《时空数据模型简介》PPT课件

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1、时空数据模型简介时空数据模型是TGIS和STDB的基础。时空数据模型通常由数据结构、数据操作和完整性约束三部分组成（张祖勋等，1996）。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，既时态特征。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。空间和时间是现实世界最基本、最重要的属性。许多空间应用系统，尤其是地理信息系统（GIS）都需要表达地学对象的时空属性。例如在地籍变更、环境监测、城

2、市演化等领域都需要管理历史变化数据，以便重建历史、跟踪变化、预测未来。传统的GIS数据模型强调地学对象的静态描述，通常采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。时态GIS的核心问题之一是时空数据模型的建立。时空数据模型的核心问题是研究如何有效地表达、记录和管理现实世界的实体及其相互关系随时间不断发生的变化。这种时空变化表现为三种可能的形式，一是属性变化，其空间坐标或位置不变；二是空间坐

3、标或位置变化，而属性不变，这里空间的坐标或位置变化既可以是单一实体的位置、方向、尺寸、形状等发生变化，也可以是两个以上的空间实体之间的关系发生变化；三是空间实体或现象的坐标和属性都发生变化。当前时态GIS研究的主要问题有：表达时空变化的数据模型、时空数据组织与存取方法、时空数据库的版本问题、时空数据库的质量控制、时空数据的可视化问题等。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。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Hartsho

4、rne对地域差异的研究；说明了人类很早就认识到地学中时空相互作用的重要性。地学对象之间的空间关系往往随着时间而变化，与时间关系交织在一起就行成了多种时空关系。Tryfona把空间关系分为拓扑关系、方向关系和度量关系，把时间分为有效时间、事务时间和存在时间。Allen提出了基于时态区间代数理论的时态拓扑关系模型。Egenhofer、Szmurlo等对空间拓扑关系的渐变规律、时空概念理解做了一些探讨，给出了反映拓扑关系时空变化的最邻近拓扑关系邻接图。舒红、陈军等给出了时空拓扑关系的定义和基于点集理论的形式化描述

5、，并针对时空数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。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。前两个阶段重点主要表现为空间为主的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，出现了大量专门用于处理时空数据的模型和原型系统。目前主要时空数据模型设计方法有一下几种：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

6、面向对象方法。时空数据模型的类型随着近年来以空间数据库为基础的GIS研究和应用的不断深入，随时间而变化的信息越来越受到人们的关注，因而提出了时态GIS（简称TGIS）的概念。时态GIS的组织核心是时空数据库，时空数据模型则是时空数据库的基础。但是由于空间、属性、时间三者之间的关系和结构组织非常复杂，理想的时空数据库和时态GIS系统目前还没有出现。目前研究比较有影响的时空数据模型有以下几种：时空复合模型将每一次独立的叠加操作转换为一次性的合成叠加，变化的累积形成最小变化单元，由这些最小变化单元构成的图形文件和

7、记录变化历史的属性文件联系在一起表达数据的时空特征。最小变化单元即是一定时空范围内的最大同质单元。其缺点在于多边形碎化和对关系数据库的过分依赖，随着变化的频繁会形成很多的碎片。连续快照模型连续快照模型在数据库中仅记录当前数据状态，数据更新后，旧数据变化值不再保留，即“忘记”过去的状态。连续的时间快照模型是将一系列时间片段快照保存起来，以反映整个空间特征的状态。由于快照将对未发生变化的所有特征重复进行存储，会产生大量的数据冗余，当事件变化频繁时，且数据量较大时，系统效率急剧下降。基态修正模型为避免连续快照模型

8、将未发生变化部分的特征重复记录，基态修正模型只存储某个时间点的数据状态（基态）和相对于基态的变化量。只有在事件发生或对象发生变化时才将变化的数据存入系统中，时态分辨率刻度值与事件或对象发生变化的时刻完全对应。基态修正模型对每个对象只存储一次，每变化一次，仅有很少量的数据需要记录。基态修正模型也称为更新模型，有矢量更新模型和栅格更新模型。其缺点是较难处理给定时刻时空对象间的空间关系，且对很远的过去状态进行检索时，几