维普资讯 http://www.cqvip.com 第３６卷第４期 ２００８年８月 浙江工业大学学报 ＪＯＵＲＮＡＩ ＯＦ ＺＨＥＪＩＡＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏ１．３６ ＮＯ．４ Ａｕｇ．２００８ 历史事件ＧＩＳ平台中时空数据模型的研究 顾国民，赵小敏，郑河荣 （浙江工业大学软件学院，浙江杭州３１００３２） 摘要：市场上大量的ＧＩＳ平台都是考虑显示最新的地图，而对于过去的地理数据并不保存．而历史 事件ＧＩＳ平台考虑在一个平台上同时保存历史和现在的所有的地理信息，可以查询和演示历史发 展的过程。但是海量的时空数据的存储对ＧＩＳ的建设提出了很高的要求，而其中最为关键的是平 台中的时空数据的存储模型的研究．良好的数据模型不但能够大大减少空间存储，而且对于空间图 形的显示也提出较高的要求。多年来，学术界对于时空模型的研究不断，但是始终没有成熟的时空 ＧＩＳ平台出现，本文针对性的对历史事件ＧＩＳ平台的时空数据模型的研究，是此方向研究的一大步． 关键词：ＧＩＳ；时空数据；历史事件 中图分类号：ＴＰ３０１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—４３０３（２００８）０４－０３９０—０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｉｌ ｓｐａｔｉｏ—ｔｅｍｐｏｒａｌ ｄａｔａ ｍｏｄｅ ｉｎ ＧＩＳ ｉｎ ｈｉｓｔｏｒｙ ｐｌａｔｆｏｒｍ ＧＵ Ｇｕｏ—ｒａｉｎ，ＺＨＡＯ Ｘｉａｏ—ｒａｉｎ，ＺＨＥＮＧ Ｈｅ—ｒｏｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｏｆｔｗａｒｅ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００３２。Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ＧＩＳ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｉｓｐｌａｙ ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｍａｐ ａｎｄ ｎｏｔ ｐｒｅｓｅｒｖｅ ｈｉｓｔｏｒｖ ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ｄａｔａ．Ｈｉｓｔｏｒｙ Ｅｖｅｎｔ ＧＩＳ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔＯ ｐｒｅｓｅｒｖｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｇｅｏｇｒａｐｈｙ ｄａｔａ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｈｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃａｎ ｂｅ ｑｕｅｒｉｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ．． Ｂｕｔ ｈｏｗ ｔｏ ｐｒｅｓｅｒｖｅ ａｌｌ ｔｈｅ ｈｕｇｅ ＧＩＳ ｄａｔａ ｉｓ ａ ｄｉｆｆｉｅｕｌｔ ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｅ ｋｅｙ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｓ ｈｏｗ ｔｏ ｂｕｉｌｄ Ａ ｇｏｏｄ ｄａｔａ ｍｏｄｅｌ ｎｏｔ ｏｎｌｖ ｃａｎ ｔｈｅ ｓｐａｔｉｏ—ｔｅｍｐｏｒａｌ ｄａｔａ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＧＩＳ ｉｎ Ｈｉｓｔｏｒｙ Ｐｌａｔｆｏｒｍ． ｅｄｕｃｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｐａｃｅ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｃａｎ ｄｉｓｐｌａｙ ｂｅｔｔｅｒ ｓｐａｃｅ ｉｍａｇｅ．Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔｌｙ ｙｅａｒｓ，ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍａｎｖ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋ ａｂｏｕｔ ｓｐａｔｉｏ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｄａｔａ ｍｏｄｅ１Ｂｕｔ ｎｏｎｅ ｏｆ ｍａｔｕｒｅ ＧＩＳ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａＰＰｅａｒｓＴｈｉｓ ．．ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐａｔｉｏ—ｔｅｍｐｏｒａｌ ｄａｔａ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｔｈｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｅｖｅｎｔ ＧＩＳ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｗｉｌｌ ｂｒｉｎｇ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｆｉｅｌｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＧＩＳ；ｓｐａｔｉｏ—ｔｅｍｐｏｒａｌ ｄａｔｅ；ｈｉｓｔｏｒｙ ｅｖｅｎｔ 数据，如果要记录变化的地理信息只能采用切换图 ０ 前 陶 现实世界的数据不仅和空间有关，还和时问有 关，空间数据会随着时间的变化而变化，如何处理随 时间变化的动态特性，是ＧＩＳ面临的难题之一．现 有的大多的ＧＩＳ软件还是只能记录瞬时态的地理 收稿Ｅｌ期：２００７—１２—０３ 层的方式，这样的方式既浪费大量的存储空间，也大 大地减慢查询和显示的速度．从１９８９年Ｇａｉｌ Ｌａｎｇ— ｒａｎ＿ｊ 提出时态地理信息系统（Ｔｅｍｐｏｒａｌ ＧＩＳ，简称 ＴＧＩＳ）的概念以来，对如何解决时空数据的存储和 显示就成为了ＧＩＳ界的热点．ＴＧＩＳ是对不断变化 的地理空问更加真实的模拟和表达，是一种采集、存 作者简介：顾国民（１９８］），男，浙江湖州人，硕士，主要从事ＧＩＳ及图像处理的研究 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 顾国民，等：历史事件ＧＩＳ平台中时空数据模型的研究 储、管理、分析与显示地理实体随时间变化信息的计 算机系统，其组织基础为时空数据库，其概念基础为 时空数据模型． 历史事件ＧＩＳ平台是一个以时间为顺序显示 不同历史时期不同地图的ＧＩＳ平台，可以动态显示 于矢量数据效率较低． １．４面向对象的时空数据模型 基于以上的模型提出，取得很好的效果［５ ］．核 心思想是把所有的地理实体都看成对象，每个对象 有时态特性、空间特性、属性特性等．实现空间和属 性的紧密结合． 各个历史事件在发展过程中的准确的地理位置及其 地理环境，帮助我们更好的分析历史事件的发生、发 展，对历史研究具有重大的意义．该平台数据需要一 ２历史事件ＧＩＳ平台的时空模型 个由时间、二维空间及属性组成的四维矩阵，其地图 的空间地理位置和空间实体的属性都随着时间的变 化而变化．如果对于空间的变化采用图层的切换，那 么某个局部的地理实体的变化将导致整个图层的变 化，显然不能符合系统要求的空间实体平滑转换显 示的要求．于是在当代对时空数据模型的研究基础 上，研究设计出更加有效的时空数据模型． １ ＴＧＩＳ的主要时空模型介绍 时空模型是发展ＴＧＩＳ的关键，是实现不同尺 度、不同时序空间数据互动与融合的基础．经过多年 的发展，形成了多个时空数据模型，已经在不同的领 域取得不错的效果，比如在土地动态监测 等方面． 一个好的时空数据模型必须考虑几个因素：一是减 少海量数据的存储空间，二是加快存储速度，三是实 现空间数据和属性数据之问的更加紧密地结合． 当前主要的ＴＧＩＳ模型＿３“ 包括空间时问立方 体模型、序列快照模型、基态修正模型以及面向对象 的时空数据模型等． １．１ 空间时间立方体模型 由两个空问维度和一个时间维度组成的３维立 方体，描述了２维空间沿着第三个时间维演变的过 程．该模型表现了空间实体是一个时空体的感念，描 述简单，但是对于３维立方体的表达比较困难． １．２序列快照模型 将时间片断的快照保存起来，根据需要对指定 的时间片断进行播放．但是快照把为发生变化的所 有特征进行保存，产生大量冗余． １．３基态修正模型 在快照模型的基础上进行改进，把发生变化的 特征进行保存．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．在现有的ＧＩＳ 软件上容易实现。但是通过叠加来表示状态变化，对 历史事件ＧＩＳ平台以电子地图为基础，把不同 时期的历史事件只要是和地理位置相关的信息都可 以在电子地图上表示出来，使得历史事件的表示更 加的形象。 该功能的实现给平台的设计方面提出了较高的 要求，海量的时空数据的管理给存储和读取都带来 很大的难度．比较已有的ＴＧＩＳ时空数据模型，时空 立方体模型难以表达３维立方体，序列快照模型虽 然简单但是造成冗余空间太大，基态修正模型也容 易在现有的ＧＩＳ实现，但是对于矢量数据的变化也 不是很适合．相对面向对象的时空数据模型，以对象 的角度看待地理事务，对于地图的变化，只需要改变 某些地理对象，大大减少空问存储，同时由于空问和 属性的紧密结合的特性使得更加容易表达历史事 件．所以对于该历史事件ＧＩＳ平台的数据管理，在 面向对象时空模型的基础上进行改进，设计更加适 合该平台的时空模型． 图１ 时空模型对象关系图 Ｆｉｇ．１ Ｏｂｊ ｅｃｔ ｉｎ ｓｐａｔｉａｌ－ｔｅｍｐｏｒａｌ ｍｏｄｅｌ 在地理信息加面向对象的模型体系中，任何事 物都可以看成一个“时空属性”对象．在对象中表达 空间结构、时间描述和属性描述．“时空属性”对象 （图１）由时间空间对象和时间属性对象组成．时间 空间对象由空间信息加上时态信息组成，可以表达 沿着时间轴的发展，空间信息的变化；时间属性对象 由属性和时态信息组成，可以表达随着时间的发展 维普资讯 http://www.cqvip.com 浙江工业大学学报 第３６卷 该事物的属性变化情况。空间对象采用传统Ｇ－ＩＳ平 台中的点、线、面三个对象组成的拓扑空间结构的方 式．时态对象可以认为是一个线形的时问．对于属性 对象，每个不同的“时空属性”对象（也就是所表达的 事物）的描述方式不同，需要为不同的类型的事物设 计不同的类结构． 在这样的模型结构上还可以从两个方面进行改 进：首先为了进一步的减少存储空间，每次实体空间 的变化只需要记录空间的变化，而不需把整个实体 空间重新记录；其次由于往往实体的变化是渐进而 不是突变的方式，只以时问点的方式记录空间变化 在某些场合可能不符合要求，能否把统计学上的时 问序列的方法应用于此处，用函数表达实体渐变的 过程还可以进一步进行探讨． 比如在历史事件平台中运用该时空模型表现中 国历史版图变化情况．把中国版图理解为一个时空 属性对象，版图的空问拓扑结构理解为空间信息，版 图的描述理解为属性信息，时态信息是一维轴线，是 指时间发展过程．该对象的空间和属性信息随着时 问的发展而变化．在该模型结构中把每个事物看成 对象单独描述，既做到时态、空间、属性的紧密结合， 又能取得较高的数据管理效率． 经过对历史事件平台的空间数据的类型的分 析，平台中主要包含地理实体时空数据、逻辑时空数 据、事件驱动时空数据等三个方面的数据． ２。１地理实体时空数据模型 所谓地理实体是指如山川、河流、道路及建筑等 地球上实际存在的物体．地理实体时空数据模型记 录这些物体随着时问变化的不同的状态．把每一个 地理实体理解为一个Ｓｐａｔｉａｌ（空间）对象；随着时间 的变化不断改变该实体空问结构的状态称为一个 ＳｐａｔｉａｌＴｅｍｐｏｒａｌ（时空）对象；随着时间的变化，描 述该实体的空问结构和属性都随之变化，用Ｓｐａ ｔｉａｌＴｅｍｐｏｒａｌＡｔｔｒｉｂｕｔｅ（时空属性）对象表示（图２）． 图２ 时空属性对象描述方式 Ｆｉｇ，２ Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ—ｔｅｍｐｏｒａｌ ａｔｔｒｉｂｕｔｅ ｏｂｊ ｅｃｔ 在该模型中一个地理实体从出现到消亡只用一 个对象进行描述，并不需要每次变化都用一个新的 对象，这样大大的减少了模型的复杂度也节省了存 储的空问．在该对象的描述以时间轴为中心，该实体 的空问结构的变化记录在时问轴的某一个点上，从 该点开始到下一个空问变化点为止的时间段内，该 空间结构被认为是该地理实体的有效空间结构．属 性改变的描述同样发生在某个时间点上［７］。 以对象的方式记录某地理实体，需要说明临近 的实体之间的拓扑关系，可以概括为邻接、分离、覆 盖、被覆盖、包含、被包含等几种关系．在现实的时候 根据这些对象的拓扑关心进行适当的调整，比如对 于邻接的对象如果只以经纬度记录对象的位置，很 可能在显示的时候造成分离，这时需要根据对象中 记录的拓扑关系进行无缝拼接。 ２．２逻辑时空数据模型 在地图上表示的除了地理实体之外还有如行政 区域等的逻辑上的区域概念，逻辑数据是人为的添 加的空间结构，它与地理实体之问并不存在严格意 义上的交叉、覆盖、包含等空间拓扑关系，在平台数 据模型的设计上区别于地理实体数据模型而设 计，逻辑数据主要是平面空间图形表示地理的区域， 其显示作为地理实体的一种辅助手段． 但是逻辑时空数据与地理实体时空数据又存在 逻辑上的联系．依靠属性信息建立起空问和逻辑数 据之间的联系，比如某个空间对象属于某个逻辑对 象或者某个空问对象包含某个逻辑对象等． 对于逻辑时空数据的管理，类似于地理实体的 管理，记录时问轴上的空间变化的点． ２．３事件驱动数据模型 以上地理实体和逻辑数据的时空模型是整个平 台的基础，在这样的基础平台上才能添加具体的应 用．该平台上的一个最为重要的应用就是对于历史 事件的动态显示．事件驱动数据模型主要管理线形 和点的空问矢量图形，事件的发生随着时间而造成 的空问的转移以有向线条的方式显示在地图上或者 以点表示区域的方式分布在地图上． 事件数据的建模，只需要设计一个类，每一个事 件可以理解为一个对象，时问的发展和变化都是对 象内部的空问、属性随时问的变化。 传统的ＧＩＳ以把同一类的图元放在一个图层 上，一个图层作为一个操作的整体，如果要切换某一 图层上的某一个图元是比较麻烦的事情．而本文的 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 顾国民，等：历史事件ＧＩＳ平台中时空数据模型的研究 数据模型管理空间数据，并不存在图层的概念．需要 实体数据模型、逻辑时空数据模型、历史事件驱动模 型等三个方面，并分别进行了模型的阐述．最后分析 总结当今时空数据模型的研究中存在的问题，并展 望未来研究的方向． 动态的从数据库中调用需要显示的图元对象，并显 示在屏幕上 ． ３ 结束语 关于ＧＩＳ的时空模型的研究较多，但是具体的 应用较少．时空数据模型的发展中遇到的最大问题 是如何解决具有时间的空间海量数据的存储问题以 及如何实现平台中时空数据的平滑的显示的问题． 为了解决ＧＩＳ平台的海量时空数据存储问题， 数据模型需要向着尽量减少数据冗余的方向发展， 比如对于空间形状的变化尽量只是存储变化部分． 在这个研究的基础上，逐步改善图形的各种复杂的 拓扑关系带来的交叉、拼接平滑过渡问题，提高图形 显示的质量．加强时空ＧＩＳ平台的实用性，并逐步 应用于商业． 笔者对于历史ＧＩＳ平台中时空数据的存储和 显示问题进行研究，主要通过对于时空数据模型的 设计来提高数据存储和显示的效率．在已有的时空 模型的研究基础上，通过比较、分析，选用面向对象 的数据模型，并在该基础上进行改进，提出更加适合 历史ＧＩＳ平台，效率更高的时空数据模型． 该平台的数据模型，根据业务的需要分为地理 参考文献： ［１］ＧＡＩＬ Ｌ．Ｔｉｍｅ ｉｎ ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｍ］．Ｗａｓｈ— ｉｎｇｔｏｎ：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，Ｓｅａｔｔｌｅ，１９８９． ［２］李小娟，尹连旺，崔伟宏．土地利用动态监测中的时空数据模型 研究［Ｊ］．遥感学报，２００２，６（５）：３７０—３７５． ［３］王贺封．时空数据模型及ＴＧＩＳ研究ＥＪ］．测绘与空间地理信 息，２００６，２９（４）：１１—１３． ［４］王家耀，魏海平，成毅，等．时空ＧＩＳ的研究与进展ＥＪ］．海洋测 绘，２００４，２４（５）：卜４． ［５］ 宋玮，王家耀，郭金华．面向对象时空数据模型的研究ＥＪ］．测绘 科学技术学报，２００６，２３（４）：２３５—２３８． ［６］ＸＵ Ｚｈｉｈｏｎｇ，ＢＩＡＮ Ｆｕｌｉｎｇ．Ｓｐａｔｉｏ～ｔｅｍｐｏｒａｌ ＧＩＳ ｄａｔａ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｖｅｎｔ ｓｅｍａｎｔｉｃｓ［Ｊ］．Ｇｅｏｓｐａｔｉａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２００３，６（３）：４３—４７． ［７］ ＹＵＡＮ Ｚｈｅｎｇｗｕ．ＣＨＥＮＧ Ｍｉａｏ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｑｕｅｒｙｉｎｇ ｓｐａ— ｔｉａｌ—ｔｅｍｐｏｒａｌ ｄａｔａ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，２００６，１８（４）：４９３－４９８． ［８］ＲＡＺＡ Ａ，ＫＡＩＮＺ Ｗ．Ａｎ ｏｂｊｅｃｔ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｍｏｄｅｌ— ｉｎｇ ｕｒｂａｎ ｌａｎｄ ｕｓｅ ｃｈａｎｇｅｓ［Ｃ］．Ｆｌｏｒｉｄａ：Ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｒｂａｎ ａｎｄ Ｒｅｇｉｏｎａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ （ＵＲＩＳＡ），２０００：２０—２５． （责任编辑：陈石平）
