模型的实现问题，我们拟采用基于对象关系数据库和中间件的实现方法。对 象关系数据库使统一时空数据模型的数据结构和数据操作可以通过扩展类型和扩展操作的方式实 现。但由于对象关系数据库本身不提供时空查询优化，因此，采用时空查询处理中间件来处理时空 查询，以达到提高时空查询效率的目的。
本课题的研究既针对时空应用的迫切需求，也可为时空数据库研究提供新思路和理论依据。
3.仪器设备费 （1）购置 （2）试制 4.实验室改装费 5.协作费
2.6000
2.6000
工作站配置扩充，学校配套的大型仪器、大型公用 软件使用费
0.0000
1.0000 用于实验室研究环境改善
0.0000
二.国际合作与交流费
4.2000
1.项目组成员出国合作交流
2.5000 1－2 人次出国合作交流
（3）基于事件的时空数据模型[14-16, 21, 22, 25]。文献[14]提出的 ESTDM 模型将某一空间区域 的每次状态变化视为一个事件，用一维时间轴上的事件序列来表示空间对象的时空变化，但它同样 也不支持涉及多个时空对象的时空变化。文献[15]改进了 ESTDM 模型，在事件中引入了时空变化 的原因，但该模型仅以支持土地划拨应用为目标，所提出的事件缺乏一般性。
3、参考文献：
[1]. Paton, N.W., Fernandes, A.A. and Griffiths, T.: Spatio-Temporal Databases: Contentions, Components and Consolidation. Int. Workshop on Advanced Spatial Databases (ASDM), 11th DEXA Workshop. A.M. Tjoa et al. (eds), IEEE Press, 851-855, 2000
有效地实现时空数据库管理系统首先要建立有效的时空数据模型。但已有的大多数时空数据模 型都是针对某类特殊的时空应用的，因此缺乏通用性和完备性。而且，已有时空数据模型还缺乏有 效的实现方法。因此，迫切需要设计出一个具备通用性和完备性、易实现的统一时空数据模型，对 时空数据及其操作进行统一表示和查询，并能够有效实现并支持时空应用。
第6页
版本 1.011.715
国家自然科学基金申请书
立基于本体的时空语义模型，进而设计时空本体的逻辑数据结构、逻辑查询操作以及一致性维护策 略，并结合约束理论解决连续时空变化建模难题，最终建立统一时空数据模型。在模型实现方面， 我们已提出了基于对象关系数据库和中间件技术的优化型时空数据库实现结构[38]。实践表明这种 设计思想非常适用于统一时空数据模型的实现。
本课题提出并研究借助本体和约束理论来解决时空数据的统一建模问题。本体（ontology）是一 组概念的规范[3]。国外研究者已尝试在移动应用信息交换和共享[4]、时空信息集成[5]、时空推理 [6]等方面引入本体思想，探索不同时空应用之间的共性。业已证明约束理论在表达空间数据的连 续性方面十分有效[7]。已有学者指出，在时空数据库领域应用约束理论是解决连续时空变化建模 问题的主要方向[7]。据此，本课题拟利用本体具有的语义完备的特点，建立基于时空本体的时空 语义模型，并结合约束理论，建立时空变化的完备描述框架，进而提出具备通用性和完备性的统一 时空数据模型。
国家自然科学基金申请书
报告正文
一、立项依据与研究内容：
（一）项目的立项依据
1、研究意义
时空应用是一类复杂应用，它涉及空间对象随时间而发生的时空变化。随着国民经济的发展， 交通管理、森林火灾监测、风暴预测等越来越多的应用对时空数据的管理提出了迫切的需求。但迄 今为止，还没有任何一个数据库管理系统可以有效支持时空数据的存储和管理，极大地制约了时空 应用的发展 [1,2]。
关 键 词(用分号分开，最多 5 个) 时空数据模型；时空数据库；时空本体；约束数据库
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2、国内外研究现状
时空数据模型是时空数据库的核心问题之一。而时空数据模型的基础是时空语义。
在时空语义方面，研究者从不同的角度探讨了时空变化的分类、描述以及时空对象的描述等问 题，如文献[8, 9] 从制图学角度对 GIS 的时态特性进行了研究，文献[10]根据时空对象的空间特性定 义了基本时空变化和复杂时空变化，文献[11]则从时空对象的生命期角度提出了基于对象标识的时 空语义描述方法。但迄今尚未见对时空语义进行系统研究的工作。
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总人数
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说明: 1. 高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请者负责填报，总人数自动生成。 说明: 2. 项目组主要成员不包括项目申请者。
时空数据模型的研究现状，制约了时空数据库实现和应用。例如，层次型结构[26,27]是在传统 的关系数据库管理系统之上附加一个时空层，通过其来完成对时空数据的操作，但时空层易成为应 用开发的瓶颈。扩展型技术[7,28,29]是在对象关系数据库管理系统之上进行基于内核的时空扩展。 其实现路线较清晰，而且是基于内核的扩展，有利于时空数据库的实用化，但难以解决时空查询的 优化问题。
就国内而言，时空数据模型研究主要集中在国家基础地理信息系统中心、浙江大学、华中科技 大学、清华大学、中国科学院地理所等单位。大多数国内已有研究可归于“基于事件的时空数据模 型”中，例如国家基础地理信息系统中心的陈军等提出的基于事件的时空数据模型[15,21]、武汉大 学的孟令奎等提出的基于地理事件时变序列的时空数据模型[22]、浙江大学人工智能研究所提出了 基于状态和变化的时空数据模型[16]、华中科技大学的易宝林等提出的基于对象行为的时空拓扑模 型[25]等。其中，国家基础地理信息系统中心的陈军等提出了基于事件的时空数据模型，可以有效 支持土地划拨等涉及离散时空变化的时空应用。浙江大学人工智能研究所提出了基于状态和变化的 时空数据模型，以显式的方式表达时空对象在空间域、时间域以及对象域上的变化，解决了基于时 间戳的时空数据模型无法表达变化原因、形式等问题。基于对象行为的时空拓扑模型[25]对时空拓 扑变化的建模方法进行了深入研究。另外一些研究者从概念建模角度探讨了时空数据模型[23,24]。 文献[17]提出面向平面移动对象的时空数据模型 OPH 模型以三个观测几何表示空间对象的演变，从 空间几何的角度探讨了时空变化的表示。
性别
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项目名称 基于本体和约束理论的统一时空数据模型研究
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基
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资助类别 面上项目
亚 类 说 明 青年科学基金项目
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（4）基于约束数据库的时空数据模型[18-20]。文献[18]提出了描述连续移动对象的时空数据模 型。但移动对象数据模型只适合仅位置随时间连续变化的时空数据库应用，因此不能满足一般的时 空数据库应用需求。为了支持空间形状随时间连续变化的时空数据库应用， 研究者从约束数据库 方面对时空数据模型进行了研究[19,20]。其中参数化矩形模型[19]将空间对象表示为一个参数化矩 形的集合，以参数化矩形的变化集合来表示空间对象的连续时空变化。其问题是每次时空变化都需 要构建一个较大的参数化矩形集合，代价较高，而且如何支持离散时空变化、是否可实现等问题都 没有解决。
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每年工 作时间 （月）
博士生 1
硕士生 4
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版本 1.011.715
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（金额单位：万元）
科目 一.研究经费
申请经费
18.2000
备注（计算依据与说明）
1.科研业务费
11.6000
（1）测试/计算/分析费
0.0000
（2）能源/动力费 （3）会议费/差旅费 （4）出版物/文献/信息传播费 （5）其它
2.境外专家来华合作交流 三.劳务费
1.7000 邀请 1-2 人次境外专家进行合作 4.2000
四.管理费
1.4000
合计
28.0000
与本项目相关的 其他经费来源
国家其他计划资助经费 其他经费资助（含部门匹配）
其他经费来源合计
0.0000 0.0000 0.0000
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版本 1.011.715
综上所述，已有的时空语义和时空数据建模研究存在的主要问题有：（1）缺乏表示和查询时空 变化的完备方法；（2）缺乏对连续时空变化和离散时空变化的统一支持；（3）缺乏有效的实现方法。
本课题统一解决上述三个问题，研究目标是探索可以完备描述和操纵时空数据与时空变化的通 用的统一时空数据模型及其实现技术，以适应各种时空应用的迫切需求，并可为时空数据库技术的 发展提供新思路和理论依据。
[2]. Sellis, T.K.: CHOROCHRONOS: Research on Spatiotemporal Database Systems. DEXA Workshop 1999, 452-456, 1999
在时空数据模型研究方面，已经提出了一系列的时空数据模型[8,9,12-24]。这些模型可归结为以 下几类：
（1）基于时间戳的时空数据模型，如时空快照模型[8]、基态修正模型[8]、时空立方体模型[8]、 时空复合模型[8]以及时空对象模型[12]等。这些方法采用版本来表达时空对象的状态，并通过版本
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本
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F020204:数据库（包括分布式数 据库）
信
基地类别
息
预计研究年限 2005 年 1 月 — 2007 年 12 月
研究属性 应用基础研究
项目研究内容和意义简介（限 400 字）： 时空数据库技术已成为目前国内外研究的热点，它对于移动计算、环境监测、军事、
摘 交通管理等需要有效管理移动对象的应用有着重要的实际意义。本课题采用本体技术和约 束理论对时空数据及时空变化的统一表示、查询等问题进行深入探索，通过时空本体建立 时空数据及时空变化的统一语义建模，并采用约束理论解决连续时空变化的建模问题，从 而构造可以完备描述和查询时空数据与时空变化的统一时空数据模型。同时以对象关系数 据库和中间件技术为基础，深入探讨时空数据库的实现结构、查询处理等问题，解决统一
本课题组已经对时空语义和时空数据模型进行了系统研究，并建立了时空变化的一个分类体系 和描述框架，其特点是可以完备描述各种时空变化，它为建立完备的时空语义模型提供了基础。而 事物的本质语义是本体的研究基础，因此，我们已有的时空语义研究为时空本体的设计奠定了基础。 本课题拟从本体论的角度出发，构造既可以表示时空数据同时又包含时空变化表示的时空本体，建
版本 1.011.715
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间的比较来实现时空变化的查询，因此对时空变化的支持相对较弱，时空变化查询的效率低。
（2）基于数据类型的时空数据模型[13]。该模型采用时空类型构造子来表示时空对象及时空变 化，并通过时空类型构造子上的操作来实现时空变化的查询。其优点是比较适合在对象关系数据库 管理系统上实现，缺点是无法表达涉及多个时空对象的时空变化。
1.1000 电费、水费等
4.0000 按 10 人次，每人次 0.4 万计算
5.5000
网络通讯费 4.5 万 按每年 1.5 万；论文发表费 1 万，按 10 篇，每篇平均 0.1 万
1.0000 资料费，印刷费，邮费等
2.实验材料费
3.0000
（1）原材料/试剂/药品购置费 （2）其它
2.0000 消耗材料，包括磁盘，光盘，打印机等消耗材料 1.0000 硬件维修费，软件购买费等。
申请代码：
受理部门： 收件日期： 受理编号：
国家自然科学基金
申请书
资助类别： 亚类说明： 附注说明：
项目名称： 申 请 者： 依托单位： 通讯地址： 邮政编码： 电子邮件：
申报日期：
电话： 单位电话： 2004年2月15日
国家自然科学基金委员会
国家自然科学基金申请书
基本信息 0Ewa0XOT
申姓
名
对于统一时空数据模型的实现问题，我们拟采用基于对象关系数据库和中间件的实现方法。对 象关系数据库使统一时空数据模型的数据结构和数据操作可以通过扩展类型和扩展操作的方式实 现。但由于对象关系数据库本身不提供时空查询优化，因此，采用时空查询处理中间件来处理时空 查询，以达到提高时空查询效率的目的。
本课题的研究既针对时空应用的迫切需求，也可为时空数据库研究提供新思路和理论依据。
3.仪器设备费 （1）购置 （2）试制 4.实验室改装费 5.协作费
2.6000
2.6000
工作站配置扩充，学校配套的大型仪器、大型公用 软件使用费
0.0000
1.0000 用于实验室研究环境改善
0.0000
二.国际合作与交流费
4.2000
1.项目组成员出国合作交流
2.5000 1－2 人次出国合作交流
（3）基于事件的时空数据模型[14-16, 21, 22, 25]。文献[14]提出的 ESTDM 模型将某一空间区域 的每次状态变化视为一个事件，用一维时间轴上的事件序列来表示空间对象的时空变化，但它同样 也不支持涉及多个时空对象的时空变化。文献[15]改进了 ESTDM 模型，在事件中引入了时空变化 的原因，但该模型仅以支持土地划拨应用为目标，所提出的事件缺乏一般性。
3、参考文献：
[1]. Paton, N.W., Fernandes, A.A. and Griffiths, T.: Spatio-Temporal Databases: Contentions, Components and Consolidation. Int. Workshop on Advanced Spatial Databases (ASDM), 11th DEXA Workshop. A.M. Tjoa et al. (eds), IEEE Press, 851-855, 2000
有效地实现时空数据库管理系统首先要建立有效的时空数据模型。但已有的大多数时空数据模 型都是针对某类特殊的时空应用的，因此缺乏通用性和完备性。而且，已有时空数据模型还缺乏有 效的实现方法。因此，迫切需要设计出一个具备通用性和完备性、易实现的统一时空数据模型，对 时空数据及其操作进行统一表示和查询，并能够有效实现并支持时空应用。
第6页
版本 1.011.715
国家自然科学基金申请书
立基于本体的时空语义模型，进而设计时空本体的逻辑数据结构、逻辑查询操作以及一致性维护策 略，并结合约束理论解决连续时空变化建模难题，最终建立统一时空数据模型。在模型实现方面， 我们已提出了基于对象关系数据库和中间件技术的优化型时空数据库实现结构[38]。实践表明这种 设计思想非常适用于统一时空数据模型的实现。
本课题提出并研究借助本体和约束理论来解决时空数据的统一建模问题。本体（ontology）是一 组概念的规范[3]。国外研究者已尝试在移动应用信息交换和共享[4]、时空信息集成[5]、时空推理 [6]等方面引入本体思想，探索不同时空应用之间的共性。业已证明约束理论在表达空间数据的连 续性方面十分有效[7]。已有学者指出，在时空数据库领域应用约束理论是解决连续时空变化建模 问题的主要方向[7]。据此，本课题拟利用本体具有的语义完备的特点，建立基于时空本体的时空 语义模型，并结合约束理论，建立时空变化的完备描述框架，进而提出具备通用性和完备性的统一 时空数据模型。
国家自然科学基金申请书
报告正文
一、立项依据与研究内容：
（一）项目的立项依据
1、研究意义
时空应用是一类复杂应用，它涉及空间对象随时间而发生的时空变化。随着国民经济的发展， 交通管理、森林火灾监测、风暴预测等越来越多的应用对时空数据的管理提出了迫切的需求。但迄 今为止，还没有任何一个数据库管理系统可以有效支持时空数据的存储和管理，极大地制约了时空 应用的发展 [1,2]。