gis中矢量時(shí)空數(shù)據(jù)組織策略

1、第 19 卷第 2 期 測 繪 工 程 Vol . 19 № . 22010 年 4 月 EN GIN EERIN G O F SU RV EYIN G AND MA PPIN G Apr. ,2010GIS 中 矢 量 時(shí) 空 數(shù) 據(jù) 組 織 策 略吳正升 ,郭 健 ,劉松林(信息工程大學(xué) 測繪學(xué)院 ,河南 鄭州 450

2、052)摘 要 :時(shí)態(tài) GIS作為 GIS理論和技術(shù)研究前沿領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)問題越來越被重視。從實(shí)用角度出發(fā) ,提出矢量時(shí)空數(shù)據(jù)組織策略 ,包括 :時(shí)間精確到秒 ,用數(shù)字表示 ;離散變化用狀態(tài)和事件來共同描述 ,而連續(xù)變化用事件來描述 ;現(xiàn)狀/ 歷史數(shù)據(jù)分離 ,空間/ 屬性數(shù)據(jù)分離 ;時(shí)間標(biāo)記在元組級上 ,空間數(shù)據(jù)采用非拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型。在此基礎(chǔ)上 ,將矢量時(shí)態(tài)層劃分 12 種類型 ,詳細(xì)設(shè)計(jì)其關(guān)系表組成和具體表結(jié)構(gòu) 。最后 ,設(shè)計(jì)和開發(fā)

3、相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) ,并以圖斑數(shù)據(jù)和車輛軌跡數(shù)據(jù)為例驗(yàn)證相關(guān)策略的可行性。關(guān)鍵詞 :時(shí)態(tài) GIS;時(shí)空數(shù)據(jù)庫 ;時(shí)空數(shù)據(jù)模型;組織策略中圖分類號 : P208 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號 :100627949 (2010)0220024205Organization strategies of vector spatio2temporal data in GISWU Zheng2sheng , GUO Jian , L IU

4、 Song2 lin(Institute of Surveying and Mapping , Information Engineering University , Zhengzho u 450052 , China)Abstract :A s a difficult pro blem in theory and technique of GIS , temporal GIS gets more and more atten2tio

5、n. Aiming at the vector spatio2temporal data , so me organization strate gie s are brought forward f rompractical viewpoint. Firstly , the precision of time is second , a nd time is rep re sented wit h the number. Sec2on

6、dly , the discrete change is described with state and event , a nd t he continuous change is described with e2vent. Thir dly , the reality data a nd history data are separated , and the spatial data and attributive data

7、a reseparated. Finally , time is signed on the recor d , and non2topological data model is adopte d to organize spa2tial data. Based on these , the temporal layer of vector data is divided into twelve types , and some re

8、lation2al table s of the temporal layer are designed. An e xperiment system is designed and realized. Then some ex2periments are done with patch data and vehicle track data . The results show that these p roposed strateg

9、iesare feasible .Key wor ds : TGIS; spatio2temporal databa se ; spatio2temporal data model ; or ganization strategy收稿日期 2 32 3基金項(xiàng)目 河南省重大重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目( 3 3 ) 作者簡介 吳正升( ) ,男,博士研究生空間、 屬性、 時(shí)間是地理現(xiàn)象的 3 個(gè)基本特征或GIS 數(shù)據(jù)庫的 3 種基本數(shù)據(jù)成分?？臻g特征

10、著重描述地理實(shí)體在地球表面及附近的空間分布 ,屬性特征著重描述地理實(shí)體的質(zhì)量和數(shù)量信息 ,而時(shí)間特征則著重描述地理實(shí)體時(shí)間尺度和時(shí)態(tài)關(guān)系 [1 ] 。然而 ,國內(nèi)外大多數(shù)的 GIS在本質(zhì)上均屬靜態(tài) GIS ,難以有效地描述和表達(dá)空間實(shí)體及其相互關(guān)系的時(shí)空變化。為了解決這一問題 ,許多學(xué)者開始研究和發(fā)展能夠用于描述和表達(dá)時(shí)空變化的 GIS ,即時(shí)態(tài)GIS ( Temporal GIS, T GIS) 。TGIS 作為當(dāng)前 GIS研究的一個(gè)

11、難點(diǎn) ,不僅是 GIS 理論發(fā)展的需要 ,也是 GIS實(shí)際應(yīng)用的需求 ,同時(shí)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也為其研究提供了有利條件。矢量數(shù)據(jù)具有表示地理數(shù)據(jù)的精度較高、 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊、 冗余度低、 有利于網(wǎng)絡(luò)和檢索分析等優(yōu)點(diǎn)。而且它是面向目標(biāo)的 ,不僅能表達(dá)屬性編碼 ,而且能方便地記錄每個(gè)目標(biāo)的具體屬性描述信息。因此 ,將時(shí)態(tài)信息同個(gè)體特征關(guān)聯(lián)能方便跟蹤和比較個(gè)體特征的時(shí)空變化 ,目前絕大部分 T GIS 的研究都是基于矢量數(shù)據(jù)。但是由于矢量數(shù)據(jù)本身數(shù)

12、據(jù)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 ,如果再考慮時(shí)間 ,那么空間、 屬性、 時(shí)態(tài)三者之間的關(guān)系和結(jié)構(gòu)組織就更加復(fù)雜。加之在應(yīng):2009 0 2: 042 0 4200: 1978 - .在關(guān)系型方法中 ,根據(jù)其擴(kuò)充時(shí)態(tài)性所基于的不同級別 ,可分為關(guān)系級方法、 元組級方法和屬性級方法。從數(shù)據(jù)庫冗余考慮 ,顯然 ,第 3 種方式最為理想。但是 ,由于該方式要求在 1 個(gè)屬性字段中存放多個(gè)屬性值 ,違背傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的第一范式的要求。因此 ,過去的許多研究均集

13、中在第 2 種方式上 [ 4] 。L um 等提出了一種稱作鏈?zhǔn)皆M級 T GIS的實(shí)現(xiàn)方法 ,工作原理是由 2 個(gè)關(guān)系而不是 1 個(gè)關(guān)系來表示時(shí)態(tài)實(shí)體:第 1 個(gè)關(guān)系只存貯當(dāng)前狀態(tài) ,每當(dāng)事件發(fā)生時(shí)便更新 ;第 2 個(gè)關(guān)系以鏈?zhǔn)奖４嫠袣v史記錄。這樣在相關(guān)的記錄間建立了簡單的便利存取路徑 ,提高了效率 ,而且刪除記錄也非常容易[ 5] 。本文就采用改進(jìn)的第 2 種方式 ,對象現(xiàn)狀/ 歷史分離、 空間/ 屬性分離 ,分別存在不同關(guān)系表中

14、。1. 4. 2 空間 — 時(shí)間數(shù)據(jù)組織時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系是一種非常復(fù)雜的關(guān)系。迄今為止 ,人們對這種時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的機(jī)理和規(guī)律的認(rèn)識尚不清楚 ,對其描述和表達(dá)方法的研究亦未真正開始 [ 6] 。金培權(quán)等把現(xiàn)實(shí)世界中時(shí)空實(shí)體之間關(guān)系分為兩種[7 ] : ① 靜態(tài)時(shí)空關(guān)系 ,即某個(gè)特定時(shí)刻時(shí)空對象之間的空間拓?fù)潢P(guān)系。靜態(tài)時(shí)空關(guān)系表達(dá)了時(shí)空信息的靜態(tài)語義 ,它通過將時(shí)空對象投影到時(shí)間維上得到時(shí)空對象在某個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)以及與其它時(shí)空對象的空間拓?fù)潢P(guān)

15、系 ,即可通過時(shí)空數(shù)據(jù)類型在特定時(shí)刻的空間拓?fù)潢P(guān)系操作來表達(dá)。② 動(dòng)態(tài)時(shí)空關(guān)系 ,即時(shí)空對象與時(shí)空對象沿時(shí)間軸方向發(fā)生的關(guān)聯(lián) ,如一個(gè)地理對象 A 與另一個(gè)地理對象B 在 t 時(shí)刻合并為對象 C ,然后對象 C 又在時(shí)刻 t′ ( t′ > t) 分裂為對象D 和對象 E。動(dòng)態(tài)時(shí)空關(guān)系是一個(gè)時(shí)空對象沿時(shí)間軸與其它時(shí)空對象發(fā)生的聯(lián)系。動(dòng)態(tài)時(shí)空關(guān)系表達(dá)了時(shí)空信息的動(dòng)態(tài)語義 ,它表達(dá)了時(shí)空對象之間的演變過程。由于 T GIS 中要經(jīng)常更

16、新數(shù)據(jù) ,而拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型缺點(diǎn)是局部更新困難 ,數(shù)據(jù)難以維護(hù)與修改。同時(shí) ,龔健雅認(rèn)為在拓?fù)鋽?shù)據(jù)中考慮時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)是極為復(fù)雜和效率低下的 [ 8 ] 。文獻(xiàn)[ 7 ]采用隱式表達(dá)靜態(tài)時(shí)空關(guān)系 ,文獻(xiàn)[9 ]也用無拓?fù)鋽?shù)據(jù)構(gòu)建 T GIS。因此 ,也采用無拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型描述靜態(tài)時(shí)空關(guān)系 ,需要拓?fù)潢P(guān)系時(shí)可以通過臨時(shí)來構(gòu)建 ,數(shù)據(jù)庫中并不顯示記錄拓?fù)潢P(guān)系。動(dòng)態(tài)時(shí)空關(guān)系的表示不能采取靜態(tài)時(shí)空關(guān)系的隱式表示方法。這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)時(shí)空關(guān)系不僅要指明一個(gè)時(shí)空對

17、象從哪些時(shí)空對象演變而來 ,最終演變成哪些時(shí)空對象 ,而且還要指出這種演變是以什么方式進(jìn)行的。這些信息無法直接從時(shí)空對象的時(shí)空數(shù)據(jù)中計(jì)算得到。因而 ,在離散變化中基于事件表來記錄這種動(dòng)態(tài)時(shí)空關(guān)系 ,而連續(xù)變化則不考慮這種動(dòng)態(tài)時(shí)空關(guān)系。2 矢量時(shí)空數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2. 1 時(shí)態(tài)層關(guān)系表組成時(shí)態(tài)層采用無拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型組織時(shí)空數(shù)據(jù) ,數(shù)據(jù)庫中并不顯示記錄拓?fù)潢P(guān)系 ,需要拓?fù)潢P(guān)系時(shí)可以通過臨時(shí)來構(gòu)建?，F(xiàn)狀/ 歷史數(shù)據(jù)分別存儲在現(xiàn)狀表和歷史表

18、中 ,幾何相關(guān)屬性和與幾何不相關(guān)屬性分別存儲在空間表和屬性表中。如果將空間實(shí)體分為點(diǎn)、 線、 面 3 種類型 ,再考慮實(shí)體空間、 屬性變化歸類為離散變化和連續(xù)變化 ,時(shí)態(tài)層劃分為 12 種類型 ,其具體關(guān)系表組成見表 1。表 1 層類型及其關(guān)系表組成層 類 型 組 成 關(guān) 系 表點(diǎn)要素/ 空間離散/ 屬性離散變化層 點(diǎn)要素_現(xiàn)狀_空間表 點(diǎn)要素_現(xiàn)狀_屬性表點(diǎn)要素_歷史_離散_空間表 點(diǎn)要素_歷史_離散_屬性表

19、點(diǎn)要素_事件表線要素/ 空間離散/ 屬性離散變化層 線要素_現(xiàn)狀_空間表 線要素_現(xiàn)狀_屬性表線要素_歷史_離散_空間表 線要素_歷史_離散_屬性表 線要素_事件表面要素/ 空間離散/ 屬性離散變化層 面要素_現(xiàn)狀_空間表 面要素_現(xiàn)狀_屬性表面要素_歷史_離散_空間表 面要素_歷史_離散_屬性表 面要素_事件表點(diǎn)要素/ 空間離散/ 屬性連續(xù)變化層 點(diǎn)要素_現(xiàn)狀_空間表 點(diǎn)要素_現(xiàn)狀_

20、屬性表點(diǎn)要素_歷史_離散_空間表 點(diǎn)要素_歷史_連續(xù)_屬性表 點(diǎn)要素_事件表線要素/ 空間離散/ 屬性連續(xù)變化層 線要素_現(xiàn)狀_空間表 線要素_現(xiàn)狀_屬性表線要素_歷史_離散_空間表 線要素_歷史_連續(xù)_屬性表 線要素_事件表面要素 空間離散 屬性連續(xù)變化層 面要素_現(xiàn)狀_空間表 面要素_現(xiàn)狀_屬性表面要素_歷史_離散_空間表 面要素_歷史_連續(xù)_屬性表 面要素_事件表· 6 2