1、.時空數據模型簡介 時空數據模型是TGIS和STDB的基礎。時空數據模型通常由數據結構、數據操作和完整性約束三部分組成（張祖勛等，1996）。時空數據模型是一種有效組織和管理時態地學數據、空間、專題、時間語義完整的地學數據模型，它不僅強調地學對象的空間和專題特征，而且強調這些特征隨時間的變化，既時態特征。建立合理、完善、高效的時空數據模型是實現時態GIS的基礎和關鍵。. 空間和時間是現實世界最基本、最重要的屬性。許多空間應用系統，尤其是地理信息系統（GIS）都需要表達地學對象的時空屬性。例如在地籍變更、環境監測、城市演化等領域都需要管理歷史變化數據，以便重建歷史、跟蹤變化、預測未來。傳統的GI

2、S數據模型強調地學對象的靜態描述，通常采用矢量或柵格的方式來描述空間數據。這種機制限制了如位移、變遷等動態信息的表達。 時態地理信息系統是一種采集、存儲、管理、分析與顯示地學對象隨時間變化信息的計算機系統。時態GIS的核心問題之一是時空數據模型的建立。 . 時空數據模型的核心問題是研究如何有效地表達、記錄和管理現實世界的實體及其相互關系隨時間不斷發生的變化。這種時空變化表現為三種可能的形式，一是屬性變化，其空間坐標或位置不變；二是空間坐標或位置變化，而屬性不變，這里空間的坐標或位置變化既可以是單一實體的位置、方向、尺寸、形狀等發生變化，也可以是兩個以上的空間實體之間的關系發生變化；三是空間實體

3、或現象的坐標和屬性都發生變化。當前時態GIS研究的主要問題有：表達時空變化的數據模型、時空數據組織與存取方法、時空數據庫的版本問題、時空數據庫的質量控制、時空數據的可視化問題等。.地學中的時空觀 人類對地學中時空概念的認知可以追溯到19世紀末20世紀初。1899年Davis對地貌循環的研究；1925年Sauer對歷史地理學的研究；1939年Hartshorne對地域差異的研究；說明了人類很早就認識到地學中時空相互作用的重要性。 地學對象之間的空間關系往往隨著時間而變化，與時間關系交織在一起就行成了多種時空關系。Tryfona把空間關系分為拓撲關系、方向關系和度量關系，把時間分為有效時間、事務時

4、間和存在時間。Allen提出了基于時態區間代數理論的時態拓撲關系模型。Egenhofer 、Szmurlo等對空間拓撲關系的漸變規律、時空概念理解做了一些探討，給出了反映拓撲關系時空變化的最鄰近拓撲關系鄰接圖。舒紅、陳軍等給出了時空拓撲關系的定義和基于點集理論的形式化描述，并針對時空數據建模中存在的時空語義模糊問題，提出了時間尺度和事件序列兩種時間概念模型。.時空數據模型研究進展 時空數據模型的研究歷程可概括為20世紀70年代的醞釀起始階段，80年代的開拓階段和90年代后的大發展階段。前兩個階段重點主要表現為空間為主的GIS功能研究和以時態信息處理為主的時態數據庫研究，時空結合方面涉及的很少。

5、20世紀90年代初期，出現了大量專門用于處理時空數據的模型和原型系統。目前主要時空數據模型設計方法有一下幾種：一是在柵格、矢量空間模型基礎上擴展時間維，二是在時間模型基礎上擴展空間維，三是面向對象方法。.時空數據模型的類型 隨著近年來以空間數據庫為基礎的GIS研究和應用的不斷深入，隨時間而變化的信息越來越受到人們的關注，因而提出了時態GIS（簡稱TGIS）的概念。時態GIS的組織核心是時空數據庫，時空數據模型則是時空數據庫的基礎。但是由于空間、屬性、時間三者之間的關系和結構組織非常復雜，理想的時空數據庫和時態GIS系統目前還沒有出現。目前研究比較有影響的時空數據模型有以下幾種：.時空復合模型

6、將每一次獨立的疊加操作轉換為一次性的合成疊加，變化的累積形成最小變化單元，由這些最小變化單元構成的圖形文件和記錄變化歷史的屬性文件聯系在一起表達數據的時空特征。最小變化單元即是一定時空范圍內的最大同質單元。其缺點在于多邊形碎化和對關系數據庫的過分依賴，隨著變化的頻繁會形成很多的碎片。.連續快照模型 連續快照模型在數據庫中僅記錄當前數據狀態，數據更新后，舊數據變化值不再保留，即“忘記”過去的狀態。連續的時間快照模型是將一系列時間片段快照保存起來，以反映整個空間特征的狀態。由于快照將對未發生變化的所有特征重復進行存儲，會產生大量的數據冗余，當事件變化頻繁時，且數據量較大時，系統效率急劇下降。.基態

7、修正模型 為避免連續快照模型將未發生變化部分的特征重復記錄，基態修正模型只存儲某個時間點的數據狀態（基態）和相對于基態的變化量。只有在事件發生或對象發生變化時才將變化的數據存入系統中，時態分辨率刻度值與事件或對象發生變化的時刻完全對應。基態修正模型對每個對象只存儲一次，每變化一次，僅有很少量的數據需要記錄。基態修正模型也稱為更新模型，有矢量更新模型和柵格更新模型。其缺點是較難處理給定時刻時空對象間的空間關系，且對很遠的過去狀態進行檢索時，幾乎對整個歷史狀況進行閱讀操作，效率很低。.時空立方體模型 時空立方體模型用幾何立體圖形表示二維圖形沿時間維發展變化的過程，表達了現實世界平面位置隨時間的演變

8、，將時間標記在空間坐標點上。給定一個時間位置值，就可以從三維立方體中獲得相應截面的狀態，也可擴展表達三維空間沿時間變化的過程。缺點是隨著數據量的增大，對立方體的操作會變的越來越復雜，以至于最終變的無法處理。.時空對象模型 時空對象模型認為世界是由時空原子（Spatio-temporal Atom）所組成，時空原子為時間屬性和空間屬性均質的實體。在該模型中時間維是與空間維垂直的，它可表示實體在空間和屬性上的變化，但未涉及對漸變實體的表示。缺點是隨著時間發生的空間漸進的變化不能在時空對象模型中表示，沒有一個描繪變遷、過程的概念。.面向對象的時空數據模型 面向對象方法是在節點、弧段、多邊形等幾何要素

9、的表達上增加時間信息，考慮空間拓撲結構和時態拓撲結構。一個地理實體，無論多么復雜，總可以作為一個對象來建模。缺點是，沒有考慮地理現象的時空特性和內在聯系，缺少對地理實體或現象的顯式定義和基礎關系描述。.時空數據模型研究中存在的問題 盡管時空數據模型的研究已經取得了比較豐碩的成果，但目前所能看到的各種方法中，理論層面和概念模型的研究居多，然而其成果仍然局限于概念模型和原型系統階段。 距離實際應用還相差較遠。時空數據表達、時空地理數據庫以及時態GIS的研究仍然存在很多問題，具體表現在：. （1）現有的模型大多是獨立地模擬地學現象的空間和時態特征，二者沒有緊密地結合。空間模型強調對象的幾何特征，而時

10、態模型側重于對象特征的改變。然而在很多情況下，對象的空間屬性和時態屬性是密切相關的，如資源管理、環境監測等系統。缺少與時空過程模型集成表達機制是當前GIS發展的一個主要缺點。 （2）無法表達地學現象的連續變化，如風暴、降雨等。現有模型一般對離散變化處理的比較好，有的模型采用微小時段間隔的方法來模擬連續的變化。另外計算機系統本身也是用離散的方式來表達數據的，因此如何在離散和連續中間進行取舍是值得考慮的一個問題。時態GIS對空間對象離散和連續變化的支持不僅要體現在模型層次上，還體現在功能上，要提供統一的查詢語言和表達界面，而不是視圖間的切換。. （3）在地學對象認識和表達過程中，領域專家、數據收集

11、者和GIS技術人員存在著重要的概念差異，導致在對象抽象方式、模型定義、數據結構和組織方式上存在著爭議。經驗表明，僅僅依靠簡單的時間或空間的擴展方式是無法靈活、高效地表達時空現象及其關系的，也不能滿足時態GIS的需求。 （4）時空數據模型通用性低。目前的時態GIS主要有一下3種實現方式：基于商業GIS系統的時態擴展，用于科學研究的原型系統，針對特殊應用的時空查詢工具。然而這些系統大多是針對特定的應用而設計的，只能使用特定的數據結構，通用性非常弱。.（5）沒有充分考慮數據移植問題。目前，無論是科學研究還是實際生產應用中都積累了豐富的時空數據。如何讓這些數據適應新的模型，并且將其移植到新的時態GIS

12、系統中是必須面對的一個難題。一種可能的解決方案是建立數據接口，將原有數據進行格式轉換，然而這種數據移植風險是值得關注的。在構建新的時空數據模型時應充分考慮與現有的主流GIS軟件的集成與兼容問題。.時空數據模型以后需注意方面 時空數據模型的研究成果仍然與實際應用具有很大差距。具體表現為：理論研究多、實際應用少；數據模型多、軟件工具少。在后續研究中，需注意以下幾個方面：（1）理想的時空數據模型應該能夠集成空間、專題、時間三方面特征，綜合離散、連續的表達方式，符合人類認知的邏輯思維，描述what/where/when三種語義，并且能夠與現有的主流的GIS軟件集成，支持擴展，以滿足不同應用的需要。（2）集中精力研究現有模型的整合與歸并，并重點研究模型的邏輯設計與系統實現。不再生造沒有實質性創新特點的模型，為時態GIS系統的研制提供支持。.（3）時空數據模型的研究應該優先考慮地學現象的行為和基于過程的分析，而不是優先考慮可用的數據格式與結構。時態GIS絕不是時態與空間的簡單拼湊，應該突破傳統方法，綜合多學科領域的成果，建立更符合邏輯認知的、語義驅動的時空表達方法。（4）加強時空數據索引、時空數據插值、以及時空數據可視化等理論與技術的