時空數(shù)據(jù)模型研究進展

王洋洋，孫 偉*，古麗米拉·克孜爾別克

（1.新疆農業(yè)大學 計算機與信息工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

時空數(shù)據(jù)模型研究進展

王洋洋1，孫 偉1*，古麗米拉·克孜爾別克1

（1.新疆農業(yè)大學 計算機與信息工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

對已有的時空數(shù)據(jù)模型進行了分析，介紹了有關學者對構建模型的見解和貢獻；闡述了具有代表性的時空數(shù)據(jù)模型的原理和特點，指出不同階段時空數(shù)據(jù)模型的研究成果和不足之處以及當前時空數(shù)據(jù)挖掘面臨的難題。

時空數(shù)據(jù)模型；研究成果；發(fā)展趨勢

也逐漸形成了海量的時空大數(shù)據(jù)[1]。時空數(shù)據(jù)具有增長速度快、數(shù)據(jù)量大、來源多樣、結構各異等特點，高效管理問題突出。時空數(shù)據(jù)模型是其中的一個關鍵技術；涉及許多學科，需要運用計算機、遙感、全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)等技術來分析時空數(shù)據(jù)；可應用在國防、工業(yè)、社交網(wǎng)絡、醫(yī)療、交通、救災、氣象等領域。與此同時，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，大量傳感器的應用，遙感集市云平臺的建立使得時空數(shù)據(jù)模型成為GIS研究中的一個重要方向[2]。數(shù)據(jù)挖掘技術的突破和海量時空數(shù)據(jù)的生產，為空間理論的驗證提供了一個新的視角[3]。

1 時空數(shù)據(jù)模型研究現(xiàn)狀

陳新保[4]等從時態(tài)GIS的核心內容出發(fā)，闡述了時空數(shù)據(jù)模型間的關系和本質區(qū)別，為模型的擴展和新模型的研究提供了理論依據(jù)和參考，并就幾類具有代表性的模型進行了介紹；分析了側重狀態(tài)描述的時空數(shù)據(jù)模型、側重過程描述和因果分析的時空數(shù)據(jù)模型和側重時空對象及其關系描述的時空數(shù)據(jù)模型。劉大有[5]等對時空數(shù)據(jù)挖掘的研究現(xiàn)狀和面臨的主要問題進行了分析，對時空模式發(fā)現(xiàn)、時空聚類、時空異常檢測、時空預測和分類等方面進行了詳細說明，結合近年來數(shù)據(jù)挖掘領域的研究進展討論了各種研究方法的優(yōu)缺點。趙彬彬[6]等闡述了從數(shù)據(jù)挖掘到空間數(shù)據(jù)挖掘，再到時空數(shù)據(jù)挖掘的發(fā)展歷程，找出空間數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)知識發(fā)現(xiàn)的異同，并討論了未來時空數(shù)據(jù)挖掘的研究熱點。在眾多數(shù)據(jù)模型中較為特殊的模型要數(shù)海洋時空過程數(shù)據(jù)模型[7]，海洋現(xiàn)象時刻發(fā)生變化，與陸地的瞬時變化相比存在明顯的差異。

時空數(shù)據(jù)挖掘工作都還處于起步階段，且許多研究工作都是針對特定領域，缺乏廣泛性[8]。在理論研究方面不僅受到空間數(shù)據(jù)挖掘和時態(tài)數(shù)據(jù)挖掘研究的影響，還受到時空數(shù)據(jù)表示和存取方式的限制[9]。一些文獻中提到的更新方式都是同步更新，若在更新過程中出現(xiàn)錯誤，將無法進行回溯和修改[10]。

2 研究成果與存在的問題

隨著大數(shù)據(jù)的到來，數(shù)據(jù)量急速膨脹，導致了人們對數(shù)據(jù)處理的困難，數(shù)據(jù)挖掘應運而生。除了數(shù)據(jù)挖掘的共性，空間數(shù)據(jù)挖掘還有自身特性，不僅包含位置和屬性數(shù)據(jù)，還包含實體間的空間關系[11]。不同時期提出的數(shù)據(jù)模型在解決的科學問題方面都存在差異，表1給出了不同時空數(shù)據(jù)模型的研究成果和不足之處。由表1可知，不同階段發(fā)展起來的數(shù)據(jù)模型均能解決特定問題，但缺乏更完善的體系。

2.1 時間快照圖像序列模型

時間快照圖像序列模型是較為經(jīng)典的時空數(shù)據(jù)模型之一[12]，通過使用經(jīng)過空間配準后的柵格圖像來表示真實世界在某個時刻的狀態(tài)。在數(shù)據(jù)庫中只記錄當前的數(shù)據(jù)狀態(tài)，數(shù)據(jù)更新時，新數(shù)據(jù)會替換舊數(shù)據(jù)，可將時間片段存儲起來，根據(jù)用戶需要對指定時間的片段進行回放。因數(shù)據(jù)未發(fā)生變化時也會進行存儲，故當數(shù)據(jù)量較大時，系統(tǒng)的處理效率會急劇下降。該模型還只是一種理論上的模型，開發(fā)價值不是很大。

2.2 時空復合模型

在與矢量基態(tài)修正模型相似的時空復合模型中[13]，時空復合式把空間分割成具有相同時空過程的最大公共時空單元，較容易實現(xiàn)時空拓撲分析[14]。該模型保留了沿時間的空間拓撲關系，所有更新的特征都被加入到當前的數(shù)據(jù)集中，新的拓撲關系也會伴隨生成。但隨著時間的延續(xù)，時空數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)會逐漸增多，影響時空復合模型的查詢效率。

表1 時空數(shù)據(jù)模型對比分析

2.3 面向對象的時空數(shù)據(jù)模型

在靜態(tài)對象模型的基礎上擴展時態(tài)信息表達[15]，其核心思想是把所考察的系統(tǒng)看成一個對象，提取它們之間的共性和相互作用方式并進行規(guī)范化，使得邏輯過程的建模變得簡單且容易實現(xiàn)[16]。該模型能夠較好地表達數(shù)據(jù)的時間、空間和語義屬性信息，反映要素對象之間的多層次關聯(lián)關系[17]，有助于探索事物動態(tài)變化的內在規(guī)律[18]。面向對象的數(shù)據(jù)庫也將是未來數(shù)據(jù)庫的發(fā)展方向[19]。

2.4 時空立方體模型

1970年Hagerstrand提出了時空立方體模型，由兩 個空間維和一個時間維組成三維立方體[20]，給定一 個時間位置值，即可從三維立方體中獲得相應的截面[14]。時空立方體單元是以規(guī)則的空間網(wǎng)格為底，相應的時間段為高組成的方形柱體，是數(shù)據(jù)存儲的基本單元[21]。當時空立方體單元中存儲的物理表或邏輯表超出數(shù)據(jù)存儲的上限時，數(shù)據(jù)的管理效率將會大幅下降，同時在時空立方體表達方面也較難實現(xiàn)。

2.5 基態(tài)修正模型

當狀態(tài)變化相對緩慢，為了降低數(shù)據(jù)冗余量，存儲時只記錄變化部分，可選擇基態(tài)修正模型，又稱為底層疊加模型[22]。每變化一次的快照可通過疊加每次變化內容獲得，每個對象只需存儲一次，記錄很小的數(shù)據(jù)量。雖然解決了數(shù)據(jù)冗余問題，但也增加了時空操作的復雜性[23]。該模型設使用最為頻繁的狀態(tài)為基態(tài)，每當有狀態(tài)變換時，將前一狀態(tài)相對于最新狀態(tài)的變化部分存入歷史庫。存儲入庫的內容會被變更數(shù)據(jù)不斷修正[24]。該模型處理矢量數(shù)據(jù)的效率較低，但處理柵格數(shù)據(jù)較為合適。

2.6 快照增量時空模型

要素在其生命周期中，可發(fā)生多次空間幾何變化和屬性變化，空間幾何擁有正負號特性。每一時刻的快照信息為前一快照信息加上增量信息，表現(xiàn)為空間幾何標識符的集合。時空索引的節(jié)點包括空間幾何集和時間區(qū)間，其中空間幾何集共有3類，通過出現(xiàn)的集合和消亡的集合來表示增量。該索引機制將時間和空間作為同等重要的維，能對時間段和時間點進行快速查詢，兼顧了時間和空間的查詢效率[25]。

2.7 時空ER模型

ER模型常用于設計高性能的事務型處理系統(tǒng)，主要是圍繞數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)之間的關系構建而成。在傳統(tǒng)的ER模型上引入新的符號結構來支持時空信息，將現(xiàn)實世界中的空間、時間、屬性信息相互關聯(lián)，可為時空數(shù)據(jù)的建模提供便利條件，并對數(shù)據(jù)庫的設計提供有效的方法[26]。在用戶使用該終端時，為了理解查詢的結果，必須要先了解數(shù)據(jù)庫如此龐大的ER模型，這一點對用戶而言不易實現(xiàn)[27]。

2.8 基于事件的時空數(shù)據(jù)模型及其擴展

按時間順序把事件組成一個鏈，新發(fā)生的事件會依次加到整個事件的尾部。以時間順序來組織發(fā)生在特定地理位置上的變化。擴展后的模型主要適用于高級時態(tài)查詢，具有3個重要功能：解決對象標識問題，使更新機制更加靈活；被擴展的時間對象能夠清晰地反映時空模型中事件與狀態(tài)變化之間的因果關系；為了提高在事件、空間、屬性的查詢速率，在空間和屬性信息中可加入它們的事件對象標識，時間與空間信息是分離的[28]。

2.9 基于圖論的時空數(shù)據(jù)模型

尹章才[29]等基于圖論的時空數(shù)據(jù)模型研究顯式地表達與存儲時空實體與時空拓撲關系，避免了用快照序列進行數(shù)據(jù)的存儲與表達。圖論是一種研究具體事物間關系的抽象代數(shù)，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)與當前數(shù)據(jù)的分離，能夠描述在空間與時間上不連續(xù)變化的時空實體。數(shù)據(jù)結構簡易也有益于用戶對時間和空間數(shù)據(jù)的查詢與管理。

2.10 GSM數(shù)據(jù)模型

張恒才[30]等提出了GSM數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)了截取、擴展、投影和多維投影4種基礎操作，彌補了移動對象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中地理空間及社交網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理的不足。該模型與PostgreSQL相比，穩(wěn)定性較高，在執(zhí)行效率方面，GSM模型操作符也要高于PostgreSQL實現(xiàn)方式，能夠有效防止關系數(shù)據(jù)庫中表鏈接造成的移動對象管理與查詢效率不高的問題。

3 結 語

通過對當前典型時空數(shù)據(jù)模型的歸納分析發(fā)現(xiàn)，理論研究模型與實際應用還存在很大差距。典型表現(xiàn)就是理論研究的模型較多，而開發(fā)實現(xiàn)的應用原型較少；大部分數(shù)據(jù)模型只能表達某一時刻地理實體狀態(tài)的變化，卻不能描述與表達連續(xù)發(fā)生變化的地理實體，在森林火災和臺風預警方面欠缺時效性。因此，理論研究要與應用開發(fā)緊密結合才能取得更大的發(fā)展空間；通過結合已有數(shù)據(jù)模型，使其互補產生新的擴展模型；在解決實際問題的同時也要兼顧數(shù)據(jù)冗余等問題。

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1672-4623（2016）09-0029-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.09.009目前對時空數(shù)據(jù)分析理論方法的研究日益增多，

王洋洋，碩士研究生，研究方向為時空數(shù)據(jù)挖掘，嵌入式。

2015-11-16。

項目來源：2014年庫爾勒科技合作資助項目（KRLKJHZXM）；新疆維吾爾自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新資助項目（XJGRI2015087）。（*為通訊作者，博士）