時(shí)空數(shù)據(jù)研究初探

倪婷

摘 要 進(jìn)入信息時(shí)代以來(lái)，很多先進(jìn)的地理信息科學(xué)技術(shù)在城鎮(zhèn)建設(shè)、土地規(guī)劃、科研等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的促進(jìn)作用。當(dāng)前，時(shí)空數(shù)據(jù)的研究已從通用數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)向面向應(yīng)用領(lǐng)域的研究;從離散時(shí)空數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)向連續(xù)時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究;從單一尺度、單一維度時(shí)空數(shù)據(jù)的研究轉(zhuǎn)向多尺度多維度時(shí)空數(shù)據(jù)的研究;時(shí)空數(shù)據(jù)查詢、管理、表達(dá)、分析和挖掘?qū)⑹侨蘸笱芯康臒狳c(diǎn)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞 地理信息科學(xué);時(shí)空數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)挖掘

1時(shí)空數(shù)據(jù)研究概述

近30年來(lái)，隨著地理信息科學(xué)的發(fā)展、GIS技術(shù)的普及應(yīng)用，GIS空間數(shù)據(jù)量正以空前的速度增長(zhǎng)，并且GIS空間數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化的特征，為了應(yīng)對(duì)管理不斷增加的動(dòng)態(tài)空間數(shù)據(jù)的需求，許多GIS學(xué)者致力于時(shí)空數(shù)據(jù)的研究，包括如何表達(dá)、分析和預(yù)測(cè)空間信息隨著時(shí)間變化的過(guò)程。Langran出版了第一本正式介紹時(shí)態(tài)GIS的書(shū)籍，該書(shū)較為系統(tǒng)地論述了時(shí)空數(shù)據(jù)的概念模型和實(shí)現(xiàn)，這標(biāo)志了時(shí)空數(shù)據(jù)逐漸成為GIS研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。

2大數(shù)據(jù)GIS驅(qū)動(dòng)下的時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘研究

網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，傳感器設(shè)備的普及，使得GIS走向大數(shù)據(jù)時(shí)代。如何將GIS大數(shù)據(jù)空間特性和時(shí)間特性有機(jī)結(jié)合，分析并發(fā)現(xiàn)更多有意義的信息將是大數(shù)據(jù)時(shí)代地理信息科學(xué)研究的前沿問(wèn)題，是時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘所需要解決的主要科學(xué)問(wèn)題。

雖然GIS時(shí)空數(shù)據(jù)體量在飛速增長(zhǎng)，但大量時(shí)空數(shù)據(jù)提供給我們的信息量卻很少，因此需要我們從大量的GIS時(shí)空數(shù)據(jù)中挖掘發(fā)現(xiàn)所需要或有意義的信息。劉大有（2013）等對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘的定義“從具有海量、高維、高噪聲和非線性等特性的時(shí)空數(shù)據(jù)中提取出隱含的、人們事先不知道的、但又潛在有用的信息及知識(shí)的過(guò)程”。時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘研究的主要內(nèi)容包括：時(shí)空自相關(guān)、時(shí)空預(yù)測(cè)、時(shí)空聚類和時(shí)空可視化等。

2.1 時(shí)空自相關(guān)與時(shí)空預(yù)測(cè)

地理對(duì)象具有很強(qiáng)的時(shí)空依賴性，為了發(fā)現(xiàn)這些時(shí)空依賴性特征，GIS研究者們對(duì)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)的自相關(guān)性做了廣泛深入的研究。Cheng（2012）通過(guò)對(duì)公路網(wǎng)數(shù)據(jù)的時(shí)空自相關(guān)結(jié)構(gòu)的分析，建立一個(gè)合適的時(shí)空預(yù)測(cè)模型。該研究使用了倫敦的路網(wǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)其時(shí)空自相關(guān)性進(jìn)行了探索性的分析。通過(guò)全球和區(qū)域尺度的分析，發(fā)現(xiàn)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的時(shí)空自相關(guān)性是動(dòng)態(tài)、不均勻的。全球尺度的時(shí)空自相關(guān)性無(wú)法解釋路網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，而區(qū)域動(dòng)態(tài)的則可以進(jìn)行時(shí)空數(shù)據(jù)建模和預(yù)測(cè)[2]。

2.2 時(shí)空聚類

時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘另一個(gè)十分重要的任務(wù)是從大量的不明確的時(shí)空數(shù)據(jù)中，抽取有意義的模式和關(guān)系。因此我們希望在沒(méi)有任何先驗(yàn)的假設(shè)下從海量的時(shí)空數(shù)據(jù)中搜索到一定的結(jié)構(gòu)，然后再據(jù)此結(jié)果形成、歸納提煉我們的假設(shè)。這就是所謂的非監(jiān)督分類，在時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘中最重要的非監(jiān)督分類的方式就是聚類。這涉及對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，相似的數(shù)據(jù)在同一個(gè)簇中，不同的簇之間有較高的差異性。時(shí)空聚類是一種檢測(cè)海量時(shí)空數(shù)據(jù)中異常值的常見(jiàn)方法。

2.3 時(shí)空可視化

大多數(shù)的地理現(xiàn)象和地理對(duì)象都在隨著時(shí)間變化而變化著，如：森林火災(zāi)、臺(tái)風(fēng)移動(dòng)、海洋污染、河流水位變化、交通擁堵情況等。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們可輕易捕獲這些動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，如何通過(guò)地圖對(duì)這些動(dòng)態(tài)變化的地理過(guò)程進(jìn)行可視化表達(dá)，成為當(dāng)今GIS研究的前沿問(wèn)題。

俞肇元（2012）等基于幾何代數(shù)對(duì)多維時(shí)空?qǐng)鰯?shù)據(jù)組織方法進(jìn)行了構(gòu)建，基于時(shí)空立方體設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，提出了基于張量算子的地學(xué)時(shí)空?qǐng)鰯?shù)據(jù)分析方法。Bachthaler（2012）等基于時(shí)空立方體的方法提出了一種新的時(shí)間變換序列的排序方法，該方法將時(shí)空立方體轉(zhuǎn)換成一種新的可視化方式—軌跡墻，該法可快速有效地對(duì)軌跡屬性進(jìn)行可視化表達(dá)，將這一方法應(yīng)用在大城市出租車(chē)軌跡的表達(dá)上，并在表達(dá)方式中加入了時(shí)域透鏡，使其能夠進(jìn)行更高層次的時(shí)空分析。時(shí)域透鏡為交互式定義的空間查詢顯示出了時(shí)間聚合信息，如圖1：

圖中表示了時(shí)空立方體對(duì)出租車(chē)軌跡時(shí)空數(shù)據(jù)的表達(dá)，時(shí)空立方體中，較高速的綠色區(qū)域通常表現(xiàn)為聚集在一起的簇，而紅色和黃色的點(diǎn)為異常數(shù)據(jù)，這些點(diǎn)通常聚集在一起，指示著某一區(qū)域存在交通阻塞。

3時(shí)空數(shù)據(jù)研究展望

傳統(tǒng)的GIS重視空間數(shù)據(jù)而往往忽視了數(shù)據(jù)的時(shí)態(tài)性，在未來(lái)快速更新GIS數(shù)據(jù)的環(huán)境下，數(shù)據(jù)的時(shí)態(tài)性將越來(lái)越重要，時(shí)空數(shù)據(jù)的研究雖然已獲得了諸多客觀的成果，但還遠(yuǎn)不能滿足GIS應(yīng)用的需求，目前對(duì)于高維度、連續(xù)性的時(shí)空數(shù)據(jù)的研究仍存在很多不足，幾何代數(shù)為時(shí)空數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表達(dá)和分析開(kāi)辟了一個(gè)全新的領(lǐng)域，但其實(shí)用性仍需進(jìn)一步探討。GIS海量時(shí)空數(shù)據(jù)的積累帶來(lái)了數(shù)量的成倍增長(zhǎng)，但我們從中獲取的信息方式仍較為單一，對(duì)于復(fù)雜多樣的時(shí)空數(shù)據(jù)的組織、分析、表達(dá)、查詢等，還需要不斷提高GIS方法和手段的應(yīng)用研究，這將是未來(lái)GIS研究的前沿問(wèn)題[3]。

總體上看，時(shí)空數(shù)據(jù)經(jīng)歷了一個(gè)理論研究到應(yīng)用研究的過(guò)程，當(dāng)前正是時(shí)空數(shù)據(jù)大爆炸的時(shí)代，各種基于軌跡的時(shí)空數(shù)據(jù)廣泛存在于我們的日常生活中，大數(shù)據(jù)概念的提出將時(shí)空數(shù)據(jù)研究的進(jìn)一步推向GIS研究的熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉大有，陳慧靈，齊紅，等.時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2013，50（2）：225.

[2] Tao C，James H，Wang J.Spatio-temporal autocorrelation of road network data [J].Journal of Geographical Systems，2012，14（4）：389-413.

[3] 俞肇元，袁林旺，羅文，等.基于張量的地學(xué)時(shí)空?qǐng)鰯?shù)據(jù)組織與分析方法[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2012，27（5）：699-705.