校園植被專題的時態(tài)空間表達

石桂嬌，李云嶺，薛 雨

（1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590）

GIS是有效管理和綜合分析與地理空間相關(guān)數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)[1]。然而，現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)不僅與空間相關(guān)，而且與時間相關(guān)[2]，因此在許多GIS應用中，對象會隨時間變化而變化，需在傳統(tǒng)GIS的基礎(chǔ)上增加時間維，如在地籍信息系統(tǒng)、森林資源管理和土地管理系統(tǒng)等應用中均需加入時間維。但是時態(tài)GIS設(shè)計復雜，如何充分運用GIS，將空間、屬性、時間信息進行有效結(jié)合，已成為GIS研究的重點。

時態(tài)GIS不僅包含傳統(tǒng)GIS的空間特性，而且涵蓋時間特性，具有語義更豐富、對現(xiàn)實世界的描述更準確等優(yōu)點[3]。因此，時態(tài)GIS可應用到各行業(yè)，如城市交通信息系統(tǒng)中，車輛的空間位置信息會隨時間的變化而變化；土地管理信息系統(tǒng)中，土地的屬性信息會隨時間的流逝而發(fā)生變化，但其空間位置不變。

以山東科技大學為例，校園四季風景各異，若利用傳統(tǒng)GIS來描述這些景象，只能呈現(xiàn)靜態(tài)圖片或查詢某個時間的校園植被狀態(tài)。校園植被的空間位置沒有發(fā)生改變，屬性信息也沒有太大變化，但植被會隨時間循環(huán)周而復始地變化，因此本文研究了校園植被專題的時空表達方法，以便師生了解自己校園在不同時期鮮花開放的空間分布與格局。

1 校園植被的周期性調(diào)查

對校園植被進行時態(tài)空間表達，主要涉及的數(shù)據(jù)為植被時態(tài)數(shù)據(jù)，包括校園植被從發(fā)芽到開花結(jié)果各生命狀態(tài)的時間數(shù)據(jù)，即植被的芽期、花期和果期。而校園植被眾多，每種植被發(fā)芽、開花、結(jié)果的時間不同，需統(tǒng)計各種植被不同生命狀態(tài)的時間段，可通過植物百科獲取。同時，不同地區(qū)的氣候、溫度有所不同，將對植被發(fā)芽、開花、結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，獲取統(tǒng)計數(shù)據(jù)后，還需根據(jù)研究區(qū)域的氣候條件對植被時態(tài)特征數(shù)據(jù)進行修正。

青島市黃島區(qū)地處北溫帶季風區(qū)，屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候，空氣濕潤、雨量充沛、溫度適中、四季分明，具有明顯的海洋氣候特點，以及春寒、夏涼、秋爽、冬暖的氣候特征，特別是春季氣溫回升緩慢，較內(nèi)陸遲約一個月。結(jié)合青島的氣候條件，對植被時態(tài)特征數(shù)據(jù)進行修正，完成校園綠化系統(tǒng)時態(tài)數(shù)據(jù)的調(diào)查研究。本文將植被分為喬木、灌木和地被3類，各類均選取了代表性的植被（表1）。

表1 校園里代表性的植被的時間表

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

校園植被的時空表達主要涉及空間屬性和時間屬性兩種數(shù)據(jù)。如何有效結(jié)合空間、屬性、時間信息，記錄研究對象一系列變化情況和變化的時間以供后續(xù)使用，是本文的研究重點。一般處理辦法是在數(shù)據(jù)庫中，采用二叉樹的形式將對象變化的過程存儲下來，以備后續(xù)使用時可重新調(diào)用[4]。若在程序中使用變量存儲每個研究對象的起始、終止和變化時間，就會降低程序執(zhí)行效率，導致數(shù)據(jù)冗余。為了避免該問題，進行校園植被時空表達時，采用時間類型選擇有效時間，在數(shù)據(jù)庫的屬性表里添加字段的方法。具體方法是在屬性數(shù)據(jù)里進行時間標識，通過添加字段和記錄的方式在屬性表中標記對象發(fā)生變化的時間。為了使屬性表盡可能多地儲存有關(guān)信息，需在屬性表里添加事件、發(fā)生的時間、植被唯一編碼以及植被的其他基本空間屬性信息（名稱、高度、胸徑、相對位置等）（表 2）。

事件是指植被生命狀態(tài)的改變，如植被發(fā)芽、開花、結(jié)果等；發(fā)生的時間即植被生命狀態(tài)改變的時間，可用來查詢在某個或某段時間內(nèi)植被發(fā)生的變化，還可用來修改植被狀態(tài)發(fā)生變化的終止時間，以及生成下一個生命狀態(tài)的起始時間。發(fā)生的時間主要包括：植被發(fā)芽的時間，植被開花的起始時間、終止時間，植被結(jié)果的起始時間、終止時間。

表2 屬性結(jié)構(gòu)與字段描述表

運用該方法可在屬性數(shù)據(jù)表中具體描述植被生命狀態(tài)改變的時間，查詢、分析時可快速從屬性數(shù)據(jù)表中調(diào)用相應數(shù)據(jù)，減少了數(shù)據(jù)的存儲量，大大降低了數(shù)據(jù)冗余度，提高了整個系統(tǒng)的效率。

2.2 符號庫設(shè)計

地圖符號是地圖的語言，是表達地圖內(nèi)容的主要手段[5]。地圖符號庫是管理地圖符號的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，不僅是一個結(jié)構(gòu)完整、功能齊全的數(shù)據(jù)庫，而且是計算機制圖系統(tǒng)或GIS的一部分（符號庫管理子系統(tǒng)）[6]，應具有符號創(chuàng)建、修改、刪除、顯示和查詢等功能[7]。

在設(shè)計符號庫，特別是植被符號時，應遵循一定的原則，如色彩的象征性、象形性和協(xié)調(diào)性。本文符號庫是關(guān)于植被的，因此符號的色彩應注意與大自然色彩相近，具有一定的象征性。另外，植被的符號設(shè)計更要以植被的實際形態(tài)為主要依據(jù)，舍去不必要的細節(jié)部分，選取每種植物的經(jīng)典特征，如葉、花、果實和樹形等；還應注意符號之間的協(xié)調(diào)性。根據(jù)各種植物的屬性（樹高、胸徑等）、數(shù)量設(shè)置符號尺寸，使符號更貼近實際，不死板。

由于本文研究的是校園植被的時態(tài)表達，所以隨時間的變化植物對應的符號也應不同，如開花期以花為特征制作符號，果期以果實為特征制作符號。

當一種植物在不同狀態(tài)下有不同的符號時，該植被的每個符號都應對應一個編碼，以便系統(tǒng)進行調(diào)用。因此，分為兩級進行編碼，一級編碼為植被編碼，二 級編碼表示植被的生命狀態(tài)，01為芽、02為葉、03為花、04為果實未成熟時期、05為果實成熟期。除此之外，對于常綠植被（如雪松、大葉黃楊等）選用一 種符號表達即可（表3）。

表3 石榴和雪松的符號表

2.3 模型設(shè)計

校園植被時態(tài)表達的設(shè)計思想為：在圖下方添加時間條，拖動時間條，校園植被的狀態(tài)將會發(fā)生相應變化，用戶可第一時間了解校園植被的動態(tài)變化情況。另外，校園里有些植被的果實是可食用的，如石榴、柿樹等，系統(tǒng)也對果期進行了顯示和表達。

時間條按12個月進行設(shè)計，對于落葉的植被，可分為落葉期、發(fā)芽期、花期和果期，每個時期都有一 個起始和終止時間。首先使二級編碼為空，將時間條拖動到一個時間段，此時的二級編碼為相應植被生命狀態(tài)的二級編碼，再與一級編碼進行字符段拼接，在圖上進行顯示。以石榴為例，石榴4月發(fā)芽，5～6 月開花，9～10月果實成熟，其時間軸就可分為1～3月、4月、5～6月、7～8月、9～10月、11～12月。1～3月、11～12月石榴已落葉，處于枯枝狀態(tài)，圖上可不予顯示。當Bud=4時，二級編碼為01，再與一級編碼2300097進行字符段拼接，即可得到石榴芽的符號。當Florescence1=5、Florescence2=6時，此時二級編碼為03，再拼接一級編碼的字符段2300097，系統(tǒng)即可得到石榴花的符號，并顯示校園里石榴開花的情況。其他時間段也是如此。

另外，常綠植被的二級編碼始終為01，拼接上一級編碼就會顯示其狀態(tài)。不過對于該類植被，隨著時間條的拖動，狀態(tài)和符號變化不大。

3 應用實例

本文選取山東科技大學為研究區(qū)。山東科技大學校園綠化面積大，植被種類繁多，景色優(yōu)美，校園植被時態(tài)表達有利于師生便捷地了解校園不同時期鮮花開放的空間分布與格局，從而促進師生更加熱愛校園、熱愛自然。

3.1 花期模塊

隨著時間條的拖動，系統(tǒng)將顯示不同月份校園植被的開花區(qū)域（圖1）。

圖1 4、5月份開花的植被

圖2 7、9月份果實成熟的植物

3.2 果期模塊

校園植被中包含可食用果實的植被，到了相應時間，系統(tǒng)將顯示什么時間、哪里的果實成熟了（圖2）。

4 結(jié) 語

本文以校園植被為研究對象，研究了校園植被隨時間變化而發(fā)生的時空變化。本文從校園植被的周期性調(diào)查入手，并針對當?shù)氐臍夂驅(qū)χ脖坏臅r態(tài)數(shù)據(jù)進行了修正；然后在屬性表里添加時間標識，從而對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。由于植被的生命狀態(tài)不斷改變，那么相應的符號也應發(fā)生變化。本文把植被符號分為5 種狀態(tài)，每種狀態(tài)均對應一個編碼，即植被的二級編碼。系統(tǒng)通過時間條對應的二級編碼，并拼接一級編碼得到相應的符號，從而在圖中顯示，實現(xiàn)了隨時間條的拖動，圖上校園植被的生命狀態(tài)隨之變化的目的。

[1] 林志輝,俞孟蕻.綜合船橋系統(tǒng)電子海圖數(shù)據(jù)庫設(shè)計研究[J].科學技術(shù)與工程,2010,10(13):3 148-3 152

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[5] 劉洪光,高錫林,馬維峰,等.基于ArcGIS的地質(zhì)災害地圖符號庫設(shè)計與實現(xiàn)[J].國土資源遙感,2011(2):147-150

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