時空數(shù)據(jù)模型的研究與進(jìn)展

摘要：時態(tài)地理信息系統(tǒng)（TGIS）以表達(dá)、管理和分析動態(tài)變化的地理現(xiàn)象為目的，其核心是時空數(shù)據(jù)庫，因此對時空數(shù)據(jù)庫的理論基礎(chǔ)——時空數(shù)據(jù)模型的研究十分必要。目前的時空數(shù)據(jù)模型主要有簡單模型、時空聯(lián)合模型、時空屬三域模型、基于對象/特征的模型和基于事件/過程的模型等。首先對這些模型進(jìn)行了回顧，對其優(yōu)缺點(diǎn)和側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行了分析對比，然后在此基礎(chǔ)上對時空數(shù)據(jù)模型的進(jìn)一步研究方向進(jìn)行了剖析。

關(guān)鍵詞：時空數(shù)據(jù)模型； 時態(tài)地理信息系統(tǒng)； 時空數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TP311．12文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)05-1281-04

GIS以表達(dá)、管理和分析客觀世界動態(tài)變化的地理現(xiàn)象為目的。傳統(tǒng)GIS管理的只是靜態(tài)數(shù)據(jù)，它們只能保留現(xiàn)實世界的一個狀態(tài)，或因現(xiàn)狀信息的更新而不能保存動態(tài)地理現(xiàn)象的歷史信息，或能保留某一時刻的歷史信息但不能保留現(xiàn)狀的最新信息。因此，靜態(tài)GIS無法對動態(tài)變化的時空現(xiàn)象進(jìn)行處理，無法對環(huán)境變化檢測、交通運(yùn)輸、社會經(jīng)濟(jì)、土地變更、天氣預(yù)報等應(yīng)用的動態(tài)變化過程進(jìn)行分析、評價或預(yù)測。變化與時間息息相關(guān)，為了跟蹤變化，需要在GIS中引入時間信息，這就是時態(tài)地理信息系統(tǒng)（TGIS）所面臨的任務(wù)。時空數(shù)據(jù)庫是TGIS的核心，而時空數(shù)據(jù)庫的概念基礎(chǔ)是時空數(shù)據(jù)模型，因此建立有效的數(shù)據(jù)模型是TGIS的關(guān)鍵。自Thrift在1977年提出TGIS的概念以來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對時空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了廣泛關(guān)注并展開了研究，提出了一些模型。

1時空數(shù)據(jù)模型的研究現(xiàn)狀

為了對客觀世界的動態(tài)地理現(xiàn)象進(jìn)行描述、表達(dá)和管理，需要把時間信息引入傳統(tǒng)的靜態(tài)GIS中，形成空間、時間和屬性三位一體的TGIS。與時態(tài)數(shù)據(jù)庫一樣，在空間數(shù)據(jù)庫中引入時間也有三種方式，即時間版本圖層、時間版本對象和時間版本屬性等，它們的實現(xiàn)主要是在傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行擴(kuò)展。隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)的應(yīng)用，也有一部分學(xué)者在面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫上進(jìn)行模型的具體實現(xiàn)，但目前較多的則是采用對象—關(guān)系模型，因為他們充分利用了面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)。雖然TGIS的概念產(chǎn)生時間不長，但計算機(jī)領(lǐng)域和GIS領(lǐng)域?qū)r空數(shù)據(jù)模型的研究還是相當(dāng)投入，自從Berry在1964年提出管理時空數(shù)據(jù)的地理空間—時間矩陣模型以來，出現(xiàn)了一些新的成果模型，如序列快照模型[1]、基態(tài)修正模型[2]、時空復(fù)合模型[1]、時空對象模型[3]等。這些模型根據(jù)不同的側(cè)重點(diǎn)可以分為不同的類型。筆者根據(jù)模型的特點(diǎn)，把它們分為簡單、時空聯(lián)合、時空屬三域、基于對象/特征的模型和基于事件/過程的模型等幾類。

1．1簡單模型

簡單模型主要包括序列快照模型（sequential snapshot mo-del）及其擴(kuò)展的基態(tài)修正模型（base state with amendments mo-del），它們是模擬時間的簡單模型。

序列快照模型是目前時態(tài)GIS中被廣泛采用的時空數(shù)據(jù)模型之一，也是GIS中最簡單的一種情況。在Langran的快照模型中，它通過時間切片方法對連續(xù)變化的地理現(xiàn)象進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換成離散部分，各個切片分別對應(yīng)不同時刻的狀態(tài)。時間信息通過數(shù)據(jù)層時間戳的方式引入空間數(shù)據(jù)模型。每個層是某一主題的時間上相同單元的集合，層與層之間沒有顯式的時間關(guān)系。序列快照模型最大的弊端是重復(fù)存儲沒有變化的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致了大量的數(shù)據(jù)冗余。為了減少數(shù)據(jù)冗余，Langran在時間切片模型上進(jìn)行改進(jìn)，提出了基態(tài)修正模型。它采用起始狀態(tài)底圖和相鄰切片之間的變化來對變化的時空數(shù)據(jù)進(jìn)行表示和存儲。這種方式對變化進(jìn)行了顯式存儲，因而很容易獲得切片之間的狀態(tài)，同時減少了數(shù)據(jù)冗余，節(jié)省了存儲空間。

1．2時空聯(lián)合模型

時空聯(lián)合模型是空間與時間組成的聯(lián)合體作為建模的基本單元。該類模型主要考慮的是空間對象隨時間在空間上的變化，實現(xiàn)時時間往往作為空間對象的屬性。主要模型有時空復(fù)合模型（space－time composite model）和時空對象模型（ST－object model）。

時空復(fù)合模型是Chrisman于1983年針對矢量模型提出的，后來又與Langran對模型進(jìn)行了進(jìn)一步完善（圖1）。該模型把世界表示成在三維空間（層）內(nèi)具有空間同質(zhì)、時間統(tǒng)一的對象，即時空復(fù)合單元的集合。每一個時空復(fù)合單元在屬性上的變化有惟一的時間過程，在概念上描述了一個空間對象在一段時間內(nèi)的變化。該模型將空間變化和屬性變化都映射為空間的變化，導(dǎo)致新實體的產(chǎn)生；對STC數(shù)據(jù)庫的更新需要對STC單元進(jìn)行重構(gòu)；STC單元之間的幾何和拓?fù)潢P(guān)系以及整個數(shù)據(jù)庫的空間對象表和屬性表也都要重新進(jìn)行組織。該模型是序列快照和基圖修正的折中模型。

時空對象模型或雙時間時空對象模型[4]通過引入與二維空間正交的時間維把世界表達(dá)成由時空原子組成的離散對象集合。時空原子是同時在空間和時間上具有特定屬性的最大同質(zhì)單元。盡管單個時空原子不能發(fā)生變化，由時空原子構(gòu)成的時空對象可以在空間和時間上發(fā)生變化。因此，該模型可以通過把時空原子投影到空間和/或時間空間上對時空對象發(fā)生在時間維和/或空間維上的變化進(jìn)行記錄。

1．3時空屬三域模型

前面的模型要么只考慮了對象的屬性數(shù)據(jù)隨時間的變化，要么只考慮對象的空間特征隨時間的變化，而不能對對象的空間特征和屬性特征隨時間的變化同時進(jìn)行建模。而集成時間、空間和屬性的模型則可以避免這方面的不足。

Peuquet認(rèn)為由于時間和空間性質(zhì)的不同而把時間作為新的一維結(jié)合空間三維形成的4D模型在表達(dá)上是不夠的，并提出了從基于位置、基于時間和基于對象的三種相關(guān)視圖角度組織的what/when/where的三元時空數(shù)據(jù)模型框架來表達(dá)動態(tài)世界[5]。這種方案符合人們整體和靈活地感知動態(tài)世界的方式[6]。Yuan[7]在對森林火災(zāi)的時空信息研究分析時也提出把時間域作為一個單獨(dú)的概念與屬性（語義）域和空間域并列，并在各自的域中定義了對象。這三個域中的數(shù)據(jù)分別存儲在三個表中，這些表連同對象版本用一個被稱為域連接表的表進(jìn)行關(guān)聯(lián)（圖2）。該模型能夠從以位置為中心、實體為中心和時間為中心的角度對現(xiàn)實的屬性變化、靜態(tài)空間分布、靜態(tài)空間變化、動態(tài)空間變化、過程變異和實體運(yùn)動六種變化進(jìn)行表達(dá)[8]。

1．4基于對象/特征的模型

基于對象的模型是把信息空間分解為對象或?qū)嶓w。一個實體必須符合可被識別、重要和可被描述三個條件[9]。基于對象的時空模型通常用面向?qū)ο蠓椒枋觯渚唧w實現(xiàn)則可用關(guān)系數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，也可以用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫實現(xiàn)。面向?qū)ο蠓椒ò咽澜绯橄鬄橛蓪ο蠼M成，把具有共同特征的事物抽象為類。類是由數(shù)據(jù)成員和成員函數(shù)組成，前者反映對象的靜態(tài)結(jié)構(gòu)特性，后者則反映了動態(tài)行為特征。數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)用數(shù)據(jù)成員來定義，而操作和一致性規(guī)則通過操作來定義。面向?qū)ο蠓椒ㄌ峁┝艘恍┏橄髾C(jī)制，如泛化、特化、聚合和關(guān)聯(lián)等。由于面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型具有豐富的語義、可描述復(fù)雜對象的功能和數(shù)據(jù)抽象機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)，受到TGIS領(lǐng)域廣大專家學(xué)者的青睞[10~15]。

前面提到的Worboys[3]的時空對象模型其實也是一種基于對象的時空數(shù)據(jù)模型。在他工作的基礎(chǔ)上，Raza和Kainz用Brisson的格子（cell）復(fù)合體的格子元組結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了面向?qū)ο蟮幕诟褡釉M的時空數(shù)據(jù)模型[10]。在其模型中，運(yùn)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)以一個統(tǒng)一的模式來對空間、時間和屬性三個分量進(jìn)行建模，他們把現(xiàn)實看成一個稱之為時空屬性對象（spatio－temporal-attribute object，STAO）的對象。一個時空屬性對象被定義為STAO〈objectID，attributeID，n－TcellID，DT_1~T，WT_1~T〉。其中：objectID為對象標(biāo)志；attributeID為屬性對象標(biāo)志；n－TcellID為格子復(fù)合體表示的空間對象標(biāo)志；DT_1~T和WT_1~T分別表示數(shù)據(jù)庫時間和世界時間。該基于格子元組的時空對象模型的一個顯著優(yōu)點(diǎn)是以一種隱式方式對時空拓?fù)溥M(jìn)行了存儲和對空間對象的一致處理。該模型較適合于處理土地系統(tǒng)或城市規(guī)劃等離散變化，不適合于運(yùn)動對象。

國內(nèi)也有一些學(xué)者采用面向?qū)ο蠓椒▽r空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行描述。比較典型的是基于node－arc－polygon的面向?qū)ο髸r空數(shù)據(jù)模型[11]、基于OpenGIS簡單要素規(guī)范的通用面向?qū)ο髸r空數(shù)據(jù)模型——GOO－STDM[12]和面向?qū)ο蟮臅r空屬性概念模型（OOSTACM）[13]等。

在基于對象的建模方法中，有一類特殊的對象建模方法——基于地理特征的建模方法。這里的特征較之一般的對象具有更明確的語義信息，它是地球空間上客觀存在的、具有描述信息的、具有共同特征的地理現(xiàn)象，如河流、道路、建筑等。基于特征的時空數(shù)據(jù)建模是把地理特征作為基本的建模單元，從幾何信息、專題與語義信息及時態(tài)信息幾方面對地理特征進(jìn)行描述的建模方法。因此以特征為基本構(gòu)造單元的模型對空間、專題、時間屬性和關(guān)系提供了直接訪問，能夠?qū)Χ啾磉_(dá)和多幾何抽象提供支持。基于特征的建模方法是近來研究的熱點(diǎn)之一，國內(nèi)外不少學(xué)者對其進(jìn)行了研究[16~21]。

1．5基于事件/過程的模型

前面的模型都關(guān)心的是時空現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)特性，可以解決或部分解決何時、何地和什么的變化問題，而沒有對動態(tài)地理現(xiàn)象的行為特性和驅(qū)動力即如何變（how）和變化原因（why）進(jìn)行描述。基于事件[22~27]或基于過程[28，29]的模型可以描述動態(tài)地理現(xiàn)象的行為特性和變化原因。事件是對象從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)的原因；過程則描述了一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)的具體細(xì)節(jié)。為此，事件方法成為眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。

事件方法中比較著名的模型是Peuquet和Duan提出的ESTDM（圖3）[22]。該模型是面向位置的，用柵格表達(dá)方式來對位置變化的時空信息進(jìn)行組織。模型存儲的是相對前一個狀態(tài)的變化而不是快照，用一個頭文件保存專題域的信息、指向基圖的指針和指向第一個以及最后一個事件列表的指針。基圖顯示的是一個地理區(qū)域內(nèi)的某一單個專題信息的初始快照。該專題域的時空動態(tài)變化構(gòu)成了一個事件系列，每個被時間標(biāo)記的事件與指示變化發(fā)生地的事件組件列表相關(guān)聯(lián)。一個事件組件表示事先定義位置（柵格單元）在一個特定時間點(diǎn)發(fā)生的變化。由于ESTDM每次事件發(fā)生時，記錄的是事件發(fā)生的時間和發(fā)生變化的區(qū)域以及該區(qū)域變化后的狀態(tài)，而沒有明確記錄該區(qū)域在變化之前的狀態(tài)，即該模型沒有完整記錄變化的過程，致使時態(tài)拓?fù)洳樵冏兊煤芾щy。為此，牛方曲等人[23]在ESTDM模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，使得模型可以完整地記錄下地理現(xiàn)象的變化過程，即同時記錄了事件中各位置變化前后的狀態(tài)，方便時態(tài)拓?fù)洳樵兒透鲄^(qū)域的歷史追溯。

徐志紅等人[25]從歷史數(shù)據(jù)的應(yīng)用角度出發(fā)，提出了基于事件語義信息描述的五域（對象、時間、空間、事件/行為、屬性/專題）時態(tài)GIS 模型。該模型通過對象的惟一標(biāo)志對對象發(fā)生的時間、空間位置、發(fā)生原因及屬性或?qū)ｎ}等信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)。該模型可以完成對who、when、where、how、how many和what 的查詢。

2時空模型的對比分析

從第1章可以看出，國內(nèi)外對時空模型的研究比較多，提出了不少時空模型。下面對其中的一些主要模型從數(shù)據(jù)冗余度、模型支持的查詢范圍、處理連續(xù)變化、處理運(yùn)動等方面進(jìn)行比較分析（表1）。從表1中對比的情況可以看出： 

a)數(shù)據(jù)冗余度最大的模型是快照模型；其他幾個模型存儲的是對象的快照或變化而不是整個區(qū)域的快照，因而其數(shù)據(jù)冗余度較小。

b)模型所支持的查詢范圍方面，三域和五域模型的范圍較廣；時空對象模型次之；其他模型的查詢類型都很有限，基本上只支持一些簡單的查詢。

c)狀態(tài)查詢和變化查詢是時態(tài)GIS中兩類主要的查詢，其查詢效率和難易程度直接反映模型的優(yōu)劣。從對比情況看，基態(tài)修正模型及以其為基礎(chǔ)的面向事件模型ESTDM，因為它們對變化進(jìn)行了直接存儲，導(dǎo)致在獲取狀態(tài)方面較難，而在變化獲取方面卻較容易。獲取變化較難的是快照模型和時空復(fù)合模型。

d)除了三域和五域模型外，其他模型都依賴于空間對象的存在，即模型是用具有空間幾何位置的空間對象來對時空信息進(jìn)行組織和管理的。這樣它們就不能適應(yīng)空間維缺少的情況。

e)受傳統(tǒng)GIS側(cè)重于制圖的影響，大部分模型都主要支持空間特性的變化，對屬性變化支持程度較低，大多只支持部分與空間相關(guān)的屬性。Worboys的時空對象模型沒有涉及屬性變化，只有三域和五域模型才可以完全對對象的語義描述屬性變化進(jìn)行表達(dá)。

f)變化類型支持方面。所有的模型都支持離散變化，而對連續(xù)變化和運(yùn)動都支持的只有三域模型；另外時空對象模型能夠支持連續(xù)變化。

g)事件作為導(dǎo)致變化的原因，只有面向事件模型ESTDM和五域模型對事件予以支持。

h)這些模型中引入時間有四種方式，分別是版本圖層、版本空間對象、版本事件和作為獨(dú)立的事件對象；模型在支持時間維度方面，有只支持有效時間的，也有支持雙時間的即同時支持有效時間和事務(wù)時間。

i)空間數(shù)據(jù)的表達(dá)方式上，只有快照和基態(tài)修正模型可采用矢量和柵格兩種表達(dá)形式；而面向事件模型ESTDM較適合于柵格表達(dá)；其他的都采用矢量表達(dá)。

由上述比較分析可以看出，這些模型在某些方面比較優(yōu)越，在另外一些方面又存在不理想的情況。但總體來說，三域模型對變化的語義、正交性方面支持較好，而面向事件和五域模型對事件進(jìn)行了部分建模，值得進(jìn)一步發(fā)展。

3時空數(shù)據(jù)模型的研究方向

綜上可以看出，這些模型各有優(yōu)缺點(diǎn)，雖然某些模型相比之下顯得比較優(yōu)秀，但是在某些方面還值得進(jìn)一步研究、改進(jìn)。例如三域模型沒有對變化的原因進(jìn)行表達(dá)，基于事件或過程的模型能很好地體現(xiàn)地理現(xiàn)象的行為特性，但是對事件和過程的語義研究還很淺[24，26~33]。

筆者認(rèn)為，一個好的時空數(shù)據(jù)模型應(yīng)該是：盡可能滿足所有時空變化語義；抽象模型的設(shè)計具有通用性和邏輯模型面向應(yīng)用；同時要滿足空間、屬性、時間等的正交性，數(shù)據(jù)冗余度小和時空數(shù)據(jù)查詢及分析的高效。結(jié)合以上分析，筆者認(rèn)為針對時空數(shù)據(jù)的模型還有以下幾個方面需要進(jìn)一步展開研究：

a)時空模型的語義學(xué)研究。目前提出的模型眾多，但真正能達(dá)到上述幾個建模要求的模型幾乎沒有。其中一個主要原因是語義學(xué)的問題，如變化的語義、時間的語義、事件與過程、事件與狀態(tài)的語義等。只有從語義上對這些概念進(jìn)行統(tǒng)一，才能保證時空模型的通用化、實用化。

b)拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)的時空數(shù)據(jù)模型研究。基于柵格表達(dá)的模型無法描述地理實體間的拓?fù)潢P(guān)系，而基于對象的模型雖然可以存儲拓?fù)潢P(guān)系，但目前的模型很少對拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行顯式存儲，對時空拓?fù)涞年P(guān)系操作需要進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，這需要浪費(fèi)很多的時間且降低了系統(tǒng)的性能。因此對拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行顯式存儲有利于提高系統(tǒng)的拓?fù)洳樵儭⒎治鲂阅堋＊?/p>

c)基于狀態(tài)—事件的時空模型研究。狀態(tài)與事件是時態(tài)地理信息系統(tǒng)的一對基本概念，目前時空數(shù)據(jù)模型研究側(cè)重于將兩個概念相分離，表現(xiàn)為基于狀態(tài)模型和基于事件模型。有學(xué)者（如尹章才和李霖）意識到把事件和狀態(tài)結(jié)合起來對時空地理現(xiàn)象進(jìn)行建模，并提出了一個基于狀態(tài)—事件的抽象時空模型，并分析了該模型與其他幾種模型之間的轉(zhuǎn)換。但他們只是從宏觀上給出了這種模型的思想，并未對數(shù)據(jù)的處理和操作等具體方面進(jìn)行描述，也沒有就事件、對象及事件與對象之間的關(guān)系進(jìn)行描述。同時對狀態(tài)和事件兩者進(jìn)行建模有利于兼顧兩種模型的優(yōu)點(diǎn)，使模型的語義更豐富。

d)離散變化和連續(xù)變化的統(tǒng)一。因為客觀世界地理現(xiàn)象的變化既有如土地變更的離散變化，也有海岸線的變遷、森林覆蓋區(qū)域變化之類的連續(xù)變化。目前的時空模型主要都在模擬離散變化，不能處理連續(xù)變化，因此研究既能處理離散變化又能處理連續(xù)變化的統(tǒng)一時空模型是未來的一個研究方向。

e)多粒度時空數(shù)據(jù)模型的研究。時空數(shù)據(jù)表達(dá)、時空數(shù)據(jù)分析利用和時空推理等可能需要多粒度支持，同時多粒度支持可以根據(jù)應(yīng)用需求來對時空數(shù)據(jù)按照不同的單位進(jìn)行存儲，為對可能從多來源獲取的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析提供一個很重要的功能。例如土地抵押或出租可能按天進(jìn)行登記；土地利用動態(tài)變化一般每年進(jìn)行一次調(diào)查，初始土地登記可能每十年一次；而變更土地登記則可能要按天或月來進(jìn)行。在犯罪分析應(yīng)用中，不同的時間粒度和空間粒度都可能需要。目前時態(tài)數(shù)據(jù)庫中對時間多粒度和空間數(shù)據(jù)庫中對空間多尺度問題都研究得較多，但在時空數(shù)據(jù)庫中把兩者結(jié)合起來研究的卻不多，因此數(shù)據(jù)模型的時空多粒度要求是一個完整TGIS應(yīng)用的重要方面之一。

f)抽象的通用化時空數(shù)據(jù)模型研究。目前的時空模型大多是針對具體應(yīng)用的，而通用的模型則不多，特別是可操作的更不多。而在通用模型之上建立具體應(yīng)用模型會有更高的效率。因此研究抽象的通用化時空數(shù)據(jù)模型是一個發(fā)展趨勢。

另外，既適合于矢量表達(dá)又要適合于柵格表達(dá)的矢柵一體化模型、可視化建模方法和工具也是值得研究的方向。

4結(jié)束語

本文首先對目前的一些主要的時空模型和方法進(jìn)行了分類與回顧，對比并分析總結(jié)了這些模型的優(yōu)缺點(diǎn)，探討了未來時空模型的進(jìn)一步研究發(fā)展方向。總的來說，時空數(shù)據(jù)模型作為時態(tài)GIS的基礎(chǔ)問題，在未來一段時間內(nèi)依舊是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

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