Use of a Three-Domain Repesentation to Enhance GIS Support for Complex Spatiotemporal Queries

As the development of Geographic Information Systems (GIS) proceeds to advanced scientific and societal applications, there is an emerging need to enhance GIS support for complex spatiotemporal queries. Dynamic GIS representations (as opposed to static, map-based representations) that can integrate proper data elements in the production of geographic information are required. This paper demonstrates the use of a three-domain representation that facilitates compilation of higher-level information (such as frequency and rate) from preliminary data records (such as time and location) stored in a database. The three-domain representation is compared with snapshot, space-time composite, and spatiotemporal object models using a sample data set for forest transitions. While the three-domain representation is a normalization of these data models, it offers a conceptual alternative that enables GIS to represent spatiotemporal behaviors of geographic entities, in addition to entities as well as histories at locations as emphasized in most GIS data models. The comparison shows that the three-domain representation has combined the strengths of the space-time composite and spatiotemporal object models. Moreover, it enables aggregations of analytical use along with dynamic mappings between geographic concepts and locations, a distinct capability that takes GIS query processing beyond the level of information support offered by static map-based data models.     

Dynamic GIS Case Studies: Wildfire Evacuation and Volunteered Geographic Information

Incorporating the temporal element into traditional GIS is a challenge that has been researched for many years and has many proposed solutions. The implemented system "Extended Dynamic GIS" or EDGIS is based on the "geo-atom" and Space Time Point (STP). EDGIS provides a platform for spatiotemporal data representation, storage, and query in order to address the need for a dynamic GIS to manage complex geographic data types. The system has the capability of executing spatiotemporal object interaction queries (OIQs) such as crossing and coincidence of field-objects and object-fields. In this article existing dynamic GIS analysis techniques are further improved and enhanced through exploration of more in-depth case studies. Further examined here are applications to wildfire evacuation modeling and travel scenarios of urban environments with individuals providing volunteered geographic information (VGI). The EDGIS platform provides a means for interacting with a range of dynamic geographic phenomena. The areas of transportation, location based services (LBS), hazards, and geo-sensor networks provide challenges intertwined with the above applications as well as additional challenges pertinent to the ongoing GIScience research topic of spatiotemporal GIS. Using EDGIS to explore the described case studies of wildfire evacuation as well as VGI provides the advancements described above and demonstrates implemented uses for dynamic GIS.     

土地利用动态监测中的时空数据模型研究

针对传统GIS数据模型存在的问题,开展了基于特征的时空数据模型研究.结合我国土地利用动态监测,提出了一个新的时空数据模型-基于变化特征状态的时空数据模型(SCFSTDM),该模型保持了地理现象的完整性,地理信息的完备性以及时空专题信息的有机集成,模型有利于面向目标定向分析方法的应用和时空分析与推理的实现,有利于地理数据的共享,设计和开发了基于SCFSTDM的时态土地利用信息系统,实现了基于特征实例的时空复合查询,时空推理以及动态播放等功能.     

基于GIS的热带气旋相似路径检索系统研究

本文应用GIS技术建立了热带气旋路径检索分析系统。我们首先以ESRI的Shape模型为基础设计了热带气旋路径的空间数据模型,并建立了热带气旋的空间数据库,从而实现了热带气旋的空间查询工具,提高了系统的检索效率;其次提出了热带气旋路径空间相似的概念,定义了可测度历史路径和实时路径相似程度(相似系数)的面积指数方法,并最终实现了基于空间相似性测度的相似路径检索工具。     

Representing Complex Geographic Phenomena in GIS

Conventionally, spatial data models have been designed according to object- or field-based conceptualizations of reality. Conceptualization of complex geographic phenomena that have both object- and field-like properties, such as wildfire and precipitation, has not yet been incorporated into GIS data models. To this end, a new conceptual framework is proposed in this research for organizing data about such complex geographic phenomena in a GIS as a hierarchy of events, processes, and states. In this framework, discrete objects are used to show how events and processes progress in space and time, and fields are used to model how states of geographic themes vary in a space-time frame. Precipitation is used to demonstrate the construction and application of the proposed framework with digital precipitation data from April 15 to May 22, 1998, for the state of Oklahoma, U.S.A. With the proposed framework, two sets of algorithms have been developed. One set automatically assembles precipitation events and processes from the data and stores the precipitation data in the hierarchy of events, processes, and states, so that attributes about events, processes, and states are readily available for information query. The other set of algorithms computes information about the spatio-temporal behavior and interaction of events and processes. The proposed approach greatly enhances support for complex spatio-temporal queries on the behavior and relationships of events and processes.     

网络中移动对象的二维时空索引

基于2DSTMON(2-Dimensional spatio-temporal indexfor moving objects in network)二维时空数据模型,提出了一种新的二维网络中移动对象的时空索引2DSTI及其时空查询算法。这种二维时空索引机制简单且易于实现,支持当前轨迹数据和历史轨迹数据的大量时空查询操作。在此基础上,通过实验实现并验证了二维时空索引机制及其时空查询算法。     

An Event‐driven Spatiotemporal Data Model (E‐ST) Supporting Dynamic Expression and Simulation of Geographic Processes

The wide use of various sensors makes real‐time data acquisition possible. A new spatiotemporal data model, the Event‐driven Spatiotemporal Data Model (E‐ST), is proposed to dynamically express and simulate the spatiotemporal processes of geographic phenomena. In E‐ST, a sensor object is introduced into the model as a flexible real‐time data source. An event type that is generating and driving conditions is registered into a geographic object, so an event can not only express spatiotemporal change in a geographic object, but also drive spatiotemporal change in some geographic objects. As a dynamic GIS data model, the E‐ST has five characteristics – Temporality and Spatiality, Real‐time, Extendability, Causality, and Realizability. Described and realized in UML, a test‐case deployment demonstrating the impact of urban waterlogging on traffic confirms that a spatiotemporal change process in a geographic phenomena is expressed and simulated by this model. Summarizing this work, four directions for future research are outlined.     

实时GIS时空数据模型

为满足动态目标与传感器等实时观测数据获取、存储、管理、分析与可视化的要求,需要发展一种新型地理信息系统—实时GIS。本文根据实时GIS中各种地理要素的特点以及存贮管理要求,提出了一种面向动态地理对象与动态过程模拟的实时GIS时空数据模型,它将时空过程、地理对象、事件、事件类型、状态、观测等相关要素整合在一个时空数据模型中。基于该模型研发了新一代实时GIS,并以四种动态地理对象（包括移动对象、原位传感器对象、视频对象和过程模拟对象）的时空数据的实时接入、存储与可视化为例,验证的模型的可行性。     

基于地名首字母模糊查询的关键技术研究

根据地名信息的特点,提出一种基于地名首字母的模糊查询方法。采用Access数据库,结合微软自带的字库实现了地名首字母的提取与入库,特别是解决了多音字在首字母提取及入库时的处理,并提供了一种文件批量输入的方法,实现了基于地名首字母的模糊查询。设计开发的地名查询系统,使用简单,效率也得到了极大的提高,可以获取对应的地理位置,为后继GIS系统开发提供方便。     

基态修正模型的时空数据组织和快照查询方法研究

基态修正模型是目前应用较广的一种时空数据模型。本文分析了基态修正模型中的时空数据特点,采用shapefile文件作为基态数据文件,自主设计差文件格式来存储和组织变化数据。在此基础上设计了快照查询的算法、流程和查询结果的显示方法。为了给用户提供更直观、更充分的时空信息,本文提出了一种双屏幕多视图的时空数据显示模式。采用VC．NET从底层开发了一个时态地理信息系统平台,并以中南大学主校区的时空数据为实验数据对上述算法和模式进行了检验。实验表明,本文所设计的算法可行,快照显示模式能够提供更直观、更丰富、对比性强的信息内容,是时空信息显示的一种可行模式。     

基础地理信息数据库浏览系统的设计与实现

探讨GIS开源技术在基础地理信息数据库浏览与查询中的应用,以福建省基础地理信息中心的基础地理信息数据库浏览系统为例,应用openlayers脚本库等开源技术实现对切片地图的输出和查询,实现了在内部局域网内对基础地理数据库的浏览与查询的功能,从而提高了对基础地理信息数据库的应用水平及使用效率。     

安徽省基础地理信息管理系统的研发

安徽省基础地理信息管理系统,是以安徽省1∶250000、1∶50000基础地理数据为基础,综合利用网络技术、地理信息系统、数据库等技术建设而成的。它具有视图工具、地图定位、基于1∶10000结合表的元数据信息查询、出行信息查询、地图打印、数据入库、数据输出以及矢量与影像数据的转换八大功能。主要从系统的架构设计、数据库设计以及系统的功能的设计与应用几个方面加以阐述。     

基于特征-版本的时空数据模型在湿地管理中的应用研究

讨论了传统时空数据模型的特点,设计了Geodatabase支持下的基于特征-版本的时空数据模型,并详细介绍了该模型的时态逻辑关系和存储结构。该模型节约了数据存储空间,有效保持地理现象的完整性,并具有较高的时空查询效率。针对扎龙湿地,构建了湿地时空数据库,并设计扎龙湿地时态地理信息系统,实现历史重构、地理对象发展与回溯、时空复合查询等功能,有效完成湿地时空数据的管理任务。     

基于XQuery的GML查询语言研究

随着GML规范的不断完善及GIS软件厂商的广泛支持,越来越多的空间数据以GML格式存储,GML空间数据的查询已成为GIS研究的热点问题。传统的关系数据库查询语言SQL是针对平面的二维关系数据而设计的,并不适合XML/GML半结构化数据的查询;商品化GIS软件的查询系统只能查询自身的空间数据而无法查询其它GIS系统的空间数据;XML查询的研究为GML查询奠定了一定的基础。首先针对GML查询存在的问题,提出了扩展XQuery是GML查询语言实现的最佳选择;结合XML查询语言和空间数据查询语言,提出了GML查询语言的特征和GML查询语言系统框架;并根据GML空间数据的特点,以XML标准查询语言XQuery为基础,提出了XQuery空间扩展的内容;开发了GML空间数据查询语言GMLXQL,实现了GML空间数据的本原查询。     

基于GIS的北京旅游信息系统的设计与开发

从数据库的设计、功能模块的设计等方面介绍了基于GIS的北京旅游信息系统设计与实现流程。系统数据库以SQL Servers2000进行管理,在VB环境下开发前端应用平台,利用ADO动态数据连接引擎实现数据通信：利用MapObjects组件技术,采用嵌入式集成方式,实现旅游查询、旅游规划等专业应用与基本地理信息功能的有机集成。     

面向地理环境主体GIS初探

依据人地关系理论，提出发展面向地理环境主体的GIS理念。面向地理环境主体的GIS，主要研究在相关地理生态与社会经济环境中关于主体时空分布、社会经济活动行为时空特征与规律的表达、计算、模拟与分析。探讨了面向地理环境主体GIS的主要特征，以及智能体建模、时空行为数据模型与可视化表现方法。     

基于GIS的不动产权籍调查数据管理系统

基于Web地理信息系统(geographic information system,GIS)、信息化技术开发不动产权籍调查数据管理系统。该系统能够很好地管理不动产权籍调查数据,并辅助国土业务应用,实现了不动产权籍数据展示、查询、统计、分析、更新、数据共享等功能,为决策者提供了快速了解市区土地利用详情的数据分析工具和平台,方便了市县区国土资源各个部门业务的顺利开展,推动了市县区的智慧城市建设。     

关于线状地理特征空间关系的自然语言描述的形式化表达

目前的地理信息系统都使用定量的方法存储和查询空间信息,不能反映人们的定性思维方式,因此它表达地理空间信息的能力受到限制。在关于空间关系的自然语言描述的调查的基础上,本文定义了一组能反映线状物体空间关系的度量指标,结合反映拓扑关系的定量指标,使用决策树的数据挖掘算法,对调查结果进行分析,形式化了描述空间关系的自然语言词汇,建立了模糊的自然语言表达和图形的几何特征之间的联系。自然语言形式化后得到的规则可用于空间关系的自然语言查询系统。     

关于地理信息系统未来发展的思考

在Geographic Information System（GIS）近60年的发展演进中,理论和技术都取得了长足的进步;应用领域扩大到社会的方方面面,社会影响力越来越大;体系结构、开发模式和服务模式等都发生了深刻的变化。为了推动GISystem进一步向前发展,在综述GIS中之“S”的三种含义即System（系统）、Science（科学）和Service（服务）以及GIS近60年来取得的丰硕成果的基础上,重点就以下三个问题进行了讨论:（1）如何认识地理信息系统（GISystem）。首先解析地理信息系统的三个关键词（系统、信息、地理信息）,据此论述了地理信息系统的内涵,分析了地理信息系统同地图、计算机地图制图、地图数据库的关系,认为地理信息系统源于又超越了地图、计算机地图制图和地图数据库,并认为地理信息系统具有装备的特性。（2）地理信息系统是怎样发展演进的。重点分析了由“地理信息系统”到“地理信息服务”的发展演进的社会需求背景、技术背景、学科背景,从应用领域、数据资源和功能的扩展及体系结构、开发模式和服务模式等方面,分析了地理信息系统发展演进的主要表现。（3）地理信息系统的未来发展将走向何方。首先,讨论了正确理解地理信息系统应用领域扩展的问题,认为应用领域的扩展不可能是“无边无际”的;地理信息系统的未来发展必须面向国家经济建设和国防建设急需;在分析比较现有三种GISystem服务模式的基础上,认为采用“网格集成”与“弹性云”的“混合式”技术体制是GISystem服务模式的最佳选择;提出了基于“网格集成”与“弹性云”的“混合式”的时空大数据平台技术实现必须解决的6个关键技术问题和“时空大数据平台”的应用模式。     

基于地理事件时变序列的时空数据模型研究与实现

首先分析比较了已有的时空数据模型的特点，针对其存在的不足，提出并讨论了一种基于地理事件时变序列的时空数据模型，阐述了该模型的时空语义概念和时空拓扑关系，并针对具体的实际应用，在现有成熟的GIS平台上进行扩展，验证了该数据模型的有效性。