时态GIS在ARCGIS平台中的实现文档格式.docx
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杜旭泽
（兰州大学资源环境学院兰州）
数据在具有空间性的同时亦具有时间性,时态地理信息系统是具备处理数据时间性功能的地理信息系统.简要介绍时态GIS的发展过程，所支持的数据结构,以及时空数据的动态演示.利用ARCMAP软件制作动画的工具和操作过程.
关键词:
地理信息系统，时态GIS，空间，对象，动画操作.
TemporalGisRealizationinArcgisPlatform.
Xu-ZeDu（ResourceandEnvironment，LanZhouUniversityLanZhou）
Abstract
GISdatapatternandanimatedcartoonhandletense
Thedataalsohastemporalitywhilehavingspace,tensegeographicinformationsystemistohavethefunctionaltemporalitygeographicinformationsystemsellingadataatreducedprices.AndbriefdevelopmentofGISintroducingtenseprocess,whatbeheldoutdatastructure,space-timedatadevelopmentdemonstrates.MakeuseoftheARCMAPsoftwaretomakeanimatedcartoonimplementandoperationprocess.
Keywords:
GIS,space,Tgis,tense
第一章时态GIS简介
1、1时态GIS简介
1．1．1简介
一．概述
时空GIS是一种采集、存储、管理、分析与显示地理实体随时间变化信息（或时空信息）的计算机系统（简称TGIS）。
它不但包含传统地理信息系统的空间特性，而且涵盖时间特性；
它不但反映事物和现象的存在状态，而且表达其发展变化过程及规律。
因此TGIS的操作对象是时空信息。
传统GIS只描述了研究对象的一个快照，没有对时态数据作专门的处理，因而是静态的，它只能反映事物的当前状态，无法反映对象的历史状态，更无法预测未来发展趋势。
而客观事物的存在都与时间紧密相联，因此，在系统中增加对时间维的表达、分析能力，提供历史分析与趋势分析的功能，是时空GIS的独特之处。
时间、空间和属性是地理实体和地理现象本身固有的三个基本特征，是反映地理实体的状态和演变过程的重要组成部分。
严格地说，空间和属性数据总是在某一特定时间或时间段内采集得到或计算产生的。
根据对空间地理实体三个固有特征的研究侧重点不同，可以将相关方面的研究分为：
以研究空间和属性为主的传统GIS；
以研究属性和时间为主的时态数据库；
以研究空间和时间为主的图形动画和以三者并重的时空GIS等四类领域或技术。
前三者起步较早，在各自不同的领域分别展开了理论和实践研究，时空GIS则相对较晚，它是在前者研究的基础上，才慢慢发展起来的一个新兴领域，也是未来GIS的发展方向。
二．发展历程
借助于计算机技术，在对现实世界的事物和现象进行研究的早期，根据应用部门的不同需求，地图学与地理信息系统、计算机科学、地理科学、人工智能等领域的专家学者，分别从各自学科的角度对时空现象进行了研究，但由于受计算机软硬件环境和相关技术方面的限制，对地理实体的空间维度、时间维度和属性维度同时进行研究和处理，存在着诸多困难。
因此，人们的研究思路主要集中在只考虑空间、时间和属性特征中任两个变量的情况（或者将三个变量压缩转换为两个变量），近几年来，随着GIS技术的提高和软硬件环境的改善，时空GIS的研究才逐渐提到议事日程上来。
综观国内外时空GIS的发展，可将其发展过程概括为以下几个阶段：
（1）酝酿起始阶段
20世纪60～70年代，从计算机硬件角度看，出现了磁盘、磁鼓等直接存取的存储设备，使得计算机在实现原先科学计算的同时，可以完成信息的管理功能。
但数据主要以文件形式组织管理，对时间维度的研究更多是在传统学科，尤其是地理学等研究的基础上考虑时间因素。
如早在1964年Berry在栅格格式下使用了三维的地理矩阵（geographicmatrix），以位置、属性和时间分别作为矩阵的行、列和高；
1970年，Hagerstrand提出了时间地理学的概念；
同年，Giederhold和JFFries在研制的医疗系统中对时态信息方面的处理作了最早的尝试。
Thrift在1977年首次提出了历史GIS的概念，1978年Basoglu和Morrison设计了最早的历史GIS（historicalGIS）。
该时期对时间的研究主要是围绕时间的本体和表达、不同领域中时间的作用而展开；
时空GIS的研究更多的表现在为空间为主的GIS功能研究和以图形动画为主的表达途径研究。
（2）开拓阶段
随着80年代图形工作站和微机性能价格比的迅速提高，数据库技术也日渐成熟，为发展时态技术和数据库技术的融合创造了条件。
该时期工作主要集中在时态历史数据库和时态数据库查询语言等方面的研究。
理论方面，JBenZvi（1982）、JCliford（1982）和SGinsburg（1983）三位学者分别在非第一范式时态数据库、关系型历史数据库和对象历史模型方面所进行的时空数据模型的开创性研究具有很强的代表性。
实践方面，唐常杰与Ginsburg于1983年合作在提出对象历史模型的基础上，实现了一种基于关系型的历史数据库管理系统——HBase；
Snodgrass于1985年至1986年开发的时态查询语言（TQuel），是关系数据库管理系统INGRESS查询语言的扩展，其目的是不作为属性而根据其语义来处理时间值。
总的说来，该阶段对时空GIS技术的研究处于低潮时期，因为同时涉及时态、空间数据库的文章数量很少，但与此相反，由于数据库技术的不断成熟和受计算机科学领域数据库专家思路的影响，围绕关系型历史（或时态）数据库方面的研究却蔚然成风。
（3）大发展阶段
Langran于1992年撰写了关于TGIS的第一本专著《地理信息系统中的时间》。
以此为契机，世界范围内重新点燃了时空GIS研究的热潮。
大家意识到要研究时空GIS，仅仅考虑时态数据库的存储、查询等还远远不够，因此，时空GIS的研究也由原先的注重具体设计细节和算法的研究，逐渐过渡到诸如时空语义、时空数据模型、时空拓扑关系、时空查询语言、时空推理过程模拟、地理对象的时空不确定性等理论方面的研究和探讨。
尤其是时空数据模型的构建成为大家关注的焦点，以表达和管理时空语义的时空数据模型大量涌现，其中有代表性的为：
Langran（1992）首先从时变空间数据存储的角度，总结出了文件系统支持下的时空立方体、快照序列、基态修正和时空复合等四种时态数据模型E3；
Hazelton（1990）进行了4DGIS的理论研究；
Gadia，eta1．（1991）和张师超（1993）引进了时态元素（temporalelement）和时态赋值（temporalassignment）的概念，为1NF关系的属性加上了时间参照，成为时态属性，建立了一种有特色的时态模型；
MichaelF．Worboys（1992）、Hoinkes，eta1．（1994）和Wachowiez，eta1．（1994）都先后发表了面向对象数据库技术的时空数据建模；
从时空语义理解的角度，DonnaJPeuquet将时间语义理解为事件的序列，提出了事件驱动的三域时空数据表达框架模型TRIAD（1994）；
BillHibbard和DaveSantek（1994）提出和建立5D数据模型；
P~afat，eta1．（1994）以一个公路网为例，提出了一种符合第一范式关系的时空数据模型，并阐述了关于历史GIS空间拓扑关系。
1．1．2功能
（1）归档：
a.保存数据库某一时刻的状态.
b.可以访问某一时刻的数据并进行分析.
c.对某一时间区的数变化进行分析.
d.在Arcinfo和Arceditor提供数据支持.
e.历史数据在Archive类中存储和管理（是原始数据的完全拷贝）.
f.Default版本的所有变化都将被归档（时间戳（Timestamps）用于insert，update和delete）。
g.档案类具备的3个属性：
--gdb_from_data
--gdb_to_data
--gdb_archive_oid
（2）查询：
使用户了解数据库过去某一时间或时间段的状态。
（3）可视化：
能够直观的了解事物的动态变化的过程。
（4）数据获取与实时更新：
事实证明，很多信息系统的功能非常强大，但由于数据的陈旧而不能发挥应有的作用，最终导致系统的瘫痪。
因此对于时态GIS来说，最关键是空间数据库的时效性。
ArcGIS9.2提供多种解决方案，使用户能够接收实时数据，可以对地理数据的空间特征和属性特性实时更新。
其中最常用的就是用GPS来进行数据的及时获取及更新。
1.2国内外应用状况
由于具有动态地反映地理现象变化的特点，时态GIS可以用于诸多科学和工程领域，有一些学者逐渐将其应用于疾病防控与预测，地籍变迁管理、地貌变动、气候变化及智能交通系统和商业运作等领域，取得了一定的成果。
（1）在疾病防控与预测方面：
我国的艾滋病监测工作始于1986年，国家艾滋病监测哨点已由1995年的42
个增至2004年的194个。
各省、自治区、直辖市根据本地艾滋病流行状况和资源条件，也分别设立了数量不等的省级艾滋病监测哨点（目前已达200多个）。
同时，各省市县的艾滋病病例报告系统长期不间断的进行艾滋病感染者、病人、死亡者的上报工作。
2003年我国还开展了全国大范围的AIDS流行病学调查。
但是目前，国内对于AIDS监测资料分析的比较少，对于数据的收集所投入的人力、物力和财力随之也造成了浪费，尤其对于决策者全面掌握AIDS在我国的流行情况构成了障碍。
我国AIDS监测主要为病例报告数据库、哨点监测数据库、行为监测数据库、流行病调查数据库等，如何建立彼此间的关系，并且能够进行快速、细致的查询和分析，对于我国AIDS监测工作将有极大的帮助。
GIS为监测数据的展示提供了一个统一的平台，各个数据库可以按照不同的条件在一张地图上展示，也可以分别展示其各自的流行规律，不同时间各个地点的流行情况的变化更是一目了然。
最近全球暴发猪流感，每天都在增加近千例，如果采集足够的数据，我们就可以预测病毒的下一个传染区域与潜在传染区域。
（2）在治安管理方面：
不同的案件的发生都具备时间特征，例如：
毒品交易按多发生在晚上10：
00至凌晨1：
00，抢劫案多发生在晚上下班高峰期的6：
00至8：
00。
由于目前很多公安部门的警员数量吃紧，为了确保制定有效的治安措施，合理部署警力，公安部门在重点治安区域划定、巡逻路线规划和警力部署时，需要充分考虑各类案件发生的时间特征，在不同的案件的聚集发生时段和热点区域重点部署警力。
所有这些措施的实现，都需要事先研究整个地区的长时期的案件发生数量和案件类型，分析每类案件的时间变化趋势和时间分布特征，这就是时态GIS在公安行业的有效应用。
（3）在人口统计与管理方面：
由于人口的变迁，每次人口普查以后都需要对人口空间数据库进行更新。
不同时期的人口空间数据库反映了是当时的人口分布状况，人口空间数据库的变化反映了时间系列上的人口变迁，对于研究社会现象有非常重要的意义。
因此，每次更新人口数据时，都需要保留人口历史数据，通过动画或者历史数据回放的方式展现人口的变迁规律，并且还可以将历史数据与自然资源、社会资源等多要素叠加分析，得到人口变迁的社会原因和自然原因。
（4）在地籍管理方面：
地籍管理的核心是土地权属，即土地的使用权和所有权。
使用权和所有权是有时效性的，会随着时间发生变化。
随着时间的推移，宗地的空间形状也会发生变化，因而时间是地籍管理信息系统的一个重要要素和组成部分。
目前现有的非时态地籍变更管理信息系统仅能反映土地的利用现状，在宗地发生变更后，系统通过增加新信息或利用新信息替换旧信息来保障土地数据信息的现势性，对于土地的历史数据通常的做法是采用每隔一定的时间对系统所生成的所有数据进行备份，这样存在很大的数据冗余，恢复宗地历史过程复杂，且不能连续查询某一宗地的历史变化过程，无法正确评价某一历史时刻的土地利用状况和预测其发展趋势。
一个完善的、能够反映地籍信息随时间动态变化的地籍信息系统必须将时间属性纳入其中，因而就发展成为时态地籍信息系统，它与传统的地籍管理信息系统的区别是，除了存储与宗地有关的空间数据和属性数据外，还需要保留宗地的历史信息。
为了充分发挥地籍信息系统为政府各部门以及公众服务的作用，还须实现系统对空间数据的查询，即具备时空查询功能。
（5）在物流管理与商业运作方面：
河流对于人流、物流和信息流的正常运行，以及沿河地区的经济发展具有重要意义，因此必须保证通航安全，提高通航条件。
由于自然和人为的因素，航道水底暗礁、水深等信息均会不断发生变化，为保证航道信息的现势性，保证通航安全，需要定期更新航道数据库。
事实上，航道测量数据库的历史数据反映了航道的淤积情况，通过分析历史数据，可以制定有效的疏浚方案，采取措施减缓航道淤积的状况。
此外，航道空间数据库中还保存航道周围地区的人文和自然信息，通过记录这些要素的历史数据，可以分析得出航道对周围地区的自然条件的影响和对社会经济的拉动作用。
因此，必须在更新航道数据库时保存历史数据，通过设定时间段或者时间点，可以回溯到相应历史时期的航道情况，通过历史数据统计图表、历史数据回放等功能，通过动画或者动画图表的方式反映航道的历史变迁、以及河流给周围地区带来的影响。
（6）在智能交通方面：
春运、暑运及长假日是铁路旅客运输的高峰时期,铁路客运部门通过了解各地客流信息,调配现有客运资源,最大限度地满足人民的出行需求。
然
而客流信息的收集、统计、展现具有以下难点：
A．数据来自不同业务部门
客流信息的数据源来自客票系统、调度系统、铁道部运输局日常工作系统三个业务部分。
然而,三个部门是相互独立运行,并且各个部门的客流信息只是从本系统的角度出发,反映的只是客流信息的一部分,不能完整地反映全路的客流信息。
而且由于部门间相互独立,信息的格式和时效性不一致,给客流信息的整合带来很大的困难。
另外,部门信息系统的展现方式主要是传统的表格方式,不能直观、简便地反映客流信息。
B．数据发生时间不一致
客票系统的数据随着每张火车票的售出,在客票系统将留下该车票的售出存根,所以只要有火车票售出,客票系统的数据就发生变化;
调度系统的客流信息主要通过18点速报系统完成,每天18点各站通过速报系统将统计信息逐层上报,18点是调度系统数据发生变化的界限点;
铁道部运输局是全国铁路运输的中枢,随时有新的业务数据出现,铁道部运输局日常工作系统每时每刻都可能产生新的数据。
C．数据量大
全路包括14个铁路局,即50多个铁路分局,也即7200个站段。
每天客流信息数据量非常大,如何保证这些数据正确、完整地到达铁道部客运调配部门,是个很大的难点。
针对这些情况,采用时态GIS方法,整合多数据源,用GIS作为信息的展现平台,开发铁路假日客运管理信息系统。
D．设计构想
根据用户的业务特点与工作习惯,系统功能的展现采用三种主要方式:
按数据类型分类的表格查询方式、以地理信息系统为平台的信息展现方式、用报表生成软件制作的表格方式。
表格查询包括运能信息、运量信息、综合查
询、春运信息、车站余票查询等模块。
地图展现通过铁道部、重点地区、路局、分局、主要站、干线与直通区段六个层次进行信息展现,同时,对一些重点指标信息展现时可在各层间直接切换。
第二章ARCGIS中时态GIS的操作工具
2.1ARCGIS简介
ArcGIS是ESRI"
美国环境系统研究所ERSl（EnvironmentalSystemsResearchInstitute，缩写为ESRl）"
在全面整合了GIS与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其它多方面的计算机主流技术之后，成功地推出了代表GIS最高技术水平的全系列GIS产品。
ArcGIS是一个全面的，可伸缩的GIS平台，为用户构建一个完善的GIS系统提供完整的解决方案。
ArcGIS的基本体系能够让用户在任何需要的地方部署GIS功能和业务逻辑，无论是在桌面、服务器、网络还是在野外：
（1）桌面GIS（ArcGISDesktop）—ArcGIS桌面GIS软件产品是用来编辑、设计、共享、管理和发布地理信息和概念。
ArcGIS桌面可伸缩的产品结构，从ArcReader，向上扩展到ArcView、ArcEditor和ArcInfo。
目前ArcInfo被公认为是功能最强大的GIS产品。
通过一系列的可选的软件扩展模块，ArcGISDesktop产品的能力还可以进一步得到扩展。
（2）嵌入式GIS（EmbeddedGIS）—ArcGISEngine是一个完整的嵌入式GIS组件库和工具包，开发者能用它创建一个新的、或扩展原有的可定制的桌面应用程序。
使用ArcGISEngine，开发者能将GIS功能嵌入到已有的应用程序中，如基于工业标准的产品以及一些商业应用，也可以创建自定义的应用程序，为组织机构中的众多用户提供GIS功能。
服务器GIS（ServerGIS）—ArcGISServer、ArcIMS和ArcSDE用于创建和管理基于服务的GIS应用程序，在大型机构和互联网上众多用户之间共享地理信息。
ArcGISServer是一个中心应用服务器，它包含一个可共享的GIS软件对象库，能在企业和Web计算框架中建立服务器端的GIS应用。
ArcIMS是通过开放的Internet协议发布地图、数据和元数据的可伸缩的网络地图服务器。
ArcSDE是在各种关系型数据库管理系统中管理地理信息的高级空间数据服务器。
（3）移动GIS（MobileGIS）—ArcPad，支持GPS的无线移动设备，越来越多地应用在野外数据采集和信息访问中。
ArcGIS桌面和ArcGISEngine可以运行在便携式电脑或平板电脑上，用户可以在野外进行数据采集、分析和乃至制定决策。
（4）Geodatabase技术：
所有的以上软件都可以使用geodatabase技术——为ArcGIS提供核心的地理数据模型和数据管理框架。
Geodatabase里面包含了现实世界中的数据，这些数据被保存在数据库中，Geodatabase工具实现一些商业逻辑，这些工具可以被用来获取和管理GIS数据。
2.2ARCGIS下时态GIS操作所用工具
利用ARCGIS来制作动画，主要用到工具AnimationAnalyst，TrackingAnalyst，Selection，Transpose，FieldCalculator等。
一．TrackingAnalyst主要用于追踪分析
TrackingAnalyst是基于时间序列的可视化和分析工具，可以实现带有时间属性的事物和现象变化的历史回放，以及实时数据的动态显示。
二.AnimationAnalys主要用于时态动画
Animation是照一定的时间间隔和顺序动态显示事物的变化，可以用来显示海冰的聚集、水流的变化，人类疾病的扩散，物流管理和智能交通，以及一些商业现象的预测等。
这是对Animation工具下所有功能的大致介绍：
三．Selection主要用于多边形选择
四．Transpose主要用于置换数据行列
由于用表单做出来的数据与图层融合后，不符合ARCMAP的数据处理格式，需要进行行列转换。
五．FieldCalculator主要面域数据计算
Shp格式的数据中的属性字段很多时候字段值需要修改，这就需要FieldCalculator来完成。
2．3时态动画功能所支持的数据模式
1．矢量数据：
--Points，Lines，Polygons。
--通过添加属性字段或关联来存储时间。
2．栅格数据：
--一个管理带有时间属性的栅格数据集合的Table。
3．多维数组：
--已经将时间作为一维进行存储（例如NETCDE,HDF）。
①NetCDF要素数据：
NetCDF（networkCommonDataFormat）是一种多维数组存储方式。
是由大气研究大学协会（UniversityCorporationforAtmosphericResearch，UCAR）的Unidata项目开发的（参见9.2网络帮助中有关NetCDF部分）。
NetCDF由于其灵活性，能够传输海量的面向阵列（array-oriented）数据，已经被采纳用于陆地，海洋和大气科学。
在ArcGIS9.2中，添加了NetCDF这种多维数组来存储时间属性信息。
NetCDF可以是N维数组:
X维（例如：
经度）、Y维（例如：
纬度）、Z维（例如：
海拔）、时间维、其它维等。
NetCDF可以表现的地理现象有多种，包括：
温度、湿度、气压、盐度等。
NetCDF所表现的地理单元可以是规则格网、不规则格网、或者是点数据。
②HDF数据格式：
HDF是美国国家高级计算机应用中心（NationalCenterforSupercomputerApplication）为了满足各种领域研究需要而开发出的一种能高效存储和分发科学数据的新型数据格式。
一个HDF文件中可以包含多种类型的数据，如栅格图像数据，科学数据集，信息说明数据等，这种数据结构，方便了我们对于信息的提取。
例如，当我们打开一个HDF图像文件时，除了可以读取图像信息以外，还可以很容易的查取其地理定位，轨道参数，图像噪声等各种信息参数。
HDF的数据格式是一种分层式数据管理结构，是一个能够自我描述、多目标、用于科学数据存储和分发的数据格式。
他针对存储和分发科学数据的各种要求提供解决方法。
HDF数据格式设计特点为：
（1）.自我描述性（Self-Description）：
一个HDF文件可以包含关于该数据的全面信息。
（2）.多样性（Diversity）：
一个HDF文件中可以包含多种类型的数据。
例如，可以通过利用适当的HDF文件结构，获取HDF文件中存储符号，数据和图形数据。
（3）.灵活性（Flexibility）：
可以让用户把相关数据目标集中一个HDF文件的某个分层结构中，并对其加以描述，同时可以给数据目标记上标记，方便查取。
用户也可以把科学数据存储到多个HDF文件中。
（4）.可扩展性（Extensity）：
在HDF
升级会员 