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地理信息系统中的时空数据模型的建立.doc

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地理信息系统 中的 时空 数据模型 建立
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I龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目: 地理信息系统中的时空数据模型的建立 资源工程学院印制龙岩学院毕业论文(设计)开题报告2012 年 4 月 6 日论文(设计)题目:地理信息系统中的时空数据模型的建立姓名 年级 08 级 所在院系 资源工程学院II专业 测绘工程 指导教师开展本课题的意义及工作内容:课题研究的意义时态地理信息系统是地理信息系统的发展新热点,时空数据模型时时态地理信息系统建立的核心与基础,所以对时空数据模型的建立对于时态地理信息系统有着非常重要的意义。本课题的工作内容简介地理信息系统,对它的组成以及地理信息系统中建模过程的了解;对时空数据模型进行综述,最后以土地利用类型变化为例来说明时空数据模型。总体安排及进度:4月05日—4月13日 查找相关资料,为论文做准备,完成开题报告4月14日—4月20日 资料分析整理,数据分析,并做论文提纲4月21日—5月04日 开始着手论文写作5月05日—5月20日 完成论文初稿,上交给指导老师5月21日—5月30日 整稿,完成论文正稿6月01日—6月10日 论文提交和答辩准备(PPT等相关工作的完成)课题预期达到的效果:时空数据模型是时态地理信息系统建立的核心,所以对时空数据模型的研究有着非常重要的地位,对于一个时空数据模型建立过程的描述,用一个实例来说明,对时空数据模型的建立和了解都有很大的意义,让人了解时空数据模型的建立。并分析为什么基态修正模型适合栅格数据。指导教师意见:签名:地理信息系统中的时空数据模型的建立[摘要]:时态 GIS 的基础是时空数据模型的建立,国内外均有许多学者对时空数据模型进行了研究,他(她)们出发点都是地理实体的空间特征再结合时间属性来进行研究,也有很多学者对时空数据模型的研究作出综述,是本文从地理信息系统出发,地理实体具有的特征并结合如何在地理信息系统中描述地理实体以及空间分布、时间属性等出发,根据地理信息系统中建模过程,统计时空数据模型,最后以土地利用类型变化建立时空数据模型说明基态修正时空数据模型更适合于栅格数据的建模。[关键词]:地理实体 时空特征 时空数据模型III目录1 引言 ............................................................................................................................................................................12 地理信息系统基础 ....................................................................................................................................................12.1 GIS 系统的组成 ...................................................................................................................................................12.2 地理信息系统对空间对象的描述基础 ..............................................................................................................22.3 地理信息系统的认知过程 ..................................................................................................................................43 时空数据模型 .............................................................................................................................................................53.1 时空数据模型定义 ..............................................................................................................................................63.2 时空数据模型类型 ..............................................................................................................................................6IV4 时空数据模型建立(以土地利用类型变化为例) .................................................................................................94.1 时空数据模型的需求分析 ..................................................................................................................................94.2 时空数据模型的概念设计 ..................................................................................................................................94.3 时空数据模型的逻辑设计 ................................................................................................................................105 结论 ...........................................................................................................................................................................12致谢语 ..........................................................................................................................................................................12参考文献 ..................................................................................................................................................................1311 引言随着 GIS 的发展,地理信息系统相关的软件逐渐能为 GIS 的使用者提供一个清晰的、实时的、直观的、全面的信息表达方式,并能对具有时空特性的信息进行可视化表达,能提高管理的科学性和及时性,被认为是用于解决空间问题的有效手段。随着计算机技术飞速发展,特别是计算机硬件的发展,人们对空间信息的渴望也不断地增长,对地理信息系统的要求越来越高,在技术发展和应用需求的驱动下,地理信息系统的应用也越来越广泛。地理信息具有三个基本的特征,即时间、空间和属性特征,怎样处理好这三个特征是地理信息系统发展的主要内容。然而在传统的地理信息系统应用只涉及地理信息的两个方面:空间维度和属性维度,因此也叫 SGIS(Static GIS) ,而能够同时处理时间维度的 GIS 叫 TGIS(Temporal GIS) 。在 TGIS 中,具有时间维度的数据可以分为两类,一类是可以称为结构化的数据,如一测站历史数据的积累,它可以通过在属性数据表记录中简单地增加一个时间嶻(Time Stamp)实现管理;另一类是非结构化的,最典型的例子是土地利用状况的变化,描述这种数据是 TGIS 数据模型的重点要解决的问题 [1]。时空数据模型时 TGIS 的核心,所以在国内外均有很多学者提出自己的看法,在时空数据模型的研究中,时态问题占着重要的位置,包含属性数据和空间数据的时态问题。在 20世纪 70 年代,属性数据的时态问题已经引起了数据库研究领域的学者的关注,空间数据的时态问题直到 20 世纪 80 年代末才引起人们的注意 [2]。在 1992 年,Gail Langran 发表了他的博士毕业论文“地理信息系统中的时间” ,是 GIS 时空数据模型研究的开始的标志,相继在我们国内也有很多的学者作出了自己的研究,比如陈军在 1995 年提出了非第一范式时空数据模型,1997 年杜道生等也研究了时空数据模型,提出了同步数据项和碎分拓扑弧段时间的时空数据模型;龚建雅也对时空数据模型进行了研究,并在 1997 年发表了面向对象时空数据模型。朱建军 [3]等在 2009 年对目前所有的时空数据模型进行综述,对一些时空数据模型的异同点、分类等作出一个论述。对时空数据模型作一些归结、说明、分析,时空数据模型本身是在对地理实体熟悉并建立了地理认知模型的基础下,用地理语言描述的一个概念模型,本文把时空数据模型放入地理信息系统中进行一个剖析,并最后以土地利用类型变化为例来创建一个时空数据模型。在系统地分析了时空数据模型和综合调查各种时空概念的基础上,结合国际上己有的时空概念建模方法、时空数据模型、时空动态建模方法等方面的研究成果,从概念设计、逻辑设计、应用分析等多个层面对时空数据库展开系统的研究,以便对时序数据进行科学合理的时空一体化管理,其研究结果表明,基于双基态修正模型的时空数据模型可以提高对时空数据输入、检索、查询和更新的速度。2 地理信息系统基础在我们认识事物中,脑子需要对一些文字或者句子进行处理,从而得到别人或是对事物的认识。在地理信息系统中也是一样的,一些的文字或者句子就是输入地理信息系统中数据,而地理信息系统就像是脑子一样对这些数据进行处理从而得到想要得到的地理信息。地理信息系统(Geographic information system,简称 GIS)是在计算机硬件、软件系统支持下,对整个或者部分地球表层(包括大气层)空间中的有关分布数据进行采集、存储、管理、计算、分析和描述的技术系统 [4]。2.1 GIS系统的组成在我国,完整的 GIS 系统可以理解为在核心部分(软件和硬件)支持下,主体(人员)对操作对象(地理空间数据库)通过作业方法(分析功能或空间分析模型)得到空间数据信息,人主要包括系统管理人员、系统开发人员以及分析人员。2.1.1 核心部分(硬件和软件)2计算机硬件系统是地理信息系统系统中的实际物理装置的总称,是组成地理信息系统的物理外壳,它是根据 GIS 功能和规模进行配置的,有基本设备和扩展设备之分。基本设备主要包括计算机主机(含鼠标、键盘、显示器等) 、存储设备(比如:光盘刻录机、磁带机、活动硬盘等) 、数据输入设备(如数字化仪、扫描仪等) 、数据输出设备(绘图仪、打印机等) ,这些基本设备是组成 GIS所比不可少的,同时也是组成简单 GIS 单机系统的硬件要求。为了使 GIS 软件能够与网络、多媒体数据等组成多功能的 GIS 而增加的设备,比如有图像处理系统、虚拟现实与仿真系统、网络系统等。GIS 的软件部分又是它的核心中的核心,关系到 GIS 的功能。GIS 的功能是对数据进行采集、加工、管理、分析和表达,这样便将 GIS 基础软件分为六大子系统:数据输入与格式转换、图形与属性的编辑处理、数据存储与管理、数据分析与处理、数据输出与表示和用户接口 [5]。2.1.2 地理空间数据库数据是 GIS 的操作对象,是 GIS 的血液,它包括空间数据和属性数据。地理空间数据库是地理数据组织的直接结果,为此它需要数据库管理系统进行统一管理。在我们测量中,主要产品有 4D数据类型,分别是 DLG(Digital Line Graph)即数字线划数据、DRG(Digital Raster Graph)即数字栅格数据、DEM(Digital Elevation Model)数字高程模型、DOM(Digital Ortho Map)数字正射影像。在 GIS 不单单只需要这些空间数据,还需要属性数据。数据组织按工作区、工作层、逻辑层等方式进行。2.1.3 人员人是 GIS 成功的决定因素,包括系统管理人员、系统开发人员和分析人员。在建设过程中,还包括 GIS 专业人员、组织管理人员和应用领域专家。主要有地图使用者、地图生产者、地图出版者、数据录入人员、地图分析员等使用 GIS。2.2 地理信息系统对空间对象的描述基础地理信息系统是通过对地理数据处理、分析等操作而最终得到地理信息,从而为人们提供关于现实世界新的事实和知识,作为生产、建设、经营、管理和决策的依据。地理数据是描述地理实体或者地理现象和它们间关系的符号化表示,在了解如何对地理实体进行描述必须对地理空间有一个了解。地理信息(Geographic Information)是有关地理实体和地理现象的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识,是与地球表面位置数据相关联的信息,是对表达地理特征和地理现象之间关系的地理数据的解释。地理实体是指相对永久存在的地表物体,如典型的山地、道路、房屋等;地理现象是指一些偶然发生的地理事件,如火灾、洪水、干旱等。2.2.1地球系统科学地球系统科学(Earth System Science)是研究地球系统的科学。地球系统,是指由大气层、水圈、土壤岩石圈和生物圈(包括人类自身)等四大圈组成的作为整体的地球。它包括了自地心到到地球的外层空间的十分广阔的范围,是一个复杂的非线性系统。在它们之间存在着地球系统各组成部分之间的相互作用,物理、化学和生物三大基本过程之间的相互作用,及人与地球系统之间的相互作用,将构成地球整体的四大圈层作为一个相互作用的系统,研究其构成、运动、变化、过程和规律等,并与人类生活和活动结合起来,借以了解现在和过去,预测未来 [3]。2.2.2 科学思维方法由上可了解到地球系统科学面对的是综合性很强的问题,应该采用多种科学思维方法,即大科学思维方法。大科学思维方法包括系统方法、分析和综合方法、模型方法 [3]。系统方法,是指将所研究对象作为一个整体系统来进行研究分析的方法,是地球系统科学的主要思维方法。这一方法体现了在系统观点指导下的系统分析和在系统分析基础上的系统综合的科学认识的过程。3分析和综合方法,是指包括从分析到综合的思维方法和从综合到分析的思维方法,实质上是系统方法的扩展和具体化。从地球系统科学的概念和所需解决的问题来看,也是地球系统科学的科学思维方法。模型方法,是针对地球系统科学所要解决的问题及其特点,建立正确的数学模型,或地球的虚拟模型、数字模型,是地球系统科学的主要科学思维之一。它对研究地球系统的构成内容的描述、过程推演、变化预测等都是至关重要的。模型是指对现实的原型系统的本质的抽象或者模拟。软件开发的过程就是人们使用各种计算机语言将人们关心的现实世界(问题域)映射到计算机世界的过程。模型应该由以下几个部分组成 [7]:⑴ 目标:系统对对象描述要达到的目的;⑵ 系统:主要是指系统描述的对象,比如房屋、河流等;⑶ 相关性:表述不同对象的关系,比如有不同变量之间的数量关系;⑷ 变量:表述各种组成部分的量的变化,可以分成内部变量,外部变量和状态变量;⑸ 系统成分:构成系统的各种组成部分或者子系统;⑹ 约束条件:系统所处的环境,比如计算机硬件的限制条件。2.2.3 地理空间 在地理学上,地理空间(Geographic Space)是指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式、格局及其在时间上的延续。在 GIS 中,地理空间被定义为绝对空间和相对空间两种形式。绝对空间是指具有属性描述的实体的空间位置的集合,它由一系列不同位置上的实体要素的空间坐标值组成;相对空间是具有空间属性特征的实体的集合,它由不同实体要素之间的空间关系构成 [4]。2.2.4地理实体地理实体是地理空间中独立的、具有完整地理意义的最小逻辑单元。如果 S 空间是关于空间变量 Ai 的离散空间,s 为该空间的一个独立单元,则 s 及在 s 上的空间变量 Ai 的值 F(s, Ai) 称为地理实体 [6,7]。地理实体具有下列特征: ⑴ 地理实体是可以分解和组合的,随着研究目的和范围不同, 地理实体可以再分或组合成新的地理实体;⑵ 地理实体是可以描述的, 对一个地理实体的完整描述包括对其时空属性域及其取值、非时空属性域及其取值、地理实体基本关系和方法的描述,其中属性域是描述该地理实体所有可能属性项的集合,值域是每一属性可能取值范围;⑶ 地理实体是可以区分的,即任意地理实体都具有一组属性, 由这一组属性唯一确定该地理实体的存在;⑷ 地理实体是可以标识的,即可以给任意地理实体一个唯一标识符。GIS 的表达的对象是地理空间信息,为了能够很好的处理,需要对地球系统科学有个了解。明确目前能有几种科学思维方法描述地球系统,并且需要考虑计算机硬软件、表达效果及效率等因素。从而选择一种行而有效的科学思维方法,在 GIS 中快速运行却被人们接受。2.2.4时空变化类型时空数据建模应考虑不同类型的时空过程和应用,在建立时空数据模型之前,我们需要把时空过程进行分类。地理实体和现象的一个基本特征就是发展,它们都会随着时间的变化而发生变化。研究时空变化的时候,需要确定变化的类型;而为了能准确地给出数据模型中的时间定义,我们要掌握关于地理实体和现象的基本变化规律。地理实体变化有时会停顿,停顿后又会得到继续,根据这些特点把地理实体变化又分为离散变化和连续变化。实体的连续变化状态是指依据地理实体会按照一定的规律约束发生不间断的变化,这种变化的划分在一定程度上依赖于时间尺度。地理实体的突然发生的变化称为离散变化,它在不同时刻有不同的状态,常常是无规律可循。离散变化跟连续变化也有相互转换的关系,某种大时间尺度下的离散变化可以近似的认为是一种连续变化,反之小4时间尺度下的连续变化可以认为是离散变化。根据地理变化的程度,在形式上把地理实体变化分为地理实体的进化和地理实体的生亡。由地理实体的本质特征发生变化而引起的变化称为地理实体的存亡,一般是指地理实体的属性特征或空间特征发生的变化。而地理事物变化有快慢,同时变化的周期有长也有短,因而将地理变化分为:短期(如洪水、地震的发生过程),中期(如城市化过程),长期(如地壳运动)。按照时空应用所涉及的信息类型,时空过程可分为如下类型:(1)地理实体属性离散变化,如事物含有的数量的增加。(2)空间的离散变化而地理实体属性的连续变化。(3)像铁路改线这样的空间离散变化。(4)空间的连续变化而属性的离散变化。 (5)属性连续变化,如某城市市区划线内资源、人口在不断变化,而城市市区划线相对稳定。(6)属性和空间都离散变化,如地籍变更。(7)属性和空间位置都连续变化,如暴风雨来临时,而它的形状和性质也在断发生改变。(8)空间位置连续变化,如火车在铁路上的移动,火车的位置在不断的变化,但它的形状和属性没有发生改变。2.3 地理信息系统的认知过程现实世界地理实体和地理现象固有的空间、属性和时间三个基本特征,每个地理实体都有自己的一个过程,在不同时刻它的属性跟空间状态都会有所不同,所以只有描述空间、属性和时间相结合的方法才能正确、动态的反映现实世界。众所周知,建立一个数据库的前提需要对地理实体进行一个的认知过程,在 GIS 中称为 GIS 认知,如下图 2-1 所示,在地理信息系统中,它的认知过程:首先对地理实体及关系有深入的理解,形成地理实体的概念模型(包括空间现象描述、空间对象抽象和空间对象表达等) 、根据形成的概念模型,用计算机能识别的语言构造逻辑模型(包括空间关系描述、空间数据集成、空间数据结构等)建立物理模型(空间数据管理、空间数据组织等)以便实现对地理实体的重构(包括地学可视化、空间数据构模等) ,最终在用数据库语言在计算机里面建立数据库,用数据库管理软件进行数据管理、分析等 [9]。在地理信息系统的认知过程,可以认为时空数据模型(spatio-temporal data model, STDM)是时态地理信息系统的建立理论基础,同时也应是 TGIS(Temporal GIS)的核心,可想对时空数据模型的研究有着重要的地位。图 2-1 地理信息认知过程在 GIS 研究领域,由现实世界到 GIS 的抽象过程可划分为三个层次模型:概念数据模型、逻辑数据模型、物理(存储)数据模型(张山山,2001)。5图 2-2 地理数据模型的三个层次⑴抽象模型(概念模型)抽象模型是在对现实世界中的地理实体或现象有个深刻的认识,对地理事物或者现象进行抽象,从而形成的抽象概念集,它主要描述系统的特征和行为实际结构,而非系统。一个形式化的抽象模型是系统建模的基础。⑵数据模型数据模型是在抽象模型建立形成后,根据建立的抽象模型用计算机语言建立一个数据模型,它一个完全确定了的模型,是可实现的、实在的模型,在地理信息系统数据模型有两个步骤,先建立逻辑模型,最后形成存储数据模型。数据模型是用图表、表格、数据字典等形式描述了一个信息系统模型的问题域、人机交互、数据管理、系统交互等方面的内容 [10]。①逻辑数据模型逻辑数据模型是用计算机中的语言描述的,主要描述的是信息系统涉及到的信息,并在计算机中用二进制的数据表示,把现实系统中的复杂的数据结构(概念模型形成的)映射到合适的数据表达。②存储数据模型(物理数据模型)存储数据模型根据形成的数据模型进行一定的修改,它们之间有密切联系的,它需要标明持久信息如何存储设备存储,并能在计算机中表达。存储数据模型一般是指数据库的数据模型,即用数据库语言描述逻辑数据模型,简称为存储模型,也有称物理数据模型。3时空数据模型对时空数据模型的研究是基于一定的应用目的的。首先我们应要探讨客观世界,建立了对客观世界及其相关事物认识的基础上,然后把这些认识转换为数字数据的形式,最终在计算机中建立客观世界及其相关事物的模拟系统。我们在作对客观世界的模拟时,应当保证其准确性,尽量要求接近客观世界里的事物的真实面目,然而客观世界并不是一成不变的,反而总是千变万化的。因而只能从应用的角度出发,考虑它的应用方面,因为这些模型必须要在计算机上有效重现。这样便能为了满足用户的要求,常常需要对客观世界及相关事物进行一定程度的建模。63.1 时空数据模型定义当进行对现实世界中的实体进行抽象时称为数据建模,如图 4-1 所示数据建模过程。时空数据是一个特殊的数据,不但含有地理实体的属性数据、空间数据还具有时间数据,所以它含有的数据类型多、数据量大、数据结构复杂等特点。在时态地理信息系统中,每个描述的对象都具有属性、时间和空间三个基本特征。空间特征是指空间对象的空间位置的数据及其一些派生的数据;时间特征是指有关空间对象的空间特征数据和属性数据随时间而发生变化的信息;属性特征则是标明空间对象是什么,有什么等特征,比如房子,有长、宽等属性,是一些与空间位置没有关系的属性数据。当数据模型的研究和应用的不断深入发展,另外人们对时间发生变化的信息越来越感兴趣,随时间而变化的信息逐步得到了广大学者的关注,并提出了时态地理信息系统这个概念。作为时态地理信息系统的组织核心(时空数据模型),时空数据库能否建立的保障。本来只涉及带有拓扑结构的空间数据就有数据量大、结构复杂等特点,当时间维的加入时,会让那些随时间变化而不断变化产生的历史数据会越来越多,从而积累而形成的海量数据将会使空间数据越来越复杂。但是也正是这些特性丰富了时空数据库的内容,给时空数据模型的研究带来了强大的挑战性。所以时空数据模型是指是面向一定的应用目的,根据对客观物体的认识以数字数据的形式建立的加入时间维的对客观物体的一种模拟系统。图 3-1 现实世界中数据进行抽象的过程3.2时空数据模型类型时空数据模型作为时态地理信息系统的最重要的组成部分,是时态地理信息系统的核心研究内容,关系到能否将时态地理信息系统应用在现实事件中,作预测、为决策提供依据等。在国内、国外均有很多的学者和研究者对时空数据模型展开了大量的研究和实践,各自都有自身的特色,从而产生众多时空数据模型的概念。国外有 Langran[14,15]、Peuquet [16,17]、Yuan [18]和 Pelekis et al.[19]对时空数据模型作出研究并发表了相应的文献,其中 Langran[14]总结出 4 种模型,快照模型(snapshots) 、基态修正模型(the base state with amendments model) 、立方体模型(space-time cube model)和时空组合模型(space-time composites),他是从计算机模型入手,把前人对时空模型的研究的成果进行文献性论述,被国内外学者们认为是时态 GIS 研究的标志;Peuquet [17] 探讨了基于实体的时空表达、基于位置的时空表达、基于事件的时空表达和基于时间的时空表达等,也是对已有的模型进行了总结和讨论,但他是从时间所要表达的特性和本质出发;Yuan [14]主要是基于过程或事件的时空模型(包括 ESTDM(Peuqet & Duan,1995) 、地形空间模型和三域模型(the three domain model,Yuan 1994;A process oriented or semantics approach, Yuan 1996)和基于时间标签(包括快照模型、时空复合模型、时空对象模型 [20])的模型等相关模型进行了归纳和评述。Pelekis et al. [15]用图来实例化模型的方式详细说明 11 种模型。国内学者从时空数据模型的应用领域出发,参照国外的一些探讨成果,对时空数据模型进行总结。比如尹章才和李全 [21]总结和阐述了国内外比较实用的 10 种时空数据模型等,他们是以土地划拨为例,对时空数据的存储管理和语义进行作出的表达。自从 Langran 总结了 4 种模型,即立方体模型(space-time cube model)、快照模型(snapshots)、基态修正模型(the base state with amendments model)和时空组合模型(space-time composites),国内国外都还有很多学者提出了自己特有的模型或扩展模型,在此先介绍最早的序列快照模型(snapshots)、基态修正模型(the base state with amendments model)和时空组合模型(space-time composites)。
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