[摘　要]時(shí)態(tài)GIS 是GIS 一個(gè)新興的研究領(lǐng)域,目前仍處于理論與模型的研究階段。文章總結(jié)了時(shí)態(tài)GIS 的研究現(xiàn)狀,介紹了時(shí)間數(shù)據(jù)庫與時(shí)空數(shù)據(jù)庫的概念以及類型。在已有的研究成果基礎(chǔ)上,歸納出了時(shí)態(tài)GIS 的主要功能,應(yīng)包括輸入、存儲、編輯和更新,時(shí)空數(shù)據(jù)庫管理,查詢和檢索,時(shí)空分析,顯示和輸出等功能模塊。并提出了基于傳統(tǒng)GIS 解決時(shí)間方面問題的一些思路。
[關(guān)鍵詞]時(shí)態(tài)GIS 　時(shí)空數(shù)據(jù)庫　模型
地理信息系統(tǒng)( GIS - Geographic Informati**ystem) 應(yīng)用領(lǐng)域目前已發(fā)展到近60 多個(gè),且用戶數(shù)每年以2. 6 倍左右的速度增長, GIS 已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)入實(shí)用階段。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,使得GIS 的功能和特點(diǎn)也隨之發(fā)生了巨大的變化,尤其是近些年來,計(jì)算機(jī)大容量存儲介質(zhì)、多媒體技術(shù)和可視化技術(shù)等相繼被引進(jìn)到GIS 中,已使GIS 發(fā)生了新的變化。三維問題、時(shí)態(tài)問題、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)交換與OGIS、工程學(xué)問題、WebGIS、可視化與虛擬GIS、面向?qū)ο驡IS、組件化GIS 以及數(shù)字地球等成為新的研究熱點(diǎn)[1～7 ] 。本文將探討時(shí)態(tài)GIS 的有關(guān)問題。

1 　時(shí)態(tài)GIS 研究概況
    GIS 所描述的現(xiàn)實(shí)世界是隨時(shí)間連續(xù)變化的。傳統(tǒng)的無時(shí)間概念的GIS 中的數(shù)據(jù),只能是現(xiàn)實(shí)世界在某個(gè)時(shí)刻的“快照”。當(dāng)被描述的對象隨時(shí)間變化比較緩慢且變化的歷史過程無關(guān)緊要時(shí),可以用“數(shù)據(jù)更新”的方式來處理時(shí)間變化的影響。然而,在某些應(yīng)用中,被描述的對象隨時(shí)間變化很快(例如云量變化、日照變化等) 或者歷史數(shù)據(jù)也必須予以保存(例如,地籍變更、海岸線變化、環(huán)境變化等) 。又比如,地球科學(xué)家想對某一時(shí)刻的所有地質(zhì)條件或某一時(shí)間段內(nèi)的平均地質(zhì)條件進(jìn)行評價(jià),他們是否能容易地獲得在“A 時(shí)刻的值”或“從時(shí)間B 到時(shí)間C 這段時(shí)間內(nèi)的值”。為充分滿足地球科學(xué)家的需要,這種時(shí)間數(shù)據(jù)獲取能力應(yīng)該與3D 模型相結(jié)合。許多人認(rèn)為地質(zhì)特征是不變的,但實(shí)際上大部分地質(zhì)特征是動態(tài)的、變化的,不是所有地質(zhì)情況都是變化緩慢的,水災(zāi)、地震、暴風(fēng)雨以及滑坡都會使局部地質(zhì)條件發(fā)生快速而巨大的變化。地質(zhì)學(xué)家對4D(立體3D 加上時(shí)間第4D) 的空間- 時(shí)間模型尤感興趣。在這些情況下,時(shí)間就必須作為一個(gè)與空間同等重要的因素引入到GIS 中來,這樣便產(chǎn)生了時(shí)態(tài)GIS( TGIS - Temporal GIS) 或四維GIS 的概念。
    時(shí)態(tài)GIS 或四維GIS 就是要在GIS 中考慮時(shí)間變化的概念,是指在原有的三維GIS 基礎(chǔ)上加入時(shí)間變量而構(gòu)成的GIS[8 ] 。其關(guān)鍵問題是建立合適的時(shí)間與空間聯(lián)合的數(shù)據(jù)模型- 時(shí)空數(shù)據(jù)模型。Langran 作了TGIS 方面最早的博士論文[9 ] ,Lan2gran ( 1989 , 1993) [9～10 ] 、Worboys ( 1994) [11 ] 、Raper等(1995) [12 ] 、Donna (1995) [13 ]等分別提出和討論了快照方式、復(fù)合方式和事件方式等來進(jìn)行時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)并在時(shí)間和空間推理方面展開了研究,Raper 等(1995) [12 ]還設(shè)計(jì)了時(shí)空數(shù)據(jù)庫查詢語言。1996 年UCGIS(University C**ortium forGeographic Information Science ) 將TGIS 作為“地理描述擴(kuò)展”的一部分列入GISci 十大優(yōu)先研究領(lǐng)域之列[14 ] 。TGIS 在國內(nèi)外吸引了越來越多的學(xué)者進(jìn)行深入研究。
    當(dāng)前主要的TGIS 模型包括,空間- 時(shí)間立方體模型( the space - time cube) ,序列快照模型( se2quent snapshot s) ,基圖修正模型( base state with a2mendment s) ,空間- 時(shí)間組合體模型( space - timecomposite) 。TGIS 的研究重點(diǎn)主要在,時(shí)空數(shù)據(jù)庫模型(如何設(shè)計(jì)并建立一個(gè)有效的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)來存儲時(shí)空數(shù)據(jù)) ,時(shí)空分析和推理(即如何根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的大量的時(shí)間序列數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)進(jìn)行包括時(shí)間推理和空間推理在內(nèi)的數(shù)據(jù)分析) ,時(shí)空數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(目前主要研究的是時(shí)空數(shù)據(jù)庫查詢語言,而真正數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)層次的研究很少) ,時(shí)空數(shù)據(jù)的可視化研究(探討不同時(shí)間數(shù)據(jù)的顯示、制圖和符號化) 等4 個(gè)方面。其中有關(guān)時(shí)空數(shù)據(jù)庫模型的研究比較深入,而對時(shí)態(tài)的可視化問題,研究較少,過去一般借助軌跡線等方法描述地理數(shù)據(jù)的時(shí)態(tài)特征,現(xiàn)在的研究是向借助動畫技術(shù)表述地理數(shù)據(jù)時(shí)間維的方向發(fā)展[15 ] 。
2 　時(shí)空數(shù)據(jù)庫
    時(shí)態(tài)GIS 的關(guān)鍵是時(shí)空數(shù)據(jù)庫模型,時(shí)空數(shù)據(jù)庫是包括時(shí)間和空間要素在內(nèi)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),其建立依賴于時(shí)間的表示方法,目前的研究結(jié)果主要有全局狀態(tài)標(biāo)記(快照法) 、元組時(shí)間標(biāo)記法和同步數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)間標(biāo)記法等幾種方法。時(shí)間的表達(dá)并不是時(shí)態(tài)GIS 的目標(biāo),時(shí)態(tài)GIS 強(qiáng)調(diào)的是利用時(shí)空分析的工具和技術(shù)來模擬動態(tài)過程[16 ] ,探究和挖掘隱含于時(shí)空數(shù)據(jù)中的信息和規(guī)律,因此必須建立規(guī)范化的時(shí)空數(shù)據(jù)模型,而關(guān)于規(guī)范化時(shí)空數(shù)據(jù)模型的建立方法,目前還處在探索階段。
2. 1 　時(shí)間數(shù)據(jù)庫
    時(shí)間數(shù)據(jù)庫的研究已取得了眾多的成果[17～18 ] ,其重要性在于使數(shù)據(jù)庫成為真正意義上的資源清單并且為動態(tài)監(jiān)測和分析提供了豐富的數(shù)據(jù)。一般的數(shù)據(jù)庫基本上不存儲舊的、過時(shí)的數(shù)據(jù),而時(shí)間數(shù)據(jù)庫則包括任何歷史數(shù)據(jù),使數(shù)據(jù)庫可以成為任何一個(gè)系統(tǒng)和部門的完整的電子信息檔案庫。它可以為分析提供橫向的現(xiàn)勢和縱向的歷史數(shù)據(jù),對歷史、當(dāng)前和將來進(jìn)行對比、分析、監(jiān)測和預(yù)測預(yù)報(bào),從而為預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)和其他分析系統(tǒng)服務(wù)。時(shí)間數(shù)據(jù)庫由于其動態(tài)性(過時(shí)的數(shù)據(jù)不再從數(shù)據(jù)庫中刪除,對歷史數(shù)據(jù)也可以進(jìn)行更新,使系統(tǒng)和現(xiàn)實(shí)世界一直保持著全方位的動態(tài)交換) 和全面性(可以提供任何時(shí)刻和時(shí)間段的數(shù)據(jù))使之成為真正意義上的數(shù)據(jù)庫。
    時(shí)間數(shù)據(jù)庫有若干種分類,根據(jù)數(shù)據(jù)庫處理時(shí)間的能力可分為,歷史數(shù)據(jù)庫、卷繞數(shù)據(jù)庫和雙時(shí)間數(shù)據(jù)庫,其中歷史數(shù)據(jù)庫只能處理實(shí)際時(shí)間,卷繞數(shù)據(jù)庫只能處理數(shù)據(jù)庫時(shí)間,雙時(shí)間數(shù)據(jù)庫可同時(shí)處理這兩種時(shí)間。根據(jù)數(shù)據(jù)庫存放的內(nèi)容可分為,歷史數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和預(yù)測數(shù)據(jù)庫。根據(jù)數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)可分為,線性數(shù)據(jù)庫、分支數(shù)據(jù)庫和周期數(shù)據(jù)庫。根據(jù)對象可分為,基于狀態(tài)的數(shù)據(jù)庫和基于事件的數(shù)據(jù)庫。
2. 2 　時(shí)空數(shù)據(jù)庫
    時(shí)空數(shù)據(jù)庫是在空間數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上增加時(shí)間要素而構(gòu)成的三維(無高度維) 或四維數(shù)據(jù)庫。時(shí)間維的加入大大豐富了數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容,一方面增加了數(shù)據(jù)庫管理的復(fù)雜性,另一方面,海量的數(shù)據(jù)為空間和時(shí)間分析提供了極其廣闊的舞臺。
    時(shí)空數(shù)據(jù)庫模型有兩種,基于矢量的時(shí)空數(shù)據(jù)庫模型和基于柵格的時(shí)空數(shù)據(jù)庫模型,它們是在傳統(tǒng)的矢量數(shù)據(jù)模型和柵格數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上派生的。這兩種模型均可處理6 種時(shí)間和空間的變化類型并對其建模, 這6 種變化是, 屬性變化( attributechanges) ,靜態(tài)空間分布(static spatial distribution) ,靜態(tài)時(shí)間變化(static temporal changes) ,動態(tài)的空間變化(dynamic spatial changes) ,過程的轉(zhuǎn)換(mutation of aprocess) ,和實(shí)體的運(yùn)動(movement of an entity) 。
    矢量型時(shí)空數(shù)據(jù)庫模型建立在矢量數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上。代表性的模型有STC[19 ]和STO[11 ] 。STC- Space - Time Composite 模型認(rèn)為在空間上和時(shí)間上相同的內(nèi)容為一個(gè)STC ,所有屬性的變化都用離散時(shí)間記錄,它以對象在空間(及屬性) 的最大相同部分表示時(shí)間性,但不能表示物體的空間變化,如運(yùn)動等。STO - Spatio - temporal Object 模型認(rèn)為世界是由一個(gè)時(shí)空原子(Spatio - temporal Atom) 組成,時(shí)空原子為時(shí)間、空間和屬性相同的均質(zhì)實(shí)體,該模型中時(shí)間維是與空間維(在此模型中為二維) 垂直的,它可表示實(shí)體在空間和屬性上的變化,但沒有涉及對漸變實(shí)體(如連續(xù)的天氣觀測等) 的表示。STC 模型在每一次變化時(shí)均須重新建立拓?fù)潢P(guān)系,當(dāng)變化很多時(shí),將使拓?fù)潢P(guān)系的建立十分復(fù)雜,最終的多邊形和弧段太多。STO 模型則需建立當(dāng)時(shí)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),弧段和多邊形的變化則采用連接表的形式表示。
    柵格型時(shí)空數(shù)據(jù)庫模型建立在柵格數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上。典型模型有基于事件的時(shí)空模型Event -based Spatiotemporal Data Model ( ESTDM) [13 ] 和Oogeomorph[12 ]等。ESTDM 對柵格數(shù)據(jù)加上時(shí)間標(biāo)尺來表示,該模型用一個(gè)頭文件來存儲柵格數(shù)據(jù)的專題信息,指向基礎(chǔ)柵格數(shù)據(jù)的指針以及指向起始時(shí)間和結(jié)束事件列表的指針,用一個(gè)事件系列表示某一區(qū)域的空間動態(tài)信息,每一個(gè)事件都有一個(gè)時(shí)間以及該事件的內(nèi)容并且該事件對應(yīng)一個(gè)指定的區(qū)域,Oogeomorph 則采用面向?qū)ο蟮乃枷虢��！?/span>
3 　時(shí)態(tài)GIS 初探
    時(shí)間的引入使GIS 的信息量大大增加,并增加了數(shù)據(jù)庫管理的復(fù)雜性,傳統(tǒng)GIS 已不能勝任,必須建設(shè)新的時(shí)態(tài)GIS ,而時(shí)態(tài)GIS 系統(tǒng)的關(guān)鍵是時(shí)空數(shù)據(jù)庫的建設(shè)及時(shí)空數(shù)據(jù)庫的管理,而這些與時(shí)空數(shù)據(jù)模型有關(guān),目前仍是研究的重點(diǎn)。本文在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上,擬在此初步歸納出時(shí)態(tài)GIS 應(yīng)具有的主要功能,尤其是在時(shí)間方面的主要功能,并提出在時(shí)態(tài)GIS 尚不成熟條件下,基于傳統(tǒng)GIS 解決時(shí)間方面問題的某些思路,以供探討。
    時(shí)態(tài)GIS 的主要功能模塊應(yīng)包括輸入、存儲、編輯和更新模塊,時(shí)空數(shù)據(jù)庫管理模塊,查詢和檢索模塊,時(shí)空分析模塊,顯示和輸出模塊等模塊。其中時(shí)空數(shù)據(jù)庫管理和時(shí)空分析模塊是時(shí)態(tài)GIS 所特有的功能,其余模塊雖然在傳統(tǒng)GIS 系統(tǒng)中也是具備的,但是在時(shí)態(tài)GIS 中也有其新的要求。
    時(shí)空數(shù)據(jù)庫管理模塊應(yīng)提供時(shí)空數(shù)據(jù)庫的定義、時(shí)空數(shù)據(jù)庫的基本操作(包括復(fù)制、刪除等一般數(shù)據(jù)庫操作) 及數(shù)據(jù)交換(包括與其他數(shù)據(jù)庫、傳統(tǒng)GIS 數(shù)據(jù)庫及其他時(shí)空數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交換) 功能。其中時(shí)空數(shù)據(jù)庫的定義與時(shí)空數(shù)據(jù)模型有關(guān),一個(gè)合理的時(shí)空數(shù)據(jù)模型必須考慮節(jié)省存貯空間,加快存取、查詢、分析的響應(yīng)速度以及表現(xiàn)時(shí)空語義幾個(gè)方面的因素,目前尚處于研究階段。因此在目前條件下,要解決時(shí)態(tài)問題,可以在傳統(tǒng)GIS 中引入時(shí)間概念,建立層次模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(即時(shí)空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)) ,基于層次模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取、訪問、查詢和分析。
    空間分析是傳統(tǒng)GIS 的核心,而時(shí)空分析是時(shí)態(tài)GIS 的核心。時(shí)空分析模塊應(yīng)包括時(shí)空數(shù)據(jù)的分類、時(shí)間量測、基于時(shí)間的平滑和綜合、變化的統(tǒng)計(jì)分析、時(shí)空疊加、時(shí)間序列分析以及預(yù)測分析等[6 ] 。時(shí)空數(shù)據(jù)的分類指對時(shí)空數(shù)據(jù)根據(jù)不同的分類體系進(jìn)行重組,派生新的數(shù)據(jù)。時(shí)間量測指計(jì)算并顯示歷史數(shù)據(jù)的時(shí)間�；�于時(shí)間的空間數(shù)據(jù)的平滑和綜合中平滑是根據(jù)對象在不同的時(shí)間的不同狀態(tài)推測對象的中間狀態(tài),綜合是根據(jù)一定的時(shí)間綜合原則對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行合并。變化的統(tǒng)計(jì)分析指根據(jù)時(shí)空數(shù)據(jù)對變化的速度、頻率、范圍等進(jìn)行多種統(tǒng)計(jì)分析。時(shí)空疊加分析是將不同時(shí)間的空間對象疊加在一起,主要包括,事件與事件的疊加、狀態(tài)與狀態(tài)的疊加、事件和狀態(tài)的疊加。時(shí)間序列分析指對一個(gè)對象根據(jù)時(shí)間序列進(jìn)行空間上的排列,這種分析主要針對同一個(gè)對象不能同時(shí)在不同的位置的現(xiàn)象。預(yù)測分析是一種基于多種數(shù)據(jù)運(yùn)用數(shù)學(xué)模型根據(jù)某種目的進(jìn)行推理的一種綜合分析,如礦產(chǎn)資源的預(yù)測等。
    輸入、存儲、編輯和更新模塊是傳統(tǒng)GIS 系統(tǒng)中也具備的模塊,但是在時(shí)態(tài)GIS 中,該模塊除能對常規(guī)GIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、存儲、編輯和更新外,還應(yīng)能處理時(shí)態(tài)數(shù)據(jù),包括歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)。在層次模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,一種直觀的數(shù)據(jù)存儲方案是將不同時(shí)期的數(shù)據(jù)分別作為一個(gè)數(shù)據(jù)層來進(jìn)行存儲,目前已有部分傳統(tǒng)GIS 采用了這種方法。當(dāng)數(shù)據(jù)層次較少時(shí),該方法不失為一種有效的選擇,但是如果數(shù)據(jù)層次較多,比如數(shù)據(jù)需要每天更新,則這種方法就不現(xiàn)實(shí)了。此時(shí)可以考慮采用時(shí)間標(biāo)記法建立時(shí)空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),記錄地理要素的創(chuàng)立時(shí)間和消失時(shí)間,時(shí)空數(shù)據(jù)的更新則包括舊數(shù)據(jù)的保存和新數(shù)據(jù)的加入,舊數(shù)據(jù)的保存可以通過給數(shù)據(jù)記錄添加消失時(shí)間來實(shí)現(xiàn),而新數(shù)據(jù)的加入則可以通過在數(shù)據(jù)文件中添加新的數(shù)據(jù)記錄并記錄創(chuàng)立時(shí)間來
實(shí)現(xiàn)。
    查詢和檢索模塊應(yīng)具備屬性查詢、空間查詢、時(shí)間查詢以及聯(lián)合查詢功能。其中屬性查詢、空間查詢以及聯(lián)合查詢在傳統(tǒng)GIS 中已相當(dāng)成熟,時(shí)態(tài)GIS 中需增加的是時(shí)間查詢及與其它查詢的聯(lián)合查詢,這需要增加時(shí)間查詢操作符,應(yīng)包括時(shí)間連接操作、時(shí)間拓?fù)潢P(guān)系操作、時(shí)間距離操作、時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系操作等查詢操作符。如上所述,可以在傳統(tǒng)GIS基礎(chǔ)上,基于層次模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行與時(shí)間有關(guān)的查詢和檢索。
    顯示和輸出模塊應(yīng)能實(shí)現(xiàn)動畫顯示、不同符號和顏色顯示、立體顯示以及輸出。有效地顯示并輸出時(shí)空數(shù)據(jù)是時(shí)態(tài)GIS 應(yīng)用成果的具體表現(xiàn)形式,如礦產(chǎn)預(yù)測應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)果輸出等。

4、結(jié)語

    地理信息系統(tǒng)是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的前沿領(lǐng)域之一,它已經(jīng)或正在深刻地影響人類生產(chǎn)與生活的各個(gè)方面,其研究與應(yīng)用是極其龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程。而時(shí)態(tài)GIS 是GIS 一個(gè)新興的研究領(lǐng)域,是實(shí)現(xiàn)數(shù)字地球的關(guān)鍵技術(shù)之一。相對于傳統(tǒng)GIS ,時(shí)態(tài)GIS 具有語義更豐富、對現(xiàn)實(shí)世界的描述更準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),其技術(shù)的本質(zhì)特點(diǎn)是“時(shí)空效率”,而實(shí)現(xiàn)的最大困難在于海量數(shù)據(jù)的組織和存取。時(shí)態(tài)GIS的研究目前仍處于理論與模型的研究階段,還沒有實(shí)際意義上的成熟的應(yīng)用系統(tǒng),具有廣闊的研究與發(fā)展空間,同時(shí)其研究成果也具有廣泛的應(yīng)用前景。