基于对象关系数据库的时空数据模型研究

一体化时空数据建模是新一代GIS理论与技术研究的重要基础。基于对象关系数据库探讨时空数据库的数据建模方法,提出综合考虑矢量和栅格数据一体化的时空数据模型。首先基于基本类型派生定义矢量和栅格抽象数据类型,在此基础上定义时空数据类型为一系列空间类型的时间片序列。该抽象数据类型的定义包括其数据对象和相关操作,将其嵌入对象关系数据库中,扩展其时空数据的存储和查询能力。利用该数据模型,可以统一考虑矢量和栅格数据,建立基于对象关系的时空数据库,并支持矢量—栅格一体化时空数据访问和操作,进而对新一代GIS技术的研究与实现起到重要支撑作用。     

基于时空本体的数据库模型

构建时空本体的出发点是它能显式地表达地理时空数据所蕴含的学科感知知识,能有效实现不同学科间的信息共享.该文从本体论的角度,对动态变化的地理现象和事物概化,并归纳为时空对象本体、时空事件本体和时空过程本体;从数据库的实现角度,对三类本体进行增强型语义描述、概念化模型图论、元组表达和语义增强型查询.该模型注重描述和表达地理现象和事物的动态变化,也注重描述变化成因.最后,应用该模型研究海冰变化,以验证模型的实用性.     

空间索引技术及其GIS应用综述

空间索引技术可提供高效的空间数据组织与管理方式,以支撑海量空间数据的挖掘与分析。针对当前空间索引存在的知识体系不明晰、选择难等问题,该文通过文献调查法和CiteSpace工具,依据空间划分及映射方法将空间索引划分为基于树结构、格网、空间填充曲线和地址编码的空间索引四大类,并综述其原理、空间结构、适用范围及在GIS领域的应用,最后对空间索引在数据组织、高效计算、可视化、可靠性等方面的研究进行展望。结论如下：基于树结构的空间索引最具普适性且可以处理多维度及多层次的数据,查询性能依赖于树结构的平衡性及数据的分布;基于格网的空间索引可以均匀划分空间以便于高效范围查询,却不适用于非结构化或动态数据集;基于空间填充曲线的空间索引可以在实现维度压缩的同时保持局部邻近性,但插入或删除数据可能导致整个曲线的重构难以频繁更新;基于地址编码的空间索引将语义地址信息转化为编码信息,便于高效检索,然而语义地址匹配仍存在较大误差和不确定性。研究结果可为空间数据组织和结构设计提供参考。     

国内外城市时空间结构研究的渊源及述评

本文在梳理城市地理学与时间地理学相关概念的基础上总结给出了城市时空间结构的概念内涵。城市时空间结构的内涵是以时间地理学对人地关系地域系统的研究作为基本方法,在城市地域内,以居民日常活动的一个基本周期作为时间尺度,该时空范围内所有人时空活动的关系及其组合状态。具体研究内容包括四个方面:其一,回顾了城市时空间结构的渊源,并对城市实体空间、城市社会空间、城市认知空间以及城市时空间概念进行了对比分析。其二,对国内外城市时空间及其相关研究进行了简要的归纳和梳理。其三,对国内城市时空结构的相关研究进行了回顾。其四,对城市时空间结构研究的相关内容进行了述评。认为随着地理信息技术的发展和多元数据的出现,城市时空间结构有如下特点:在研究内容方面,城市时空间结构研究的内容和切入点不断增多;在研究方法方面不断成熟,时空路径模拟、时空展示和对大数据处理技术方面不断成熟;在研究数据方面,逐步从传统的以出行日志为主的数据源走向以GPS数据和手机数据及其他数据相结合的多元数据融合。     

基于文献引用关系和知识图谱的时空关系研究热点分析

本文采用“Web of Science”数据库收录的1999-2013年期间发表的探讨时空关系相关文献,包括2263篇直接文献和这些文献引用的78139篇参考文献为基础数据,采用Histcite软件构建时空关系研究文献数据库,结合Citespace软件对该数据库进行文献引用关系和知识图谱的可视化处理,并对热点文献进行解读与分析,从而分析时空关系研究的研究热点和发展趋势。研究发现:2000年前后,时空关系研究与GIS结合逐步突破了传统时间地理学研究的技术瓶颈和研究框架,迅速进入了一个文献爆炸的阶段,研究的内容逐步从时空行为的描述转向对时空关系的解释。随着时空GIS技术的不断成熟,本领域的研究更多地把时空行为作为一种变量,对各种时空现象和社会问题进行解释,而不仅仅是一个被描述和解释的对象,其学科应用价值将逐步突显。     

地图数据库研究

本文在分析地图数据特征的基础上,针对如何提高地图空间查询效率这一难题,从多种地图索引方法中选择了Ｒ＋＿树索引方法,实现了Ｒ＋＿树索引的算法,最后给出了一个包括地图数据存储和索引、查询功能的地图数据库实例。     

空间索引技术的应用与研究

1引言与传统的数据库管理系统相比,空间数据库涉及对现实世界大量空间目标的处理,空间目标具有不规则的几何形状、目标间的空间关系复杂,空间数据具有不可排序性、相关性和数据复杂性等特点.针对一维属性数据的主关键字索引而设计的传统数据库索引技术,不能直接应用于空间数据库的索引.空间索引技术一直是数据库技术及相关研究领域的热点问题,本文针对空间数据的特点,讨论了目前主要的空间索引方法,并对空间索引技术在商用数据库中的应用作了介绍。2空间数据及其特点空间数据是指带有空间坐标信息的数据,它不仅能表示实体本身的空间位置及形态,而且还包含实体属性和空间关系的信息。空间数据具有以下特点：     

物候信息化及物候时空变化分析

物候信息具有明显的地方性和时间性,是全球环境变化研究所需的一类典型的时空数据,同时物候现象的变化也是全球环境变化的一个重要方面。要发挥物候信息在全球变化研究中的作用, 必须提高物候信息化的水平, 并在此基础上加强物候时空变化分析研究。本文分析了物候信息化的必要性,以及地理信息系统时空变化分析方法在物候时空变化研究中的应用。并利用我国近30 年的植物物候数据, 借助GIS方法, 进行了物候信息时空查询、面向区域的物候时空变化总体规律研究和面向物候时空对象的时空变化研究。     

基于潜在活动空间的个体时空可达性特征与影响因素研究——以上海市郊区为例

可达性是人文地理学和相关学科研究的核心议题之一。在“以人为本”理念的影响下,以时间地理学理论为基础、基于人的研究范式的时空可达性测度方法受到学者关注,成为生活质量、社会公平等议题的重要切入点。论文通过刻画整日潜在活动空间对个体的时空可达性进行测度,并以上海市郊区为案例地区,基于2017年居民活动日志一手调查数据开展实证研究。首先利用路网分析、二次开发等方法,对个体工作日和休息日的潜在活动空间进行测度;其次以弹性时间、整日潜在活动空间面积和可达设施密度为测度指标,利用GIS三维可视化、方差分析等方法分析时空可达性的特征及其在空间和时间维度的分异;最后,利用多元回归分析方法,探讨区位因素、时间因素和社会经济属性对居民时空可达性的影响。研究结果表明,上海市郊区居民的时空可达性在空间和时间维度上均存在着明显的分异,其中远郊居民面临着更强的时空制约和更大的空间困境;区位因素和时间因素是影响居民时空可达性的重要因素。该研究是时空可达性的测度方法在郊区中的实证检验,揭示了时空可达性的动态特征和个体间差异,为设施的时空优化配置和郊区新城建设中居民生活质量的提高提供了实证依据。     

县级资源环境数据库建设的技术方法

航空遥感和航天遥感在数据库建设中分别用于获取状态数据和确定变更靶区 ,而全球定位系统用于靶区的准确定位。该文阐述选择GPS机型的几个条件、GPS基准站设立的两个方法并明确了GPS测量方法。GPS数据在进入数据库之前要基于GPS数据处理软件和传统GIS进行数据转换和编辑。说明基于时空地理实体建立一个本质为TGIS的县级资源环境数据库及其完备的时、空、属性查询特点。同时结合空间信息技术的最新发展探讨县级资源环境数据库建设技术路线的发展趋势。     

基于对象关系数据库的时空数据管理研究

现实世界中的地理实体具有空间及时态属性,有效的时空数据管理技术是实现地理信息广泛应用的基础。概括目前时空数据管理的一般策略,给出基于对象关系数据库的时空数据管理结构模型。在此基础上,介绍该模型所涉及的相关技术,并提出完整的模型实现的技术框架,给出时空数据库管理系统的原型实现TSpatialService。实例研究表明,该模型能够很好地支撑时空数据的管理及操纵。     

面向问题的空间应用表达与实现

讨论空间应用的一种面向问题的表达方法与实现机制。为解决空间应用的描述问题,在建立时空一体化空间数据模型基础上,定义了对SQL进行扩展的时空复合查询语言,实现了对空间应用问题的非过程化描述;研究复杂空间应用的表达问题,讨论时空复合查询语言的限制,并在语言中引入流机制,通过空间应用问题的组合实现更为复杂的空间应用,并支持空间数据分布式计算;最后给出若干空间应用实例及其面向问题的表达。     

面向对象的时空数据模型及其实现技术

在基于时间片的连续快照模型基础上,基于OpenGIS定义的几何类型扩充了时态类型,构建面向对象的时空数据模型,定义其抽象数据类型及相关操作;并采用对象关系数据库PostgreSQL作为实现平台,扩展其存储和查询能力。通过实例验证了上述模型及实现方法的有效性和实用性。     

Spatio-temporal association analysis of county potential in the Pearl River Delta during 1990-2009

According to the highway data and some socioeconomic data of 1990, 1994, 2000, 2005 and 2009 of county units in the Pearl River Delta, this paper measured urban integrated power of different counties in different years by factor analysis, and estimated each county’s potential in each year by means of expanded potential model. Based on that, the spatio-temporal association patterns and evolution of county potential were analyzed using spatio-temporal autocorrelation methods, and the validity of spatio-temporal association patterns was verified by comparing with spatial association patterns and cross-correlation function. The main results are shown as follows: (1) The global spatio-temporal association of county potential showed a positive effect during the study period. But this positive effect was not strong, and it had been slowly strengthened during 1994-2005 and decayed during 2005-2009. The local spatio-temporal association characteristics of most counties’ potential kept relatively stable and focused on a positive autocorrelation, however, there were obvious transformations in some counties among four types of local spatio-temporal association (i.e., HH, LL, HL and LH). (2) The distribution difference and its change of local spatio-temporal association types of county potential were obvious. Spatio-temporal HH type units were located in the central zone and Shenzhen-Dongguan region of the eastern zone, but the central spatio-temporal HH area shrunk to the Guangzhou-Foshan core metropolitan region only after 2000; the spatio-temporal LL area in the western zone kept relatively stable with a surface-shaped continuous distribution pattern, new LL type units emerged in the south-central zone since 2005, the eastern LL area expanded during 1994-2000, but then gradually shrunk and scattered at the eastern edge in 2009; the spatio-temporal HL and LH areas varied significantly. (3) The local spatio-temporal association patterns of county potential among the three zones presented significant disparity, and obvious difference between the eastern and central zones tended to decrease, whereas that between the western zone and the central and eastern zones further expanded. (4) Spatio-temporal autocorrelation methods can efficiently mine the spatio-temporal association patterns of county potential, and can better reveal the complicated spatio-temporal interaction between counties than ESDA methods.     

珠三角县域城市潜力的时空关联结构演变

基于1990、1994、2000、2005 和2009年公路网数据和经因子分析得到的县域城市综合实力指数,采用扩展的潜力模型测度县域潜力指数,运用时空自相关方法探讨珠三角县域潜力的时空关联格局及其演变,并与空间关联格局对比及与交叉相关函数比较检验其准确性。结果表明：① 珠三角县域潜力总体上具正时空关联性,但关联程度不高,1994-2005年缓慢加强而2005-2009年趋于减弱。大多县域潜力的局部时空关联特征相对稳定,且以正相关为主,但部分县市时空关联类型发生了明显转化。② 县域潜力的局部时空关联类型分布差异及其变化明显,时空HH区分布于中部地带和东部的深圳—东莞地带,2000年后中部的时空HH区范围收缩至广—佛核心都市区;西部时空LL区连片分布格局相对稳定,中南部2005年开始出现新的时空LL区,东部时空LL区范围1994-2000年扩大而后逐步收缩,2009年零星分布于东部边缘;时空异质区变化较剧烈。③ 三大地带县域潜力的局部时空关联特征反差鲜明,东部与中部差异趋于缩小,而西部与中、东部的差异进一步扩大。④ 时空自相关方法能有效挖掘县域潜力的时空关联模式,比仅考虑空间效应的ESDA方法更能准确客观揭示县域潜力间的时空交互关系。     

3D GIS空间索引技术研究

概括并分析3D GIS中使用的空间索引技术,介绍各类技术方法的基本思想;对典型的空间索引方法进行分类,综合比较其优缺点和适用对象;按照空间分割方式将三维空间索引分为规则分割和对象分割两大类,规则分割包括规则网格、BSP树、八叉树、KD树、KDB树和R树系列等,对象分割则通过层次包围体来实现。指出在3D GIS实际应用中,应根据实际情况和应用需要组合多种索引技术,进而生成灵活、高效的索引机制。     

The GRASS GIS temporal framework

The availability of continental and global-scale spatio-temporal geographical data sets and the requirement to efficiently process, analyse and manage them led to the development of the temporally enabled Geographic Resources Analysis Support System (GRASS GIS). We present the temporal framework that extends GRASS GIS with spatio-temporal capabilities. The framework provides comprehensive functionality to implement a full-featured temporal geographic information system (GIS) based on a combined field and object-based approach. A significantly improved snapshot approach is used to manage spatial fields of raster, three-dimensional raster and vector type in time. The resulting timestamped spatial fields are organised in spatio-temporal fields referred to as space-time data sets. Both types of fields are handled as objects in our framework. The spatio-temporal extent of the objects and related metadata is stored in relational databases, thus providing additional functionalities to perform SQL-based analysis. We present our combined field and object-based approach in detail and show the management, analysis and processing of spatio-temporal data sets with complex spatio-temporal topologies. A key feature is the hierarchical processing of spatio-temporal data ranging from topological analysis of spatio-temporal fields over boolean operations on spatio-temporal extents, to single pixel, voxel and vector feature access. The linear scalability of our approach is demonstrated by handling up to 1,000,000 raster layers in a single space-time data set. We provide several code examples to show the capabilities of the GRASS GIS Temporal Framework and present the spatio-temporal intersection of trajectory data which demonstrates the object-based ability of our framework.     

Estimation of precipitation fields from 1-minute rain gauge time series – comparison of spatial and spatio-temporal interpolation methods

Accurate estimations of spatio-temporal fields at unsampled locations are important in a number of applications. Often, spatio-temporal fields are advected, which means the change in field values over time at a particular point in space stems to a large extent from motion of a more or less constant spatial field. For such dynamic fields, interpolation methods including information on the motion behaviour of the field are promising extensions of solely spatial (snapshot) and symmetric spatio-temporal methods. In this paper, the performance of different deterministic and geostatistical interpolation methods is compared for precipitation estimation from 1-minute time series of spatially distributed rain gauges. The focus is on spatio-temporal methods that include information on the motion behaviour of the rainfield, estimated from weather radar using optical flow. The different interpolation methods are introduced and evaluated using rain gauge measurements of a 15-day period and cross-validation. The results show that including information on the motion behaviour significantly improves interpolation quality in terms of RMSE.     

地理时空三向聚类分析方法的构建与实践

随着地理数据获取能力的不断提升,地理数据体量呈指数增长,数据种类、数据性质更加多元化。对数据的有效甄别和归类成为理解地理现象时空特征、演化过程和行为机制的关键。传统聚类方法面临数据体量大、维数高、质量差的挑战,加之对地理空间与时间关联分析的需求,对聚类方法改进和提升研究的要求越来越迫切。本文介绍了从单向到三向聚类构建思路的变革。单向聚类是仅在样本或属性方向上进行聚类,易忽视非常相似的局部特征、易犯“横看成岭侧成峰”的错误。双向聚类是基于数据矩阵内元素值的相似性,形成一个子矩阵分割方案,使子矩阵内元素相似度尽可能高,子矩阵间元素相似度尽可能低,从而实现行列两方向的同时聚类,避免了单向聚类的不足。鉴于双向聚类难以满足地理研究超出双向的解译需求,本文提出并研发了一个全新的三向聚类方法,给出了运用该方法开展地理时空格局过程探测的流程,总结了如何根据研究涉及的“空间—时间—尺度—属性”构建三维数据体;最后,展示了三向聚类的地理实践案例。结果表明：① 三向聚类是一种大数据时代探测地理数据时空分异规律的有效方法,可以解决数据维度高、质量低等问题;② 面对不同的地理问题,三向聚类在算法层面上是通用的,不同之处仅在于：根据不同问题涉及的空间、时间、尺度、属性的不同,构建不同的数据体;不同数据体聚类得到的不同结果回答不同的地理问题;③ 三向聚类可以实现地理数据的时空分异规律多方向、多尺度、多层次的联合解译,揭示地理特征时空尺度叠加效应。最后,论文强调根据地理问题组织数据的重要性,期待未来能够提升三向聚类在多空间尺度、多属性方面的地理研究实践。