时空数据模型的研究现状与展望

第26卷　第1期2010年1月地理与地理信息科学GeographyandGeo-InformationScienceVol.26　No.1January2010

收稿日期:2009-10-23;　修订日期:2009-12-22

基金项目:国家自然科学基金项目(40901194、40801162);国家重点基础研究发展计划项目(2009CB723903) 作者简介:薛存金(1979-),男,博士,助研,从事时空数据模型与海洋GIS研究,已发表论文10余篇。E-mail:cjxue@ceode.ac.cn

时空数据模型的研究现状与展望薛存金1,谢　炯2(1.中国科学院对地观测与数字地球科学中心数字地球科学重点实验室,北京100191;

2.中国科学院地理科学与资源研究所资源环境信息国家重点实验室,北京100101)

摘要:分析了时空表达与建模理论的5个发展阶段:基于静态数据模型扩展、面向对象表达、基于对象变化(事件序列)、时空集成和以过程为核心的时空数据模型;阐述了时空数据模型在时空动态语义、地理时空认知表达和地球信息科学解决的基本问题方面的研究现状,并指出由于现有时空数据模型主要以地理实体存在状态的“对象视图”或“事件视图”(而不是演变特性的“过程视图”)作为表达载体,割裂了其内在联系,无法实现复杂地理实体的时空语义描述和动态过程分析。最后,提出以地理实体演变为核心的时空语义描述方法和融入地理对象、变化机制、对象变化的时空动态表达将是时空表达与建模理论的发展趋势。关键词:时空数据模型;动态语义;表达框架;变化机制中图分类号:P208 文献标识码:A 文章编号:1672-0504(2010)01-0001-06

地理实体的动态表达与建模是地球信息科学的核心内容,也是时空分析、地理深层知识获取和挖掘的基础[1,2],对进一步的时空信息模拟、预测及决策分析具有重要意义及应用价值[2-5]。因而,时空数据模型和时态GIS已成为国内外研究热点。近20多年从不同的认知角度发展了大量时空表达与建模理论,经历了基于传统的静态数据模型扩展[6,7]、面向对象表达[8-11]、基于对象变化(事件序列)[12-15]、时空集成[5,16,17]和以过程为核心[3,18-21]5个发展阶段。由于地理实体的复杂性和多样性,现有的时空表达与建模理论多基于特定的应用领域、针对特定的科学问题设计,致使时空动态语义出现重叠或空白,表达框架体系不完整。因而,有必要对时空数据模型的时空动态语义和表达框架体系进行梳理,力求为开展时空表达与建模理论提供新的研究思路。地理实体是时空数据模型的表达载体,解决地球信息科学的基本问题是开展时空表达与建模理论研究的最终目的。本文从时空动态语义、地理实体类型和地球信息科学的基本问题3个角度,阐述现有时空数据模型的研究成果、存在的问题及其根源,并给出时空表达与建模理论发展趋势及其进一步的研究内容。1　研究现状1.1　时空动态语义完整的时空动态语义应包括地理实体、实体变化和引起变化的原因(变化机制)。如此,才能实现地理实体和实体变化的表达和地理时空信息的深层知识挖掘。因而,定义时空动态语义描述框架为:

S=f(E,EC,CM)(1)其中:S为时空语义,f为描述框架体系,E为地理实体,EC为地理实体变化,CM为地理实体的变化机制。1.2　地理实体的基本类型地理实体类型的划分是进行时空表达与建模的前提,从不同的角度研究,其基本类型存在差异[17,22],本文从地理时空认知理论和人的行为习惯

出发,根据地理实体的属性、功能、关系在时空域上的变化特性,将地理实体归纳为7种基本类型(图1),语义如表1。其中,XOY代表二维地理空间,T

代表时间轴,椭圆的形状和尺寸代表地理实体的空间信息,灰度代表属性信息。表1　地理实体基本类型的语义描述Table1　Semanticsdescriptionofthegeographicalentities

类型描述语义I空间位置相对不变,属性信息也相对不变Ⅱ空间位置相对不变,属性信息在某一时刻发生变化Ⅲ空间位置相对不变,属性信息在某时段内连续发生变化Ⅳ属性信息相对不变,空间位置信息在某一时刻发生变化Ⅴ空间位置信息在某时刻发生变化,属性信息也发生相应变化Ⅵ属性信息相对不变,空间位置信息在某时段内连续发生变化Ⅶ空间位置信息在某时段内连续发生变化,属性信息也连续发生变化

1.3　地球信息科学解决的基本问题能否解决地球信息科学的基本问题及解决的程度如何,是检验时空数据模型科学性的标准。吴立新等把地球信息科学需要解决的基本问题概括为“4W2HR”[22],而Paul等则将其概括为“全球状态”

© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net和“状态变化”两类问题[4]。本文从地理实体的空间、时间、属性的功能关系上进行细化,把地球信息科学需要解决的基本问题归纳为9类:Ⅰ:在给定时刻,地理实体的属性信息和空间信息分布状态问题;Ⅱ:在给定时刻,地理实体间空间拓扑关系问题;Ⅲ:在给定的时间范围内,地理实体的属性信息和空间信息哪些发生了变化、哪些没有发生变化的问题;Ⅳ:在给定的时间范围内,地理实体的属性信息和空间信息发生变化的速度问题;Ⅴ:在未来的给定时刻或给定的时间范围内,地理实体的属性信息和空间信息变化的趋势问题;Ⅵ:在给定位置,地理实体的属性信息在某时刻的状态问题;Ⅶ:在给定位置,地理实体的属性信息在时间范围内的变化问题;Ⅷ:地理实体在整个生命周期内存在的状态、变化过程问题;Ⅸ:地理实体在整个生命周期内的变化趋势、变化动力问题。其中,基本问题Ⅰ、Ⅱ和Ⅵ是地理实体在给定时刻的状态问题,分别对应“4W2HR”的“What”、“S2Relationship”、“What”,并与Paul的“全球状态”基本问题吻合;基本问题Ⅲ、Ⅳ、Ⅶ和Ⅷ是地理实体在给定的时间范围内空间信息和属性信息的功能关系的动态变化问题,对应于“4W2HR”的“Whatchangedhow”和Paul的“状态变化”问题;而基本问题Ⅴ和Ⅸ是地理实体在未来给定时间范围内功能关系如何变化及变化趋势问题。

图1　地理实体的基本类型Fig.1　Typesofthegeographicalentities

2　研究成果与存在的问题地学实体及其时空关系的复杂性注定了大多数时空数据模型是针对特定应用领域和科学问题提出的[23,24],其核心思想、表达的地理实体类型和解决的科学问题都存在差异,表2给出了不同发展阶段时空数据模型在核心思想、表达的地理实体类型和解决的基本问题方面的对比分析。从表2可知,随着对地理时空认知程度的深化,时空数据模型的发展在时空语义上更趋完备,表达的地理实体类型和解决的地球信息科学问题也趋于全面。在不同阶段发展起来的时空表达与建模理论能表达特定的地理实体类型、解决某些类型的地球信息科学问题,但同时也存在不足。本文阐述不同发展阶段时空数据模型的研究成果及其不足之处。2.1　静态数据模型的扩展早期的时空数据模型具代表性的有时空立方体模型和时空快照模型,该类模型首次在语义上实现了“静态→动态”的扩展,丰富了地理实体的动态语义。通过把时态信息离散地标示在矢量或栅格数据的状态上,利用不同时刻状态的变化检测操作,实现矢量或栅格数据变化信息的表达。该类数据模型在动态语义上的突破,为后续时空建模的时态信息表达奠定了理论基础。从表达的地理实体类型上分析,由于时态信息离散地标示在矢量或栅格数据的状态上,该数据模型只能表达某时刻状态发生变化的地理实体,无法实现时间范围内连续变化的地理实体的描述与表达。例如,该类数据模型能表达海岸线的变迁、土地的利用变更,却无法实现台风、火势蔓延等现象动态变化的描述与表达。由于在时空语义下缺少变化信息和变化机制,

该类数据模型能够回答某时刻地理实体的状态问题(问题Ⅰ),而对于地理实体某时段内的变化问题(问

题Ⅵ),则需要通过模型外部或内部的操作算子实现,问题的复杂性与操作算子的复杂度呈线性比例关系;而对于引起变化的原因、变化的程度及趋势等问题却无能为力。

页2第地理与地理信息科学 第26卷© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net表2　时空数据模型对比分析Table2　Comparativeanalysisofthespatio2temporaldatamodels

时空数据模型核心思想地理实体类型基本问题类型传统数据模型的扩展

面向对象表达基于对象变化(事件序列)

时空集成以过程为核心

1)记录时刻状态(矢量或栅格);类型Ⅰ问题Ⅰ2)离散时间间隔地标示在状态上,隐式地表达状态变化;类型Ⅱ问题Ⅵ3)语义描述框架:S=f(E

)。类型Ⅳ

1)记录时刻状态对象;类型Ⅰ问题Ⅰ2)离散时间间隔地标示在对象上,隐式地表达对象变化;类型Ⅱ问题Ⅱ3)同时记录对象的具有时态信息的空间、属性和关系;类型Ⅳ问题Ⅵ4)语义描述框架:S=f(E

)。类型Ⅴ

1)同时记录初始状态(矢量、栅格、对象)和对象变化(事件);类型Ⅱ问题Ⅰ、Ⅱ2)离散时间标示在对象(事件)序列上,显式地表达对象变化;类型Ⅳ问题Ⅲ3)采用对象ID或双向链表实现状态变化的完整视图;类型Ⅴ问题Ⅳ4)语义描述框架:S=f(E,EC

)。问题Ⅵ、Ⅶ

1)等同的记录地理对象的空间信息、时态信息和属性信息;问题Ⅰ～Ⅳ2)利用外部函数或指针实现空间、时态和属性信息综合集成,并进行动态变化表达;全部实体类型问题Ⅵ3)语义描述框架:S=f(E,EC),模型的内部函数或指针隐式的地理实体的表达变化机制。问题Ⅶ1)把时空过程对象作为表达的基本单元,同时记录地理实体、实体变化和变化机制;类型Ⅱ、Ⅲ问题Ⅰ～Ⅳ2)采用分级的思想,实现不同时态尺度的地理实体表达(状态→过程);类型Ⅳ问题Ⅵ～Ⅸ3)把变化机制引入时空动态语义和建模框架体系下;类型Ⅴ4)语义描述框架:S=f(E,EC,CM

)。类型Ⅵ、Ⅶ

该类数据模型表达地理实体类型和解决地球信息科学问题的能力有限,不足之处主要包括:1)数据冗余问题:不同时刻状态信息的重复存储;2)地理实体的变化尺度与表达的时态尺度一致性问题:如何解决两者的同步性,尽可能减少信息丢失;3)时刻状态间的信息丢失问题:地理实体的变化尺度与表达的时态尺度不一致和表达连续变化的地理实体时,都会存在信息的丢失问题。2.2　面向对象的时空数据模型面向对象的时空数据模型的核心内容是在静态对象数据模型的基础上扩展时态信息的表达。从时空语义上分析,时态信息离散地标示在变化地理对象上,等同地记录对象的空间信息、属性信息和空间关系,而信息的变化需通过不同时刻状态对象的变化操作获取。与基于传统数据模型扩展不同的是,该类数据模型能隐式地表达空间关系的动态变化。该类数据模型以地理对象作为表达载体,能表达空间信息、属性信息和空间关系同时发生变化的地理实体类型(问题Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ);从解决的地球信息科学问题上分析,不仅能解决空间和属性信息的状态变化问题(问题Ⅰ、Ⅵ),也能回答空间关系的变化问题(问题Ⅱ)。例如,龚健雅利用面向对象技术把时态信息分别标示在属性信息、空间信息、空间关系和对象版本上,实现地理实体的属性信息、空间信息及关系和地理对象的动态变化[9]。与基于静态数据模型的扩展类似,该类数据模型无法直接表达对象的变化信息,需要通过模型内部和外部的操作算子实现,且同样无法回答对象变化原因、变化程度、变化趋势等问题。其不足之处与基于静态数据模型的扩展类似,主要存在数据冗余和信息丢失,在此不再赘述。2.3　基于对象变化(事件序列)的时空数据模型Peuquet等基于事件的时空数据模型是模拟事件序列的时空数据模型的代表[12],通过把地理实体