时空数据模型简介

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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、城市演化等领域都需要管理历史变化数据，以便重建历史、跟

2、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

3、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Hartshorne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

4、。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，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

5、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

6、、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

7、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

8、空对象间的空间关系，且对很远的过去状态进行检索时，几