時態GIS是建立在時態資料庫、GIS、人工智慧等基礎上的一種綜合型套用性技術，其研究對象是時空世界中遵循著誕生、成長、生存，直至死亡等自然規律的事物和現象的時空信息。雖然時空GIS在理論和實踐等環節的研究還不十分成熟，但它是未來GIS發展的一個必然趨勢。
基本介紹
- 中文名：時態GIS
- 性質：一種綜合型套用性技術
- 建立基礎：時態資料庫、GIS、人工智慧等
- 含義：現實世界是隨時間連續變化的
簡介,研究概況,資料庫,初探,
簡介
對多時態及時空資料庫，以動態的方式來描述目標對象的時空過程。
時態GIS 是GIS 一個新興的研究領域,目前仍處於理論與模型的研究階段。文章總結了時態GIS 的研究現狀,介紹了時間資料庫與時空資料庫的概念以及類型。在已有的研究成果基礎上,歸納出了時態GIS 的主要功能,應包括輸入、存儲、編輯和更新,時空資料庫管理,查詢和檢索,時空分析,顯示和輸出等功能模組。並提出了基於傳統GIS 解決時間方面問題的一些思路。
研究概況
GIS 所描述的現實世界是隨時間連續變化的。傳統的無時間概念的GIS 中的數據,只能是現實世界在某個時刻的“快照”。當被描述的對象隨時間變化比較緩慢且變化的歷史過程無關緊要時,可以用“數據更新”的方式來處理時間變化的影響。然而,在某些套用中,被描述的對象隨時間變化很快(例如雲量變化、日照變化等) 或者歷史數據也必須予以保存(例如,地籍變更、海岸線變化、環境變化等) 。又比如,地球科學家想對某一時刻的所有地質條件或某一時間段內的平均地質條件進行評價,他們是否能容易地獲得在“A 時刻的值”或“從時間B 到時間C 這段時間內的值”。為充分滿足地球科學家的需要,這種時間數據獲取能力應該與3D 模型相結合。許多人認為地質特徵是不變的,但實際上大部分地質特徵是動態的、變化的,不是所有地質情況都是變化緩慢的,水災、地震、暴風雨以及滑坡都會使局部地質條件發生快速而巨大的變化。地質學家對4D(立體3D 加上時間第4D) 的空間- 時間模型尤感興趣。在這些情況下,時間就必須作為一個與空間同等重要的因素引入到GIS 中來,這樣便產生了時態GIS( TGIS - Temporal GIS) 或四維GIS 的概念。
時態GIS 或四維GIS 就是要在GIS 中考慮時間變化的概念,是指在原有的三維GIS 基礎上加入時間變數而構成的GIS[8 ] 。其關鍵問題是建立合適的時間與空間聯合的數據模型- 時空數據模型。Langran 作了TGIS 方面最早的博士論文[9 ] ,Lan2gran ( 1989 , 1993) [9～10 ] 、Worboys ( 1994) [11 ] 、Raper等(1995) [12 ] 、Donna (1995) [13 ]等分別提出和討論了快照方式、複合方式和事件方式等來進行時態數據結構和資料庫的設計並在時間和空間推理方面展開了研究,Raper 等(1995) [12 ]還設計了時空資料庫查詢語言。1996 年UCGIS(University C**ortium forGeographic Information Science ) 將TGIS 作為“地理描述擴展”的一部分列入GISci 十大優先研究領域之列[14 ] 。TGIS 在國內外吸引了越來越多的學者進行深入研究。
當前主要的TGIS 模型包括,空間- 時間立方體模型( the space - time cube) ,序列快照模型
( se2quent snapshot s) ,基圖修正模型( base state with a2mendment s) ,空間- 時間組合體模型( space - timecomposite) 。TGIS 的研究重點主要在,時空資料庫模型(如何設計並建立一個有效的資料庫結構來存儲時空數據) ,時空分析和推理(即如何根據資料庫中的大量的時間序列數據和空間數據進行包括時間推理和空間推理在內的數據分析) ,時空資料庫管理系統(目前主要研究的是時空資料庫查詢語言,而真正資料庫管理系統層次的研究很少) ,時空數據的可視化研究(探討不同時間數據的顯示、製圖和符號化) 等4 個方面。其中有關時空資料庫模型的研究比較深入,而對時態的可視化問題,研究較少,過去一般藉助軌跡線等方法描述地理數據的時態特徵,現在的研究是向藉助動畫技術表述地理數據時間維的方向發展[15 ] 。
資料庫
時態GIS 的關鍵是時空資料庫模型,時空資料庫是包括時間和空間要素在內的資料庫系統,其建立依賴於時間的表示方法,目前的研究結果主要有全局狀態標記(快照法) 、元組時間標記法和同步數據項時間標記法等幾種方法。時間的表達並不是時態GIS 的目標,時態GIS 強調的是利用時空分析的工具和技術來模擬動態過程[16 ] ,探究和挖掘隱含於時空數據中的信息和規律,因此必須建立規範化的時空數據模型,而關於規範化時空數據模型的建立方法,目前還處在探索階段。
初探
時間的引入使GIS 的信息量大大增加,並增加了資料庫管理的複雜性,傳統GIS 已不能勝任,必須建設新的時態GIS ,而時態GIS 系統的關鍵是時空資料庫的建設及時空資料庫的管理,而這些與時空數據模型有關,目前仍是研究的重點。本文在總結已有研究成果的基礎上,擬在此初步歸納出時態GIS 應具有的主要功能,尤其是在時間方面的主要功能,並提出在時態GIS 尚不成熟條件下,基於傳統GIS 解決時間方面問題的某些思路,以供探討。
時態GIS 的主要功能模組應包括輸入、存儲、編輯和更新模組,時空資料庫管理模組,查詢和檢索模組,時空分析模組,顯示和輸出模組等模組。其中時空資料庫管理和時空分析模組是時態GIS 所特有的功能,其餘模組雖然在傳統GIS 系統中也是具備的,但是在時態GIS 中也有其新的要求。
時空資料庫管理模組應提供時空資料庫的定義、時空資料庫的基本操作(包括複製、刪除等一般資料庫操作) 及數據交換(包括與其他資料庫、傳統GIS 資料庫及其他時空資料庫的數據交換) 功能。其中時空資料庫的定義與時空數據模型有關,一個合理的時空數據模型必須考慮節省存貯空間,加快存取、查詢、分析的回響速度以及表現時空語義幾個方面的因素,目前尚處於研究階段。因此在目前條件下,要解決時態問題,可以在傳統GIS 中引入時間概念,建立層次模型的數據結構(即時空數據結構) ,基於層次模型的數據結構進行數據的存取、訪問、查詢和分析。
空間分析是傳統GIS 的核心,而時空分析是時態GIS 的核心。時空分析模組應包括時空數據的分類、時間量測、基於時間的平滑和綜合、變化的統計分析、時空疊加、時間序列分析以及預測分析等[6 ] 。時空數據的分類指對時空數據根據不同的分類體系進行重組,派生新的數據。時間量測指計算並顯示歷史數據的時間。基於時間的空間數據的平滑和綜合中平滑是根據對象在不同的時間的不同狀態推測對象的中間狀態,綜合是根據一定的時間綜合原則對空間數據進行合併。變化的統計分析指根據時空數據對變化的速度、頻率、範圍等進行多種統計分析。時空疊加分析是將不同時間的空間對象疊加在一起,主要包括,事件與事件的疊加、狀態與狀態的疊加、事件和狀態的疊加。時間序列分析指對一個對象根據時間序列進行空間上的排列,這種分析主要針對同一個對象不能同時在不同的位置的現象。預測分析是一種基於多種數據運用數學模型根據某種目的進行推理的一種綜合分析,如礦產資源的預測等。
輸入、存儲、編輯和更新模組是傳統GIS 系統中也具備的模組,但是在時態GIS 中,該模組除能對常規GIS 數據進行輸入、存儲、編輯和更新外,還應能處理時態數據,包括歷史數據和預測數據。在層次模型的數據結構基礎上,一種直觀的數據存儲方案是將不同時期的數據分別作為一個數據層來進行存儲,目前已有部分傳統GIS 採用了這種方法。當數據層次較少時,該方法不失為一種有效的選擇,但是如果數據層次較多,比如數據需要每天更新,則這種方法就不現實了。此時可以考慮採用時間標記法建立時空數據結構,記錄地理要素的創立時間和消失時間,時空數據的更新則包括舊數據的保存和新數據的加入,舊數據的保存可以通過給數據記錄添加消失時間來實現,而新數據的加入則可以通過在數據檔案中添加新的數據記錄並記錄創立時間來實現。
查詢和檢索模組應具備屬性查詢、空間查詢、時間查詢以及聯合查詢功能。其中屬性查詢、空間查詢以及聯合查詢在傳統GIS 中已相當成熟,時態GIS 中需增加的是時間查詢及與其它查詢的聯合查詢,這需要增加時間查詢操作符,應包括時間連線操作、時間拓撲關係操作、時間距離操作、時空拓撲關係操作等查詢操作符。如上所述,可以在傳統GIS基礎上,基於層次模型的數據結構進行與時間有關的查詢和檢索。
顯示和輸出模組應能實現動畫顯示、不同符號和顏色顯示、立體顯示以及輸出。有效地顯示並輸出時空數據是時態GIS 套用成果的具體表現形式,如礦產預測套用領域的結果輸出等。
