基本介紹
- 中文名：時態地理信息系統
- 外文名：Temporal Geographic InformationSystem
- 目的：管理和分析動態變化的地理現象
- 研究現狀：序列快照方式
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什麼是TGIS
TGIS==Temporal Geographic InformationSystem（時態地理信息系統）
TGIS==Travel GeographicInformation System（旅遊地理信息系統）
TGIS==Transportation GeographicInformation Systems（交通地理信息系統）
時態地理信息系統研究現狀
TGIS(Spatial-Temporal GIS)是GIS的一個重要分支,也是GIS的必然發展趨勢。傳統的GIS考慮的是靜態數據的處理，比如：地圖資料，遙感呈像等。而對於他所處理的對象，是隨時隨地發生變化的，也就是說是動態的空間數據；要在原來的空間數據域的基礎上加上時間域，使得原本海量數據的基礎上，呈N 倍增長，當時間片很小時，N趨近無窮大。這樣一個超海量的數據，如何存儲？如何查詢？如何分析？成為計算機專家和地理信息專家所面臨的重要難題。
Langran在1989 年提出並討論了序列快照方式(sequent snapshots),其基本思想是記錄當前數據狀態，數據更新後，舊數據的變化值不再保留，即“忘記”了過去的狀態。連續快照模型是將一系列時間片段快照保存起來，反映整個空間特徵的狀態，根據需要對指定時間片段的現實片段進行播放。由於快照將未發生變化的所有特徵重複進行存儲，會產生大量的數據冗餘，當套用模型變化頻繁、且數據量較大時，系統效率急劇下降。此外，連續快照模型不表達單一的時空對象，較難處理時空對象間的時態關係。序列快照模型和G I S 分類中的模擬G I S（analog GIS）一樣,只是一種概念上的模型，不具備實用的開發價值。
Worboys 在1994 年引出了複合時空方式(space-time composite),其思想是將空間分隔成具有相同時空過程的最大的公共時空單元，每次時空對象的變化都將在整個空間內產生一個新的對象。對象把在整個空間內的變化部分作為它的空間屬性，變化部分的歷史作為它的時態屬性。時空單元中的時空過程可用關係表來表達，若時空單元分裂時，用新增的元組來反映新增的空間單元，時空過程每變化一次，採用關係表中新增
一列的時間段來表達，從而達到用靜態的屬性表表達動態的時空變化過程的目的；但在資料庫中對象標識符的修改比較複雜，涉及的關係鏈層次很多，必須對標識符逐一進行回退修改。該模型只考慮空間變化，沒有考慮屬性的變化。
Donna也在1995 年對基於事件的時空數據模型進行了分析（ESTDM）。該模型以時間順序來組織發生在特定地理位置上的變化。E S T D M用若干組件（component)子結構來表示每個事件所對應的變化，每個組件包含兩元素：表示新值的組件描述器，以及位置元素的數組，即每個組件聚集了具有相同新屬性值的所有位置元素。但是，此模型中數據的輸入和檢索非常複雜。目前，這些研究還處於理論階段，數據模型各有利弊。現在基本成為一個技術“瓶頸”。尤其在海量數據的存取和查詢，還停留在理論階段。
時態地理信息系統研究方向
1.加深對時空語義的研究與理解
時空語義包括地理實體的空間結構、有效時間結構、屬性組成及實體間的空間關係、時態關係和時空關係等。不同領域和部門解決問題的側重點不同，對同一時空信息的語義也就有不同的理解，因而會存在語義分歧問題。時空數據建模的根本任務在於時間和空間語義建模。因此，在進行時空數據建模之前，應改變傳統的由靜態空間角度看問題的思維方式，從動態的時空角度去考慮問題。
2.時空數據模型的研究
時空數據模型(即如何設計並建立一個有效的資料庫結構來存儲時空數據)是TGIS的核心。它的好壞直接影響到時空查詢和分析的效率。在目前結構化的關係方法遇到困難的情況下．如何採用N1NF方法，實現關係方法和層次方法的高度融合，解決複雜結構對象的數據不定長或嵌套問題值得探討。同時，面向對象方法的提出也為TG1S的發展開闢了新的途徑。
3.時空資料庫的設計與研究
時空資料庫是不同歷史、不同尺度和不同維度的海量時空數據和非時空數據的集合。它是TGIS的核心組成部分。時空資料庫的研究在理論和實踐兩方而都還很不完善，國際上還沒有統一的查詢語言標準可遵循。因此，在特定的時空數據模型框架下，為確保對時空數據的組織、存儲和提取，開發高效的時空資料庫管理系統是一項長期的基礎性工作。
4.TGIS 的查詢語言的開發
時空信息的查詢和分析是用戶對TGIS的最基本需求。時空查詢效率的高低直接決定著TGIS的套用效果。結合時空信息的查詢特點從而開發實用的TGIS查詢語言是未來的一個發展方向。
5.時空動態模擬與推理
TGIS在傳統GIS的空間基礎上增加了時間維度，使原來靜態離散式的“快照”轉換為動態連續過程跟蹤。不僅可以描述和表達時空地理實體的狀態，而且可以反演其空間動態運動變換規律。因此進行時空模擬與推理是TGIS的一個重要組成部分。
6.時空數據的可視化研究
可視化是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像在螢幕上顯示出來，並進行互動處理的理論、方法和技術。它主要研究人和計算機怎樣協調一致地感受、使用和傳輸視覺信息。因此，時空數據的可視化表達除了能實現傳統GIS中對某時刻空間實體的分布和形狀進行表達外，還應能用計算機以動畫的形式對地理實體各時刻的狀態或屬性按照演化過程進行空間動態模擬。
旅遊地理信息系統
旅遊地理信息系統簡介
旅遊與地理信息相關性極強,GIS 中如圖形、區域景觀資源信息、交通路線等諸多要素與旅遊密切相關。GIS支撐下的旅遊信息系統與一般旅遊信息系統相比,可以完成一些特殊功能,如圖形分析、空間數據綜合處理、分析等功能。藉助於GIS 強大的空間數據的檢索功能,既可以從系統中查出所需的屬性信息,還可以直觀地以圖形式看到信息實體的分布,為管理和決策者掌握旅遊資源的空間布局、實時動態變化、最佳線徑選擇以及最佳景組合方案等提供科學的依據。
TGIS在旅遊管理中的套用
目前,GIS 在旅遊管理和開發中的套用主要有以下三個方面:1. 旅遊的信息查詢。周到的信息服務是讓遊客滿
意的主要途徑。GIS 可以為遊客提供各種關於旅遊景點的信息。如多媒體導遊系統、旅遊信息網站等都是圖、文、聲一體化的查詢系統。同時,系統資料庫中還包含了遊客、旅行社及賓館飯店等旅遊服務部門關心的各種旅遊地圖、圖片、文字統計資料等較全面的旅遊信息,通過這些信息,旅遊服務部門可以了解到客源、客流量、旅遊消費情況等,以便及時安排旅遊路線、制定服務設施規模等。同時,對於景區管理部門來講,也可以通過這些信息了解景區現狀,以掌握景區開發進度。2. 旅遊專題地圖的製作。GIS 的一大特色就是具有強大的圖形和文本編輯功能,以及實時方便的資料庫更新和維護。GIS 中圖形數據採取分層存儲的,因此它既可以回響用戶要求輸出全要素圖,也可以套用戶要求分層或疊加輸出各種專題地圖。3. 輔助旅遊開發決策。GIS 的空間分析功能在旅遊開發決策中也有很好的套用。利用GIS 的拓撲疊加功能,通過對環境層與旅遊資源評價圖的疊加,可以分析優先發展區域;利用GIS 的網路分析功能,可以進行旅遊線路布局;利用GIS 的緩衝區分析功能,可以確定風景區的保護區域、發展潛力等。
GIS 技術在旅遊領域的套用是旅遊業發展的需要,旅遊業的發展既需要自身的信息交流與管理,也需要融入到全社會的經濟信息與技術發展中來。未來採用CPS 結構將本系統與網際網路結合起來,進一步發展網上TGIS。GIS 和Internet GIS 的結合在TGIS 的空間布局、數據共享和傳輸等方面將具有更為廣闊的發展和套用前景。
交通地理信息系統
交通地理信息系統的概念
交通地理信息系統TGIS(Transportation GeographylnformationSystem)是GIS在勘測設計、規劃、管理等交通領域中的具體套用。GIS的基本思想是將地表信息按其特性進行分類，然後進行分層管理和分析。GIS實質上是一種空間資料庫管理系統。它除了具有一般資料庫系統的功能之外，如數據輸入、存儲、查詢和顯示等，還可進行空間查詢和空間分析。TGIS是收集、存儲、管理、綜合分析和處理空間信息和交通信息的計算機軟硬體系統。它是GIS技術在交通領域的延伸，是GIS與多種交通信息分析和處理技術的集成。
交通地理信息的主要功能
交通地理信息系統的主要功能有：基本功能 疊加功能 動態分段 地形分析 柵格顯示功能 路徑最佳化功能
基本功能用於編輯、顯示和測量圖層，主要包括對空間和屬性數據的輸入、存儲、編輯，以及製圖和空間分析等功能。編輯功能允許用戶添加和刪除點、線、面或改變它們的屬性，綜合製圖功能可以靈活多樣的製作和顯示地圖，分層輸出專題地圖，如交通規劃圖、國道圖等，顯示地理要素、技術數據，並可放大縮小以顯示不同的細節層次。測量功能用於測定地圖上線段的長度或指定區域的面積。
疊加功能允許兩幅或更多圖層在空間上比較地圖要素和屬性，分為合成疊加和統計疊加。合成疊加得到一個新圖層，它將顯示原圖層的全部特徵，交叉的特徵區域僅顯示共同特徵；統計疊加的目的是統計一種要素在另一種要素中的分布特徵。
動態分段功能將地圖網路中的連線根據其屬性將特徵相近的連線分段。分段是動態進行的，因為它與當前連線的屬性相對應，如果屬性改變了，動態分段將創建一組新的分段。
動態分段引入TGIS的軟體是為了分析以線為基礎的運輸系統的屬性，如路面管理中，路網圖將以路面鋪裝採用瀝青或混凝土來“自動分段”，以便每種類型的路面含在同一個組中。如果因為需要採用路面類型和車道數這兩種屬性進行分段，那么每類路面中車道數相同的又自動形成一組。
地形分析功能主要通過數字地形模型（DTM），以離散分布的平麵點來模擬連續分布的地形，為道路設計創建一個三維地表模型，這在道路設計中是十分需要的。實際的道路設計採用另一軟體在導入GIS的三維地模後進行，然後設計的結果再導出到GIS中，以供將來的分析。
柵格顯示功能允許GIS包含圖片和其它影像，並可對這些圖片對應的屬性數據進行疊加分析，從而對圖層進行更新。如可以通過添加新特徵建築象橋樑和交叉口以及更正線型等，對原有的道路圖層進行更新。對帶狀（或多邊）圖層進行疊加可以標出土地的用途和其它屬性。
最短時間路徑分析模型在運輸需求模型中已經使用了很多年。集成化的TGIS將具有這一功能，而無須與其它軟體創建連結。當然隨著TGIS功能的完善，將來與其它軟體如運輸需求規劃模型和道路設計軟體的連結將是必須的。
綜上所述，空間分析是地理信息系統軟體的核心，疊加分析、地形分析和最短時間途徑最佳化功能為交通地理信息系統軟體空間分析提供了強大的工具和廣闊的套用空間。隨著這些功能和其它功能的完善和發展，交通地理信息系統為交通各部門提供了一個功能強大的空間信息服務和管理工具，它將像辦公軟體office一樣成為各部門日常工作不可或缺的工作手段，並將廣泛普及。
交通地理信息系統的具體套用
交通地理信息系統因具有強大的信息服務和管理功能，所以套用範圍廣泛。具體體現在三個方面，一是它可以套用在交通管理的各個環節，即從交通規劃、設計、施工到運營和養護的所有階段以及交通科研。二是它可以廣泛套用在國家、省、市等不同層次的管理。三是可以廣泛套用在政府、交通運輸管理、運輸企業和工程設計施工等各部門。下面簡單介紹一下它的具體套用。
1.電子地圖使交通管理工作變得輕鬆直觀
由於採用空間數據和資料庫掛接，改變了傳統的信息管理方法，地圖由傳統的靜態紀錄變為信息豐富多樣的動態的電子地圖，實現了數據可視化。它使交通主管部門對公路等基礎設施的管理變得直觀、簡單和輕鬆。如通過直接對地圖實體進行查詢，可以獲得公路線路的空間位置和走向，技術標準，交通流量等多方位的信息。通過綜合統計和分析各種交通數據以及採用豐富多樣的圖表顯示，可以為決策提供科學快捷的支持。
2.公路網規劃手段更加強大
公路網規劃和路線選擇是TGIS套用發展的重點領域之一。
目前基於TGIS的交通規劃模型軟體已經開發成功並進入商業化套用階段，這些軟體包括全部的GIS軟體功能，其套用模型與GIS集成為一體，它使交通規劃的手段更加強大。
由於套用TGIS能夠更好的考慮和評估公路對環境的影響，因此在公路路線的選擇和初步設計中TGIS將得到廣泛套用。加拿大已經成功地套用GIS完成了在溫哥華島的一條127公里、4車道的公路通道選擇和初步設計。在此項目中GIS很好地解決了項目涉及的環境分析、公路選址等問題，包括野生動物、森林、水、土壤、植被和土地利用等。
3.道路設計和養護
TGIS還與路面管理系統、橋樑管理系統等公路養護管理系統相關連，藉助先進的路面和橋樑檢測設備和數據蒐集手段，使道路養護管理更加科學合理，經濟高效。
如加拿大的Alberta省建立了公路維護地理信息系統，該系統使用專用檢測車輛，定期檢測路面的平整度和損壞程度等；這些指標由車載全球定位儀（GPS）定位裝置準確確定道路的位置，檢測數據傳輸到公路養護地理信息系統，養護模組自動生成路段養護報告。
4.運輸企業運營管理
藉助GIS的運行路徑選擇功能，運輸企業可以對公司的運營線路進行最佳化，並根據專題地圖的統計分析功能，分析客貨流量的變化情況，制定行車計畫。此外還可以幫助運輸管理部門對特種貨物（如長大件貨物、危險貨物或貴重貨物）運輸進行線路選擇和監控。
5.為智慧型運輸系統（ITS）提供數位化平台
智慧型運輸系統是新近發展起來的交通管理系統，它將和TGIS、全球地位系統GPS一道成為未來十年交通領域快速發展的新技術。基於TGIS、GPS的ITS，將能夠為道路用戶提供實時動態交通信息服務，改善出行方式；也能夠為道路管理者提供控制信息，大大提高現有道路的通行能力和安全性。這三種技術如何有效的集成還處在研究之中，但無疑這將是TGIS的又一重大套用領域。
國外TGIS當前的研究重點
1.數據採集的技術比選
當前交通決策要求TGIS提供的數據範圍在不斷擴大，可喜的是數據採集的技術也有了長足發展，這些技術包括GPS、視頻技術、數碼攝像技術、高清晰衛星圖像、高清晰度掃描技術以及實時系統和感測器。這些實時系統和感測器眾多：氣象雷達、車輛身份證條碼、交通量計數器、路面溫度感測器、ITS中的車輛導航系統。ITS不僅需求大量的空間及其相關數據，同時也成為其它諸多用途的數據源，這無疑又激勵更新數據採集技術的開發，所有這些技術均對TGIS的設計實施產生影響。
開展研究的重點包括：
·對各種數據採集技術現狀和特性的評估，了解它們相互作用和集成的可能性
·從運輸部門的需求來設計技術上可行的數據採集方案
·在TGIS的發展規劃中制定策略來研究比選使用這些新技術。
2.TGIS和ITS之間如何協調發展
可以預計未來十年內TGIS、GPS和ITS這三種快速發展的技術將有效地集成起來，發揮良好的社會經濟效益，大大提高現有道路的通行能力和安全性。
當前這些技術間合適的切入點還沒有很好地研究清楚，要作的研究有：
·分析和評估這三類技術的發展現狀和方向
·研究如何將這三種技術有效集成，並分析這種聯合發展的可行性
