空間數(shù)據(jù)模型在土地數(shù)據(jù)庫建設(shè)中的應(yīng)用探討

文/蔡 暉 葉華平 游開燕

對空間數(shù)據(jù)模型的認識和研究是GIS學(xué)科的核心內(nèi)容和重要論題。廣義上的地理空間數(shù)據(jù)模型研究的主要內(nèi)容就是如何正確對以上內(nèi)容進行描述并有效實現(xiàn)龐大信息量和檢索速度的協(xié)調(diào)，同時動態(tài)地表現(xiàn)地物的發(fā)展變化。在設(shè)計GIS空間數(shù)據(jù)庫和發(fā)展新一代GIS技術(shù)及其應(yīng)用過程中有著舉足輕重的作用，它直接影響著數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的語義表達、查詢、檢索的方式、速度和效率?？臻g數(shù)據(jù)模型按照空間數(shù)據(jù)時態(tài)特征的地位也經(jīng)歷了靜態(tài)空間數(shù)據(jù)模型與時態(tài)空間數(shù)據(jù)模型兩大階段。

一、時空數(shù)據(jù)模型概述

時態(tài)GIS的組織核心是時空數(shù)據(jù)庫，時空數(shù)據(jù)模型則是時空數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)。

時空數(shù)據(jù)建模是針對如何合理、有效地表達、記錄和管理現(xiàn)實世界時空變化實體及其關(guān)系與行為的研究，是GIS數(shù)據(jù)建模的前沿研究領(lǐng)域，也是建立TGIS的極其重要的基礎(chǔ)。然而，由于時空變化語義的復(fù)雜性和時間維表達的特殊性，目前仍無普遍接受的時空數(shù)據(jù)模型，也未見各方面較為成熟的TGIS基礎(chǔ)平臺，且實用的GIS系統(tǒng)很多仍是靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的。

從建模方法學(xué)角度，時空數(shù)據(jù)建模可劃分為三個層次，即時空語義建模、時空數(shù)據(jù)邏輯建模和時空數(shù)據(jù)物理建模，相應(yīng)時空數(shù)據(jù)模型包括時空語義模型、時空數(shù)據(jù)邏輯模型和時空數(shù)據(jù)物理模型。時空語義建模屬于概念模型一級，主要研究地理認知世界中的時間和空間概念、時空結(jié)合的含義以及所要表達的時空實體及其時空變化特征。時空數(shù)據(jù)邏輯建模內(nèi)容包括時空數(shù)據(jù)類型及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)、時空數(shù)據(jù)操作及時空完整性約束三個部分。時空數(shù)據(jù)物理建模主要考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、物理數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)和時空索引結(jié)構(gòu)等。其中，語義建模是基礎(chǔ)，邏輯建模和物理建模具體表達時空語義及語義信息的物理存取。時空數(shù)據(jù)模型特點是語義更豐富、對現(xiàn)實世界的描述更準(zhǔn)確。一個有效的時空數(shù)據(jù)模型必須具有數(shù)據(jù)存儲冗余度低、支持各種復(fù)雜時空對象的構(gòu)造、表達豐富的時空語義、兼顧檢索效率和用戶的應(yīng)用要求等特點。

從時態(tài)GIS實現(xiàn)的角度來看，時空數(shù)據(jù)模型可分為廣義與狹義。從廣義上，時空數(shù)據(jù)模型可涵蓋包括準(zhǔn)靜態(tài)空間數(shù)據(jù)模型在內(nèi)的所有考慮時變因素的非靜態(tài)空間數(shù)據(jù)模型，這些系統(tǒng)底層并不一定包括對傳統(tǒng)靜態(tài)GIS空間數(shù)據(jù)模型的改造。換句話說，廣義上的時空數(shù)據(jù)模型可以和傳統(tǒng)靜態(tài)GIS系統(tǒng)在底層數(shù)據(jù)模型上沒有本質(zhì)上的差別。

狹義上的時空數(shù)據(jù)模型則不然，它需要充分研究時間維語義和表達的特殊性，對傳統(tǒng)靜態(tài)GIS空間數(shù)據(jù)模型進行擴充和改造，使之能夠?qū)r變特性的屬性和空間數(shù)據(jù)進行沿時間維的動態(tài)組織和存儲，實現(xiàn)動態(tài)多維(包括時空三維或時空四維)時空數(shù)據(jù)的一體化表達及管理，特別是具備時序分析能力。這種空間數(shù)據(jù)模型才是真正意義上的時空數(shù)據(jù)模型。

上述兩個層面的理解都有理論或現(xiàn)實的意義。廣義上的時空數(shù)據(jù)模型允許將相對成熟的傳統(tǒng)靜態(tài)GIS技術(shù)作簡單擴展實現(xiàn)時態(tài)GIS功能，雖然不能完全滿足時空動態(tài)應(yīng)用的需求，但由于不要求對傳統(tǒng)靜態(tài)GIS系統(tǒng)做較大的改動，設(shè)計和開發(fā)比較容易，成本和風(fēng)險相對也較低；另一方面，采用狹義的時空數(shù)據(jù)模型，可以引導(dǎo)時空數(shù)據(jù)建模、時空數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)及可視化表達與分析向真正的屬、時、空一體化方向發(fā)展。

二、時態(tài)GIS與時空數(shù)據(jù)庫

時態(tài)GIS包含時態(tài)數(shù)據(jù)庫（temporal database），內(nèi)置有時空數(shù)據(jù)模型。時態(tài)數(shù)據(jù)庫基于時態(tài)數(shù)據(jù)模型，是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)技術(shù)的一個比較前沿的分支。時態(tài)GIS采用時態(tài)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，動態(tài)地研究三維地理空間的數(shù)據(jù)和信息。因此，時態(tài)GIS所基于的數(shù)據(jù)模型成為時態(tài)空間數(shù)據(jù)模型，或簡稱時空數(shù)據(jù)模型。

1.時態(tài)地理信息系統(tǒng)

時態(tài)地理信息系統(tǒng)，亦稱為時態(tài)GIS、temporal GIS或者TGIS。時態(tài)GIS是相對GIS而言的。地理環(huán)境、事物和現(xiàn)象不斷發(fā)展變化，但是靜態(tài)GIS僅對其進行“快照”式的表達。當(dāng)研究的空間現(xiàn)象狀態(tài)發(fā)生變化時，靜態(tài)GIS對原來的狀態(tài)不予保留，只關(guān)心系統(tǒng)變化后的結(jié)果;它只是簡單的對一定瞬間的地理現(xiàn)象進行備份，將發(fā)生的時間作為屬性數(shù)據(jù)保留，而非慣性過去時刻狀態(tài)的回放，也不對動態(tài)演變進行比較分析。這種只對當(dāng)前數(shù)據(jù)狀態(tài)進行“快照”是描述的GIS系統(tǒng)，稱靜態(tài)GIS。

時態(tài)地理信息系統(tǒng)將時間概念引入GIS中，跟蹤和分析空間數(shù)據(jù)和隨時間的變化。它不僅描述系統(tǒng)在某時刻、時段的狀態(tài)，而且描述系統(tǒng)沿時間維變化的過程，預(yù)測未來時刻、時段系統(tǒng)將會呈現(xiàn)的狀態(tài)，以此獲得系統(tǒng)變化的趨勢，或者對過去不同時刻、時段的系統(tǒng)狀態(tài)回放重現(xiàn)，總結(jié)出系統(tǒng)沿時間變化的規(guī)律。這種不同于靜態(tài)GIS，含有時間概念的GIS系統(tǒng)，成為時態(tài)GIS或TGIS。

2.時空數(shù)據(jù)庫

時空數(shù)據(jù)庫的基本概念、特征及術(shù)語。

有效時間(valid time)：指一個對象在現(xiàn)實世界中發(fā)生并保持的那段時間、或者該對象在現(xiàn)實世界中為真的時間段。有時也稱為對象時間、世界時間、外界時間和物理時間。

事務(wù)時間(transaction time)：指一個對象錄入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的時間，有時也稱為系統(tǒng)時間、 數(shù)據(jù)庫時間、歷史記錄時間、邏輯時間等。

用戶定義時間(User-defined time)：指用戶根據(jù)需要而輸入的時間，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)將它與庫中其他一般數(shù)據(jù)同等對待。

快照數(shù)據(jù)庫(Snapshot database)：使用刪除、替換對數(shù)據(jù)庫狀態(tài)進行數(shù)據(jù)更新的一系列系統(tǒng)活動，它導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫的過去狀態(tài)丟失并忘記，它僅反映現(xiàn)實中的一個片斷。

回滾數(shù)據(jù)庫 (Rollback database)：根據(jù)事務(wù)時間在系統(tǒng)中保存對象的所有過去歷史，并能對庫中任何數(shù)據(jù)做更新操作。

歷史數(shù)據(jù)庫 (Historical database)：根據(jù)有效時間在系統(tǒng)中保存對象的所有過去歷史，并能對庫中任何數(shù)據(jù)做更新操作。

時態(tài)數(shù)據(jù)庫(Temporal DB)：根據(jù)有效時間和事務(wù)時間在系統(tǒng)中分別保存對象歷史和數(shù)據(jù)庫狀態(tài)。

三、幾種有代表的時空數(shù)據(jù)模型

時空立方體模型。時間立方體模型用二維圖形沿時間第三維發(fā)展變化的過程表達現(xiàn)實世界平面位置隨世界的演變;給定一個時間位置值，就可以從三維立方體中獲得相應(yīng)的截面、立方體的狀態(tài)。也可擴展表達三維空間沿時間變化的過程。缺點是隨著數(shù)據(jù)量的增大，對立方體的操作會變得越來越復(fù)雜，以至于最終變得無法處理。

連續(xù)快照模型。連續(xù)快照模型是將一系列的時間片斷快照保存起來，反映整個空間特征的狀態(tài)，根據(jù)需要對指定時間片斷的現(xiàn)實進行播放。該模型的不足在于，由于快照將未發(fā)生變化的時間片斷的所有特征重復(fù)進行存儲，會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余，當(dāng)應(yīng)用模型變化頻繁、且數(shù)據(jù)量較大時，系統(tǒng)效率急劇下降。此外，連續(xù)快照模型不表達單一的時空對象，較難處理時空對象的時態(tài)關(guān)系。

基態(tài)修正模型。為了避免連續(xù)快照模型將每張未發(fā)生變化部分的快照特征重復(fù)進行記錄，基態(tài)修正模型按事先設(shè)定的時間間隔采樣，只存儲某個時間的數(shù)據(jù)狀態(tài)(稱為基態(tài))和相對基態(tài)的變化量。基態(tài)修正的每個對象只存儲一次，每變化一次只有很小的數(shù)據(jù)量需要記錄。同時，只有在事件發(fā)生或?qū)ο蟀l(fā)生變化時，才存入系統(tǒng)中，時態(tài)分辨率刻度值與事件發(fā)生的時刻完全對應(yīng)。基態(tài)修正模型不存儲每個對象不同時間段的所有信息，只記錄一個數(shù)據(jù)基態(tài)和相對應(yīng)基態(tài)的變化量，提高了時態(tài)分辨率，減少了數(shù)據(jù)冗余量。但基態(tài)修正模型較難處理給定時刻的時空對象間的空間關(guān)系。對于將整個地理區(qū)域作為處理對象時，該模型處理方法難度較大，效率較低，管理索引變化很困難。

時空復(fù)合模型。時空復(fù)合模型將空間分隔成具有相同時空過程的最多的公共時空單元，每次時空對象的變化將在整個空間內(nèi)產(chǎn)生一個新的對象。對象把在整個空間內(nèi)的變化部分作為它的空間屬性，變化部分的歷史作為它的時態(tài)屬性。時空單元中的時空過程可用關(guān)系表來表達，若時空單元分裂時，用新增的元組來反映新增的空間單元，時空過程每變化一次，采用關(guān)系表中新增一列的時間段來表達，從而達到用靜態(tài)的屬性表表達動態(tài)的時間變化過程的目的。但在數(shù)據(jù)庫中對象標(biāo)識符的修改比較復(fù)雜，涉及關(guān)系鏈層次很多，必須對標(biāo)識符逐一進行回退修改。