基于位置和对象集成的时空数据模型及其在土地利用中的应用研究

【摘要】：GIS所描述的现实世界是随时间连续变化的,随着GIS应用领域的不断扩大,时间维必须作为与空间等量的因素加入到GIS中来,于是产生了时态GIS(TGIS)。TGIS由于能够提供辅助决策支持,为人们描述了一幅美好的前景。随着计算机技术、信息技术、空间数据获取手段的飞速发展,TGIS也越来越引起了人们的关注。目前TGIS的研究重点主要在时空数据库模型(如何设计并建立一个有效的数据库结构来存储时空数据)、时空分析和推理(如何根据数据库中大量的时间序列数据和空间数据进行包括时间推理和空间推理在内的数据分析)、时空数据库管理系统(目前主要研究的是时空数据库查询语言,而真正数据库管理系统层次的研究很少)、时空数据的可视化研究(探讨不同时间数据的显示、制图和符号化),其中时空数据库模型的建立是TGIS的基础。 现有时空数据模型在不同的应用领域取得了相应的成果,但仍然存在一些问题,如对时空语义理解的不足、时空内涵单一化、更注重时间的描述而忽略了空间特征、受空间数据结构的制约等,这在很大程度上影响了时空数据模型对时空信息驾驭能力。笔者认为在时空数据建模过程中,空间信息的管理和时间信息的管理同样重要,且空间特征的保持是时空数据模型应具备的基本能力。因此,合适的空间建模方法和时间组织结合能够使为时空数据模型注入更强的生命力。 本文从TGIS中时空数据模型的发展现状,目前时空数据模型发展的趋势及存在的不足出发,在基于场模型和对象模型集成的空间建模基础上,提出了一种基于位置与对象集成的时空数据建模框架,并对其中涉及的一些技术和算法进行了描述。论文主要创新内容包括： (1)通过分析基于位置和基于对象的方法各自的特点,顾及到与空间相关的属性与地理实体空间特征之间的相依关系,将“事件”引入模型,提出了基于位置与对象集成的时空数据模型(STDMLO模型)。将基于位置的变化(与空间相关的属性的变化)作为显式事件,显式事件被认为是变化的“因”,描述地理实体局部特征的变化；而由于显式事件导致的地理实体基于对象层面的变化作为隐含事件,隐含事件被认为是“果”,描述地理实体由于实体局部区域发生的综合变化导致的基于对象的变化。该模型通过时间轴上事件的排列顺序描述时间信息,通过显式事件和隐含事件描述该时刻发生的对象的变化。该模型弥补了以往时空模型由于采用的空间数据结构带来时空信息表达上的不足；保持了空间对象在变化过程中的拓扑信息的记录；对地理实体的变化进行了深入研究,能够对地理实体／现象的出现、成长与消亡过程进行描述；能够同时提供基于位置、基于对象和基于时间的时空表达和查询功能。 (2)考虑到对变化的认知关系到模型驾驭时空信息的能力,在Claramunt, Hornsby和Egenhofer等进行的定性变化研究的基础上,提出了利用相似性理论对不同时期对象的变化程度进行定量描述的方法,通过计算不同时期对象间的相似度,对对象的“量变”和“质变”进行判断,并提出了结合相似系统中的相似元数值,对对象的变化类型进行判断,并对对象变更前后的父子亲缘关系进行判别。该方法能够通过对地理实体变化程度的判断选择为对象建立一个新版本,还是作为新对象存储在数据库中,并对变化的类型进行判断,为时空信息的存储和时空过程的跟踪建立了基础。 (3)分析了静态可视化技术在表达变化时的直观性,基于Poonam Shanbhag根据提出的用楔形(wedges)、环形(rings)和时间切片(time slices)的三种方法对时间进行可视化表达,本文提出了一种基于“年轮(annual ring)"的时空静态可视化表达方法。由于“年轮”每轮一年,厚度不一。宽的“年轮”表示当时生长条件优越有充足的阳光和水分,窄的“年轮”标志着那一年是个旱年。“年轮”能够通过厚度表达生长条件的特点,光亮的线条表示多水的春季时迅速而旺盛的生长,黑暗的线条表示夏季缓慢的生长的特点。借鉴“年轮”的这些特点,该方法将属性特征与对象的图形空间特征结合在一起,并将属性特征数值化转化为“年轮”的厚度值,空间特征作为“年轮”的形状,地理实体经过的时期表示为“年轮”的数量,并结合视觉变量进行可视化表达。该方法不仅能对时间进行表达,还将属性特征反应到空间特征上,是一种能将时间、空间和属性结合起来进行静态可视化表达的方法。 基于本文所研究提出的基于位置与对象集成的建模方法的有关理论、方法与算法设计,用VB 6.0编程实现。并选取了广东省东莞市常平镇的几个村庄在2003、2004、2006三期的土地利用现状图,进行了系统的实验分析,有关实验结果证明本文提出的时空模型能有效处理基于位置的局域变化信息以及基于对象的变化过程,消除了长久以来基于栅格的时空数据模型和基于矢量的时空数据模型由于数据结构的限制导致各自在时空信息的管理和查询能力方面的不足,并且时空数据模型研究领域中基于栅格数据建模的研究比较少,本文的研究为基于栅格的时空数据建模提供一种新的建模思路。实验结果还证明,本文提出的时空建模方法能够消除时空内涵的单一化,能够反映地理实体/现象的发生、成长与消亡过程以及时态与空间之间的相互关系和功能、能够保持地理实体在变化过程中的拓扑关系,由于矢栅一体化数据结构的应用,使得多源数据的集成称为一种可能。 本文提出的基于位置与对象集成的时空建模方法将一种新的时空认知方法——变化过程中场模型作为对象模型更低一级的空间表现方法——引入到时空建模中来,为离散的空间变化、连续的空间变化的结合问题提供了一条新的解决途径。