gis中矢量時空數(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 空 數(shù) 據(jù) 組 織 策 略吳正升 ,郭 健 ,劉松林(信息工程大學 測繪學院 ,河南 鄭州 450

2、052)摘 要 :時態(tài) GIS作為 GIS理論和技術研究前沿領域的一個難點問題越來越被重視。從實用角度出發(fā) ,提出矢量時空數(shù)據(jù)組織策略 ,包括 :時間精確到秒 ,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 ;時間標記在元組級上 ,空間數(shù)據(jù)采用非拓撲數(shù)據(jù)模型。在此基礎上 ,將矢量時態(tài)層劃分 12 種類型 ,詳細設計其關系表組成和具體表結構 。最后 ,設計和開發(fā)

3、相應的實驗系統(tǒng) ,并以圖斑數(shù)據(jù)和車輛軌跡數(shù)據(jù)為例驗證相關策略的可行性。關鍵詞 :時態(tài) GIS;時空數(shù)據(jù)庫 ;時空數(shù)據(jù)模型;組織策略中圖分類號 : P208 文獻標志碼: 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基金項目 河南省重大重點科技攻關項目( 3 3 ) 作者簡介 吳正升( ) ,男,博士研究生空間、 屬性、 時間是地理現(xiàn)象的 3 個基本特征或GIS 數(shù)據(jù)庫的 3 種基本數(shù)據(jù)成分。空間特征

10、著重描述地理實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體的質(zhì)量和數(shù)量信息 ,而時間特征則著重描述地理實體時間尺度和時態(tài)關系 [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空間實體及其相互關系的時空變化。為了解決這一問題 ,許多學者開始研究和發(fā)展能夠用于描述和表達時空變化的 GIS ,即時態(tài)GIS ( Temporal GIS, T GIS) 。TGIS 作為當前 GIS研究的一個

11、難點 ,不僅是 GIS 理論發(fā)展的需要 ,也是 GIS實際應用的需求 ,同時相關技術的發(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)結構緊湊、 冗余度低、 有利于網(wǎng)絡和檢索分析等優(yōu)點。而且它是面向目標的 ,不僅能表達屬性編碼 ,而且能方便地記錄每個目標的具體屬性描述信息。因此 ,將時態(tài)信息同個體特征關聯(lián)能方便跟蹤和比較個體特征的時空變化 ,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)結構比較復雜 ,如果再考慮時間 ,那么空間、 屬性、 時態(tài)三者之間的關系和結構組織就更加復雜。加之在應:2009 0 2: 042 0 4200: 1978 - .在關系型方法中 ,根據(jù)其擴充時態(tài)性所基于的不同級別 ,可分為關系級方法、 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 個屬性字段中存放多個屬性值 ,違背傳統(tǒng)關系型數(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式元組級 T GIS的實現(xiàn)方法 ,工作原理是由 2 個關系而不是 1 個關系來表示時態(tài)實體:第 1 個關系只存貯當前狀態(tài) ,每當事件發(fā)生時便更新 ;第 2 個關系以鏈式保存所有歷史記錄。這樣在相關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 ,分別存在不同關系表中

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

15、系 ,即可通過時空數(shù)據(jù)類型在特定時刻的空間拓撲關系操作來表達。② 動態(tài)時空關系 ,即時空對象與時空對象沿時間軸方向發(fā)生的關聯(lián) ,如一個地理對象 A 與另一個地理對象B 在 t 時刻合并為對象 C ,然后對象 C 又在時刻 t′ ( t′ > t) 分裂為對象D 和對象 E。動態(tài)時空關系是一個時空對象沿時間軸與其它時空對象發(fā)生的聯(lián)系。動態(tài)時空關系表達了時空信息的動態(tài)語義 ,它表達了時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) ,而拓撲數(shù)據(jù)模型缺點是局部更新困難 ,數(shù)據(jù)難以維護與修改。同時 ,龔健雅認為在拓撲數(shù)據(jù)中考慮時態(tài)數(shù)據(jù)是極為復雜和效率低下的 [ 8 ] 。文獻[ 7 ]采用隱式表達靜態(tài)時空關系 ,文獻[9 ]也用無拓撲數(shù)據(jù)構建 T GIS。因此 ,也采用無拓撲數(shù)據(jù)模型描述靜態(tài)時空關系 ,需要拓撲關系時可以通過臨時來構建 ,數(shù)據(jù)庫中并不顯示記錄拓撲關系。動態(tài)時空關系的表示不能采取靜態(tài)時空關系的隱式表示方法。這是因為動態(tài)時空關系不僅要指明一個時空對

17、象從哪些時空對象演變而來 ,最終演變成哪些時空對象 ,而且還要指出這種演變是以什么方式進行的。這些信息無法直接從時空對象的時空數(shù)據(jù)中計算得到。因而 ,在離散變化中基于事件表來記錄這種動態(tài)時空關系 ,而連續(xù)變化則不考慮這種動態(tài)時空關系。2 矢量時空數(shù)據(jù)庫結構設計2. 1 時態(tài)層關系表組成時態(tài)層采用無拓撲數(shù)據(jù)模型組織時空數(shù)據(jù) ,數(shù)據(jù)庫中并不顯示記錄拓撲關系 ,需要拓撲關系時可以通過臨時來構建。現(xiàn)狀/ 歷史數(shù)據(jù)分別存儲在現(xiàn)狀表和歷史表

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

19、點要素_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_事件表點要素/ 空間離散/ 屬性連續(xù)變化層 點要素_現(xiàn)狀_空間表 點要素_現(xiàn)狀_

20、屬性表點要素_歷史_離散_空間表 點要素_歷史_連續(xù)_屬性表 點要素_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