TGIS研究现状及其发展浅析.docx

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TGIS研究现状及其发展浅析

ＴＧＩＳ研究现状及其发展浅析

　　[摘要]　TGIS是GIS发展的必然趋势，而时空数据模型是研究TGIS的核心，文章分析TGIS中当前几种主要时空数据模型特征，探讨当前TGIS中时空数据模型存在的问题，最后对TGIS未来的发展给出一些建议和展望。

　　[关键词]地理信息系统；TGIS；时空数据模型

　　[中图分类号]G202　[文献标识码]A　[文章编号]1007-7723（2007）07-0026-0003

　　一、TGIS研究现状

　　传统的地理信息系统（GIS）大多不具有处理数据的时间动态性，只是描述数据的瞬时状态（snapshot）。

如果数据发生变化时，新数据将代替旧数据，即成了另一个瞬时状态，旧数据将会消失，无法对数据的更新变化进行分析，更不能预测未来的趋势，比如地图资料、遥感影像等。

这类GIS就是我们所说的静态GIS。

而现实世界的数据不仅与空间相关，而且与时间相关，空间数据会随着时间的变化而变化，如何处理数据随时间变化的动态特性，即GIS中的动态信息，是GIS面临的新课题。

因此，必须在传统的静态GIS中增加对时间信息的管理和处理功能，这种能在时间与空间两方面全面处理地理信息的系统，即时态GIS，即TGIS（TemporalGIS）。

　　TGIS的关键问题是建立合适的时间与空间联合的数据模型，即时空数据模型，其关注的是空间要素随时间变化的建模。

时空数据模型是TGIS的核心，因为时空数据模型的优劣，不仅决定了TGIS系统操作的灵活性及功效，而且影响和制约着TGIS的研究和进展。

　　1992年GailLangran发表博士论文《地理信息系统中的时间》，标志着GIS时空数据建模的正式开始。

时空数据模型的研究是TGIS发展的关键所在，是实现不同尺度、不同时序空间数据互动与融合的基础。

时空数据模型中时空关系的合适表达，有助于在现有GIS基础上实现时序分析功能。

如在土地动态监测方面，已有不少学者做过尝试，并取得了不错的效果。

一个合理的时空数据模型必须考虑以下几方面的因素：

研究尺度范围最小地理信息单元的确定、节省存储空间、加快存取速度、时空语义表达以及模型的层次体系结构。

　　二、TGOS主要数据模型

　　当前主要的TGIS模型包括：

空间时间立方体模型、序列快照模型、基态修正模型、空间时间组合体模型、面向对象的时空数据模型等。

（一）空间时间立方体模型（space-timeCube）

　　Hagerstrand最早于1970年提出了空间一时间立方体模型，这个3维立方体是由空间两个维度和一个时间维组成的，它描述了2维空间沿着第三个时间维演变的过程。

任何一个空间实体的演变历史都是空间一时间立方体中的一个实体。

该模型形象直观地运用了时间维的几何特性，表现了空间实体是一个时空体的概念，对地理变化的描述简单明了，易于接受，该模型具体实现的困难在于3维立方体的表达。

（二）序列快照模型（SequentSnapshots）

　　快照模型有矢量快照模型和栅格快照模型。

它是将一系列时间片段的快照保存起来，各个切片分别对应不同时刻的状态图层，以此来反映地理现象的时空演化过程，根据需要对指定时间片段进行播放，有些GIS用该方法来逼近时空特性。

这种模型的优点：

一是可以直接在当前的地理信息系统软件中实现；二是当前的数据库总是处于有效状态。

但足，由于快照将未发生变化的所有特征进行存储，会产生大量的数据冗余，当应用模型变化频繁，且数据量较大时，系统效率急剧下降，较难处理时空对象间的时空关系。

　　（三）基态修正模型（BaseStatewithAmendments）

　　为避免快照模型将每次未发生变化部分特征重复进行记录，基态修正模型按事先设定的时间间隔进行采样，它只存储某个时间数据状态（基态）和相对于基态的变化量。

该模型也有矢量和栅格两种模型。

基态修正模型中每个对象只需存储一次，每变化一次，只有很小的数据量需要记录，只将那些发生变化的部分存入系统中。

这种模型可以在现有的GIS软件上很好地实现，以地理特征作为基本对象，更新式的操作可以基于单个地理特征而实现。

因为要通过叠加来表示状态的变化，这对于矢量数据来讲效率较低，而对栅格数据比较合适。

但也没有考虑到由一种状态转变到另一种状态的过程，而实际中可能存在一种“伪变化”，因此有人提出需要设计“过程库”来记录表达变化过程即基态修正模型的扩展。

　　（四）空间时间组合体模型（Space-timeCornposite）

　　该模型是Chrisman于1983年针对矢量数据提出的，Langran和Chriseman于1988年对它进行了详细描述。

模型将空间分隔成具有相同时空过程的最大的公共时空单元，每个时空对象的变化都将在整个空间内产生一个新的对象。

对象把在整个空间内的变化部分作为它的空间属性，变化部分的历史作为它的时态属性，时空单元的时空过程可用关系表来表达。

若时空单元分裂时，用新增的元组来反映新增的空间单元。

这种设计保留了沿时间的空间拓扑关系，所有更新的特征都被加入到当前的数据集中，新的特征之间的交互和新的拓扑关系也随之生成。

该模型将空间变化和属性变化都映射为空间的变化，是序列快照模型和基态修正模型的折中模型。

其最大的缺点在于多边形碎化和对关系数据库的过分依赖。

　　（五）面向对象的时空数据模型（Object-oriented）

　　面向对象的时空数据模型是基于上述几种模型提出来的并取得了很好的效果。

该模型的核心，是以面向对象的基本思想组织地理时空。

其中对象是独立封装的具有唯一标识的概念实体。

每个地理时空对象中封装了对象的时态性、空间特性、属性特性和相关的行为操作及与其他对象的关系。

时间、空间及属性在每个时空对象中具有同等重要的地位，不同的应用中可根据具体重点关心的方面，分别采用基于时间（基于事件）、基于对象（基于矢量）或基于位置（基于栅格）的系统构建方式。

　　以上的模型都存在一定的优缺点，规范化的时空数据模型的研究正处在探索阶段。

学者们对于其他的模型也在做积极的探索，例如陈军研究的非一范式关系时空模型；EdNash的一种时空网络规划模型；徐志红的基于事件的语义时空数据模型等。

　　三、当前TGIS时空数据模型存在的主要问题

　　当前主要的问题是提出的模型多，实现的原型少；理论研究多，应用研究少；面向矢量数据格式的模型多，面向栅格数据格式的模型少，且多集中在土地划拨、地籍变更管理等领域，在森林资源与环境管理等其他领域几乎是空白。

事实上，任何一种数据模型总是优点与缺点并存，各有利弊。

时空数据模型的建立现在已成为限制TGIS发展的一个重要的技术“瓶颈”。

　　现有的时空数据模型多是从计算机表达的角度出发，而不是面向地学问题的，缺少对地理实体或现象的显式定义和基础关系描述，不能在语义层次上实现数据的共享；对复杂地理实体或现象的描述及地理过程分析存在严重不足。

不同类型层次要素之间可能存在的语义关系难以表达。

不同层次要素之间可能存在的空间关系无法显式表达，需要经过复杂的空间叠加操作才能得到查询结果。

　　四、TGIS的发展方向

　　通过学者们这些年来的积极探索，现在对TGIS的发展方向基本上形成了共识，TGIS发展的方向主要注重以下几个方面：

（一）加深对时空语义的研究与理解

　　时空语义包括地理实体的空间结构、有效时间结构、属性组成及实体间的空间关系、时态关系和时空关系等。

现实世界研究对象的多种类特点决定了时空信息的多语义性。

不同领域和部门解决问题的侧重点不同，在对现实世界进行抽象时，由现实世界到人的概念世界，再到数字世界，对同一时空信息的语义也就有不同的理解，因而会存在语义分歧问题。

时空数据建模的根本任务在于时间和空间语义建模。

因此，在进行时空数据建模之前，应改变传统的由静态空间角度看问题的思维方式，从动态的时空角度去考虑问题，在了解GIS时空特征的基础上，根据具体应用领域剖析所研究对象及其间的特定时空语义（如时空拓扑关系定义及时态拓扑关系的描述等），为时空数据模型的建立奠定基础。

（二）时空数据模型的进一步拓展

　　时空数据模型是TGIS的核心。

它的好坏直接影响到时空查询和分析的效率。

近十多年来，虽然相继提出了系列时空数据模型。

但由于TGIS的复杂性，注定了开发实用性时空数据模型的艰巨性。

在目前结构化的关系方法遇到困难的情况下，如何采用N1NF方法，实现关系方法和层次方法的高度融合，解决复杂结构对象的数据不定长或嵌套问题值得探讨。

同时，面向对象方法的提出也为了GIS的发展开辟了新的途径。

因此，是采用在扩展的关系模型中增加某些面向对象的方法，还是开发纯OODBMS全面支持面向对象时空数据模型，有待进一步研究。

　　（三）时空数据库的设计与研究

　　时空数据库是不同历史、不同尺度和不同维度的海量时空数据和非时空数据的集合。

它是TGIS的核心组成部分。

数据容量的控制、数据检索的效率和数据更新的机制是衡量时空数据库性能的指标。

虽然历史上对时态数据库的研究相对成熟，但时空数据库的研究在理论和实践两方面都还很不完善，国际上还没有统一的查询语言标准可遵循。

因此，在特定的时空数据模型框架下，为确保对时空数据的组织、存储和提取，开发高效的时空数据库管理系统是一项长期的基础性工作。

　　（四）TGIS的查询语言的开发

　　时空查询包括地理实体的空间位置、分布、属性信息及其间的空间关系、属性信息、时态关系、时空关系的分析等。

时空信息的查询和分析是用户对TGIS的最基本需求。

时空查询效率的高低直接决定着TGIS的应用效果。

其查询方式分为基于空间条件的查询、基于属性条件的查询、基于时间条件的查询、基于任意两个条件的混合查询和所有条件的综合查询等。

结合时空信息的查询特点从开发实用的TGIS查询语言是未来的一个发展方向。

　　（五）时空动态模拟与推理

　　传统地理信息系统软件处理的多是静态的、二维的空间地理实体，较少考虑时间和空间的多维因素，当面对复杂的时空多维地学现象时束手无策。

而空间过程模拟是地学现象研究的主要手段，TGIS在传统GIS的空间基础上增加了时间维度，使原来静态离散式的“快照”转换为动态连续过程跟踪。

不仅可以描述和表达时空地理实体的状态，而且可以反演其空间动态运动变换规律。

因此，借助于空间过程模拟动力学模型和随机过程模型，进行时空模拟与推理是了GIS的一个重要组成部分。

　　（六）时空数据的模糊性和不确定性理论的研究

　　时空数据是对现实世界中时空特征和过程的抽象概括。

由于现实世界的复杂性和模糊性，以及人类认识和表达能力的局限性，各类时空数据就不可避免地在空间、非空间属性和时态方面存在着模糊性和不确定性：

如空间位置的模糊性、属性的模糊性、时间的模糊性及其三者之间的相互关系的模糊性等。

因此，提高TGIS对模糊性时空数据的表达和查询能力是时空建模时应该考虑的问题。

　　（七）时空数据的可视化表达

　　可视化是用来解译输入到计算机里的图像数据和从复杂的多维数据中生成图像视觉化的一种工具。

它主要研究人和计算机怎样协调一致地感受、使用和传输视觉信息。

因此，时空数据的可视化表达除了能实现传统GIS中对某时刻空间实体的分布和形状进行表达外，还应能用计算机以动画的形式对地理实体各时刻的状态或属性按照演化过程进行空间动态模拟。

　　五、结语

　　地理信息系统是当代科学发展的前沿领域之一，其研究与应用是极其庞大而复杂的系统工程。

而TGIS是GIS一个新兴的研究领域，也是GIS发展的必然趋势。

计算机技术的迅猛发展为TGIS奠定了坚实的技术基础，大量的时空数据模型已被建立而且取得一定成效。

但TGIS不是简单的“时态+空间”的组合，它是一个复杂的系统，是实现数字地球的关键技术之一。

相对于传统的GIS，TGIS能有效地对时空信息进行管理，具有语义更丰富、现实世界的描述更准确等优点，其技术的本质特点是“时空效率”，而实现的最大困难在于海量数据的组织和存取。

我国在TGIS方面的研究起步较晚，虽然取得了一定的成果，但目前仍处于理论与模型的研究阶段，还没有实际意义上的成熟应用系统。

因此，TGIS在我国具有广阔的研究与发展空间，其研究成果也具有广泛的应用前景。