空间数据模型在土地数据库建设中的应用探讨

文/蔡 晖 叶华平 游开燕

对空间数据模型的认识和研究是GIS学科的核心内容和重要论题。广义上的地理空间数据模型研究的主要内容就是如何正确对以上内容进行描述并有效实现庞大信息量和检索速度的协调，同时动态地表现地物的发展变化。在设计GIS空间数据库和发展新一代GIS技术及其应用过程中有着举足轻重的作用，它直接影响着数据库中数据的语义表达、查询、检索的方式、速度和效率。空间数据模型按照空间数据时态特征的地位也经历了静态空间数据模型与时态空间数据模型两大阶段。

一、时空数据模型概述

时态GIS的组织核心是时空数据库，时空数据模型则是时空数据库的基础。

时空数据建模是针对如何合理、有效地表达、记录和管理现实世界时空变化实体及其关系与行为的研究，是GIS数据建模的前沿研究领域，也是建立TGIS的极其重要的基础。然而，由于时空变化语义的复杂性和时间维表达的特殊性，目前仍无普遍接受的时空数据模型，也未见各方面较为成熟的TGIS基础平台，且实用的GIS系统很多仍是静态或准静态的。

从建模方法学角度，时空数据建模可划分为三个层次，即时空语义建模、时空数据逻辑建模和时空数据物理建模，相应时空数据模型包括时空语义模型、时空数据逻辑模型和时空数据物理模型。时空语义建模属于概念模型一级，主要研究地理认知世界中的时间和空间概念、时空结合的含义以及所要表达的时空实体及其时空变化特征。时空数据逻辑建模内容包括时空数据类型及其数据结构实现、时空数据操作及时空完整性约束三个部分。时空数据物理建模主要考虑系统结构、物理数据存储结构和时空索引结构等。其中，语义建模是基础，逻辑建模和物理建模具体表达时空语义及语义信息的物理存取。时空数据模型特点是语义更丰富、对现实世界的描述更准确。一个有效的时空数据模型必须具有数据存储冗余度低、支持各种复杂时空对象的构造、表达丰富的时空语义、兼顾检索效率和用户的应用要求等特点。

从时态GIS实现的角度来看，时空数据模型可分为广义与狭义。从广义上，时空数据模型可涵盖包括准静态空间数据模型在内的所有考虑时变因素的非静态空间数据模型，这些系统底层并不一定包括对传统静态GIS空间数据模型的改造。换句话说，广义上的时空数据模型可以和传统静态GIS系统在底层数据模型上没有本质上的差别。

狭义上的时空数据模型则不然，它需要充分研究时间维语义和表达的特殊性，对传统静态GIS空间数据模型进行扩充和改造，使之能够对时变特性的属性和空间数据进行沿时间维的动态组织和存储，实现动态多维(包括时空三维或时空四维)时空数据的一体化表达及管理，特别是具备时序分析能力。这种空间数据模型才是真正意义上的时空数据模型。

上述两个层面的理解都有理论或现实的意义。广义上的时空数据模型允许将相对成熟的传统静态GIS技术作简单扩展实现时态GIS功能，虽然不能完全满足时空动态应用的需求，但由于不要求对传统静态GIS系统做较大的改动，设计和开发比较容易，成本和风险相对也较低；另一方面，采用狭义的时空数据模型，可以引导时空数据建模、时空数据库实现及可视化表达与分析向真正的属、时、空一体化方向发展。

二、时态GIS与时空数据库

时态GIS包含时态数据库（temporal database），内置有时空数据模型。时态数据库基于时态数据模型，是数据库系统技术的一个比较前沿的分支。时态GIS采用时态数据库技术，动态地研究三维地理空间的数据和信息。因此，时态GIS所基于的数据模型成为时态空间数据模型，或简称时空数据模型。

1.时态地理信息系统

时态地理信息系统，亦称为时态GIS、temporal GIS或者TGIS。时态GIS是相对GIS而言的。地理环境、事物和现象不断发展变化，但是静态GIS仅对其进行“快照”式的表达。当研究的空间现象状态发生变化时，静态GIS对原来的状态不予保留，只关心系统变化后的结果;它只是简单的对一定瞬间的地理现象进行备份，将发生的时间作为属性数据保留，而非惯性过去时刻状态的回放，也不对动态演变进行比较分析。这种只对当前数据状态进行“快照”是描述的GIS系统，称静态GIS。

时态地理信息系统将时间概念引入GIS中，跟踪和分析空间数据和随时间的变化。它不仅描述系统在某时刻、时段的状态，而且描述系统沿时间维变化的过程，预测未来时刻、时段系统将会呈现的状态，以此获得系统变化的趋势，或者对过去不同时刻、时段的系统状态回放重现，总结出系统沿时间变化的规律。这种不同于静态GIS，含有时间概念的GIS系统，成为时态GIS或TGIS。

2.时空数据库

时空数据库的基本概念、特征及术语。

有效时间(valid time)：指一个对象在现实世界中发生并保持的那段时间、或者该对象在现实世界中为真的时间段。有时也称为对象时间、世界时间、外界时间和物理时间。

事务时间(transaction time)：指一个对象录入数据库系统的时间，有时也称为系统时间、 数据库时间、历史记录时间、逻辑时间等。

用户定义时间(User-defined time)：指用户根据需要而输入的时间，数据库管理系统将它与库中其他一般数据同等对待。

快照数据库(Snapshot database)：使用删除、替换对数据库状态进行数据更新的一系列系统活动，它导致数据库的过去状态丢失并忘记，它仅反映现实中的一个片断。

回滚数据库 (Rollback database)：根据事务时间在系统中保存对象的所有过去历史，并能对库中任何数据做更新操作。

历史数据库 (Historical database)：根据有效时间在系统中保存对象的所有过去历史，并能对库中任何数据做更新操作。

时态数据库(Temporal DB)：根据有效时间和事务时间在系统中分别保存对象历史和数据库状态。

三、几种有代表的时空数据模型

时空立方体模型。时间立方体模型用二维图形沿时间第三维发展变化的过程表达现实世界平面位置随世界的演变;给定一个时间位置值，就可以从三维立方体中获得相应的截面、立方体的状态。也可扩展表达三维空间沿时间变化的过程。缺点是随着数据量的增大，对立方体的操作会变得越来越复杂，以至于最终变得无法处理。

连续快照模型。连续快照模型是将一系列的时间片断快照保存起来，反映整个空间特征的状态，根据需要对指定时间片断的现实进行播放。该模型的不足在于，由于快照将未发生变化的时间片断的所有特征重复进行存储，会产生大量的数据冗余，当应用模型变化频繁、且数据量较大时，系统效率急剧下降。此外，连续快照模型不表达单一的时空对象，较难处理时空对象的时态关系。

基态修正模型。为了避免连续快照模型将每张未发生变化部分的快照特征重复进行记录，基态修正模型按事先设定的时间间隔采样，只存储某个时间的数据状态(称为基态)和相对基态的变化量。基态修正的每个对象只存储一次，每变化一次只有很小的数据量需要记录。同时，只有在事件发生或对象发生变化时，才存入系统中，时态分辨率刻度值与事件发生的时刻完全对应。基态修正模型不存储每个对象不同时间段的所有信息，只记录一个数据基态和相对应基态的变化量，提高了时态分辨率，减少了数据冗余量。但基态修正模型较难处理给定时刻的时空对象间的空间关系。对于将整个地理区域作为处理对象时，该模型处理方法难度较大，效率较低，管理索引变化很困难。

时空复合模型。时空复合模型将空间分隔成具有相同时空过程的最多的公共时空单元，每次时空对象的变化将在整个空间内产生一个新的对象。对象把在整个空间内的变化部分作为它的空间属性，变化部分的历史作为它的时态属性。时空单元中的时空过程可用关系表来表达，若时空单元分裂时，用新增的元组来反映新增的空间单元，时空过程每变化一次，采用关系表中新增一列的时间段来表达，从而达到用静态的属性表表达动态的时间变化过程的目的。但在数据库中对象标识符的修改比较复杂，涉及关系链层次很多，必须对标识符逐一进行回退修改。