时态GIS

GIS所描述的现实世界是随时间连续变化的。传统的无时间概念的GIS中的数据,只能是现实世界在某个时刻的“快照”。当被描述的对象随时间变化比较缓慢且变化的历史过程无关紧要时,可以用“数据更新”的方式来处理时间变化的影响。然而,在某些应用中,被描述的对象随时间变化很快(例如云量变化、日照变化等)或者历史数据也必须予以保存(例如,地籍变更、海岸线变化、环境变化等)。又比如,地球科学家想对某一时刻的所有地质条件或某一时间段内的平均地质条件进行评价,他们是否能容易地获得在“A时刻的值”或“从时间B到时间C这段时间内的值”。为充分满足地球科学家的需要,这种时间数据获取能力应该与3D模型相结合。许多人认为地质特征是不变的,但实际上大部分地质特征是动态的、变化的,不是所有地质情况都是变化缓慢的,水灾、地震、暴风雨以及滑坡都会使局部地质条件发生快速而巨大的变化。地质学家对4D(立体3D加上时间第4D)的空间-时间模型尤感兴趣。在这些情况下,时间就必须作为一个与空间同等重要的因素引入到GIS中来,这样便产生了时态GIS(TGIS-TemporalGIS)或四维GIS的概念。

时态GIS或四维GIS就是要在GIS中考虑时间变化的概念,是指在原有的三维GIS基础上加入时间变量而构成的GIS。其关键问题是建立合适的时间与空间联合的数据模型-时空数据模型。Langran作了TGIS方面最早的博士论文,Lan2gran(1989,1993)[9～10]、Worboys(1994)、Raper等(1995)、Donna(1995)等分别提出和讨论了快照方式、复合方式和事件方式等来进行时态数据结构和数据库的设计并在时间和空间推理方面展开了研究,Raper等(1995)还设计了时空数据库查询语言。1996年UCGIS(UniversityC**ortiumforGeographicInformationScience)将TGIS作为“地理描述扩展”的一部分列入GISci十大优先研究领域之列。TGIS在国内外吸引了越来越多的学者进行深入研究。

当前主要的TGIS模型包括,空间-时间立方体模型(thespace-timecube),序列快照模型

(se2quentsnapshots),基图修正模型(basestatewitha2mendments),空间-时间组合体模型(space-timecomposite)。TGIS的研究重点主要在,时空数据库模型(如何设计并建立一个有效的数据库结构来存储时空数据),时空分析和推理(即如何根据数据库中的大量的时间序列数据和空间数据进行包括时间推理和空间推理在内的数据分析),时空数据库管理系统(目前主要研究的是时空数据库查询语言,而真正数据库管理系统层次的研究很少),时空数据的可视化研究(探讨不同时间数据的显示、制图和符号化)等4个方面。其中有关时空数据库模型的研究比较深入,而对时态的可视化问题,研究较少,过去一般借助轨迹线等方法描述地理数据的时态特征,现在的研究是向借助动画技术表述地理数据时间维的方向发展。

时态GIS的关键是时空数据库模型,时空数据库是包括时间和空间要素在内的数据库系统,其建立依赖于时间的表示方法,目前的研究结果主要有全局状态标记(快照法)、元组时间标记法和同步数据项时间标记法等几种方法。时间的表达并不是时态GIS的目标,时态GIS强调的是利用时空分析的工具和技术来模拟动态过程,探究和挖掘隐含于时空数据中的信息和规律,因此必须建立规范化的时空数据模型,而关于规范化时空数据模型的建立方法,目前还处在探索阶段。

时间的引入使GIS的信息量大大增加,并增加了数据库管理的复杂性,传统GIS已不能胜任,必须建设新的时态GIS,而时态GIS系统的关键是时空数据库的建设及时空数据库的管理,而这些与时空数据模型有关,目前仍是研究的重点。本文在总结已有研究成果的基础上,拟在此初步归纳出时态GIS应具有的主要功能,尤其是在时间方面的主要功能,并提出在时态GIS尚不成熟条件下,基于传统GIS解决时间方面问题的某些思路,以供探讨。

时态GIS的主要功能模块应包括输入、存储、编辑和更新模块,时空数据库管理模块,查询和检索模块,时空分析模块,显示和输出模块等模块。其中时空数据库管理和时空分析模块是时态GIS所特有的功能,其余模块虽然在传统GIS系统中也是具备的,但是在时态GIS中也有其新的要求。

时空数据库管理模块应提供时空数据库的定义、时空数据库的基本操作(包括复制、删除等一般数据库操作)及数据交换(包括与其他数据库、传统GIS数据库及其他时空数据库的数据交换)功能。其中时空数据库的定义与时空数据模型有关,一个合理的时空数据模型必须考虑节省存贮空间,加快存取、查询、分析的响应速度以及表现时空语义几个方面的因素,目前尚处于研究阶段。因此在目前条件下,要解决时态问题,可以在传统GIS中引入时间概念,建立层次模型的数据结构(即时空数据结构),基于层次模型的数据结构进行数据的存取、访问、查询和分析。

空间分析是传统GIS的核心,而时空分析是时态GIS的核心。时空分析模块应包括时空数据的分类、时间量测、基于时间的平滑和综合、变化的统计分析、时空叠加、时间序列分析以及预测分析等。时空数据的分类指对时空数据根据不同的分类体系进行重组,派生新的数据。时间量测指计算并显示历史数据的时间。基于时间的空间数据的平滑和综合中平滑是根据对象在不同的时间的不同状态推测对象的中间状态,综合是根据一定的时间综合原则对空间数据进行合并。变化的统计分析指根据时空数据对变化的速度、频率、范围等进行多种统计分析。时空叠加分析是将不同时间的空间对象叠加在一起,主要包括,事件与事件的叠加、状态与状态的叠加、事件和状态的叠加。时间序列分析指对一个对象根据时间序列进行空间上的排列,这种分析主要针对同一个对象不能同时在不同的位置的现象。预测分析是一种基于多种数据运用数学模型根据某种目的进行推理的一种综合分析,如矿产资源的预测等。

输入、存储、编辑和更新模块是传统GIS系统中也具备的模块,但是在时态GIS中,该模块除能对常规GIS数据进行输入、存储、编辑和更新外,还应能处理时态数据,包括历史数据和预测数据。在层次模型的数据结构基础上,一种直观的数据存储方案是将不同时期的数据分别作为一个数据层来进行存储,目前已有部分传统GIS采用了这种方法。当数据层次较少时,该方法不失为一种有效的选择,但是如果数据层次较多,比如数据需要每天更新,则这种方法就不现实了。此时可以考虑采用时间标记法建立时空数据结构,记录地理要素的创立时间和消失时间,时空数据的更新则包括旧数据的保存和新数据的加入,旧数据的保存可以通过给数据记录添加消失时间来实现,而新数据的加入则可以通过在数据文件中添加新的数据记录并记录创立时间来实现。

查询和检索模块应具备属性查询、空间查询、时间查询以及联合查询功能。其中属性查询、空间查询以及联合查询在传统GIS中已相当成熟,时态GIS中需增加的是时间查询及与其它查询的联合查询,这需要增加时间查询操作符,应包括时间连接操作、时间拓扑关系操作、时间距离操作、时空拓扑关系操作等查询操作符。如上所述,可以在传统GIS基础上,基于层次模型的数据结构进行与时间有关的查询和检索。显示和输出模块应能实现动画显示、不同符号和颜色显示、立体显示以及输出。有效地显示并输出时空数据是时态GIS应用成果的具体表现形式,如矿产预测应用领域的结果输出等。