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地理信息系统时空数据建模研究及应用

张山山  
【摘要】: 为了获得对地理现象的空间、时间、及属性的完整描述信息,实现时空数据的统一存储、管理,并按不同需求提取,完成时序、空间和时空等多种分析,发展具有时空数据集成能力的时空建模技术已成为当前GIS领域的一个重要研究方向。在对时空数据的应用特点以及现有时空数据模型的研究成果进行广泛调查和深入分析的基础上,本文从时空数据建模的基本概念、时空应用概念建模方法、时空数据模型的逻辑结构、时空动态建模以及时空数据模型在城市交通规划中的应用等方面,对时空数据建模进行了较为系统的研究。主要的研究成果如下: 论文对GIS数据模型进行了分析,并对GIS的空间概念和时间概念进行了论述。在讨论了各种时空变化类型后,论文对已有时间概念模型进行了分析,提出时空数据建模的基本目标是表达时空变化,并就此提出根据表达离散变化和连续变化的需要,时间概念模型可分为基于事件和基于过程的模型,并结合基于场的和基于对象的空间概念模型,提出时空概念模型可划分为四种:场事件时空概念模型,场过程时空概念模型,对象事件时空概念模型,对象过程时空概念模型。 论文从应用系统开发的角度,对时空应用的系统概念建模方法进行了研究。基于时空应用的特殊需求和时空基本概念,分析了时空应用概念建模的特殊性。对已有的建模方法进行分析后,提出了时空应用系统概念建模方法应遵循的标准,进而开发了一种清楚、简洁的符号系统,对对象模型进行扩展,提出了时空扩展对象模型。时空扩展对象模型与传统方法相比,能更方便地获取时空信息,加速建模过程,使建立的模型更容易理解和维护。 论文对已有的时态属性数据处理方法、时空数据模型进行了分析,对设计时空数据模型所必须解决的问题进行了讨论,从面向对象的基本概念出发,着重阐述了面向对象时空数据模型的设计方法。论文完整地定义和描述了时空数据模型所涉及的时空对象类型,提出采用时间区间标记对象的存在时间,以表达对象的存亡情况;采用时间点标记有效时间,以表达对象的进化情况。论文对模型的时态属性数据组织和空间对象的时态处理进行了描述,提出作为节点和弧段,空间位置和范围是它们的本质属性,所以只要节点和弧段的空间位置和范围发生变化,则节点和弧段发生生亡事件。论文对 一 弧段与多边形相交情况下的弧段插入操作和时空索引等问题进行了研究。 时态 GIS应支持基于过程的时空动态建模。论文发展了基于过程的时 空动态建模方法。对空间过程模拟的理论基础、空间过程模拟模型的特点、 现有 GIS数据模型的局限性、基于过程时空数据模型与 GIS结合的方法进 行了分析和讨论。论文基于连续值元胞自动机的思想,从地震波的波动方程 出发,推导出地震波模拟的元胞自动机的更新规则,进而建立了一个地震波 模拟的连续型元胞自动机模型。论文还描述了利用 OpCflGL进行地震动模拟 的计算机实现过程。 交通是GIS。个主要应用领域,而把时间引入交通GIS的研究尚不多见, 己有的研究只是对道路交通量的时态特征进行了表达。本论文以城市交通规 划为背景,对城市交通规划时空数据模型的设计方法进行了讨论,提出了一 个城市交通规划时空数据模型。论文着重对交通规划基础信息面状要素、线。 。’,、二二一二二二二二二二二。_;;;_。_。。。。斗I、I。。。甘I、。。。@ 状要素、点状要素时空表达,分解出行数据的时空表达,以及规划万案信息’ 的管理进行了研究。 论文以M。plnfo为平台实现了一个城市交通规划基础信息实验系统。系 统实现了交通规划基础时态数据的更新、管理及显示功能。其中包括道路网 时态数据、交通小区时态数据、交叉口时态数据的更新显示和管理。系统还 实现了出行路径的动态显示功能及缓冲区分析功能。 时空概念模型的提出为时空数据建模提供了概念基础。时空扩展对象模 型的提出为时空应用概念设计提供了有力的工具。对面向对象时空数据模型 的发展,及其相关操作和时空索引技术的研究,为时空数据模型的最终实现 迈出了可喜的一步。基于过程的时空数据动态建模方法研究为地理信息建模 研究展示了、个新的研究方向。时空数据模型在城市交通规划中的应用,是 对时空应用研究的一次富有希望的探索。总之,时空数据建模研究仍是一个 充满挑战的新兴课题,目前还处在一个理论探索和方法实验阶段,在真正达 到实用化之前还有大量工作要做。


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