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1、学年论文：海洋时空数据模型研究现状学院：海洋学院专业：海洋技术姓名：钱为学号：10053212海洋时空数据模型研究现状 钱为（天津科技大学海洋学院海洋技术专业 天津 300457 ）【摘要】21世纪是海洋的世纪，海洋的开发与利用促进了海洋科学研究的蓬勃发展并对海洋时空信息服务提出了更高的要求.本文主要对已有的时空数据模型、进行了评述，指出了各种模型的优点以及存在的问题; 在此基础上，说明了海洋时空数据模型研究进展与现状。说明了海洋时空数据模型在实际中的应用，以及其在海洋领域的不可或缺的地位。关键词:海洋，时空数据模型，海洋时空数据模型【 abstract 】 21 century is the
2、 century of sea, Marine development and use of promoting the vigorous development of the Marine scientific research and information service on ocean space and time put forward higher request. This paper focuses on the existing space time data model, are reviewed in this paper, and points out the var
3、ious advantages of the model and the existing problems; Based on this, that the Marine space time data model research progress and status. That the Marine space time data model in real application, and the important of it.Keywords: Marine, space time data model, Marine space time data model1： 引言时态地理
4、信息系统( TGIS) 是一种采集、存储、管理、分析与显示地学对象随时间变化信息的计算机系统。建立合理、完善、高效的时空数据模型是实现时态GIS 的基础和关键，以便有效地组织、管理和完善时态地理数据、属性、空间和时间语义，实现重建历史状态，跟踪变化，预测未来。目前，关于时空数据模型的研究大多都是基于陆地应用的，海洋数据由于其测量方式以及自身因素等方面的原因，使其具有不同于陆地上数据的独特之处。因此，现有的各种时空数据模型都不能很好地符合海洋领域的需要，必须根据海洋数据独有的特点建立起合适海洋时空数据模型。海洋时空数据模型建模理论为海洋地理信息系统发展提供理论基础，同时也为“数字海洋”的建设提供
5、的科学依据。本文评析了现有各种基于陆地应用的时空模型不足之处，并对海洋时空数据模型的研究进展进行了综述，着重对ArcGIS 海洋数据模型进行介绍，在此基础上，对其时空数据组织方法进行了改进，并通过在“数字海洋”原型系统项目中进行应用对其进行验证，解决了一定的实际问题。2： 时空数据模型与海洋时空数据模型2.1目前时空数据模型的种类：时空复合模型将每一次独立的叠加操作转换为一次性的合成叠加，变化的累积形成最小变化单元，由这些最小变化单元构成的图形文件和记录变化历史的属性文件联系在一起表达数据的时空特征。最小变化单元即是一定时空范围内的最大同质单元。其缺点在于多边形碎化和对关系数据库的过分依赖，随
6、着变化的频繁会形成很多的碎片。连续快照模型连续快照模型在数据库中仅记录当前数据状态，数据更新后，旧数据变化值不再保留，即“忘记”过去的状态。连续的时间快照模型是将一系列时间片段快照保存起来，以反映整个空间特征的状态。由于快照将对未发生变化的所有特征重复进行存储，会产生大量的数据冗余，当事件变化频繁时，且数据量较大时，系统效率急剧下降。基态修正模型为避免连续快照模型将未发生变化部分的特征重复记录，基态修正模型只存储某个时间点的数据状态（基态）和相对于基态的变化量。只有在事件发生或对象发生变化时才将变化的数据存入系统中，时态分辨率刻度值与事件或对象发生变化的时刻完全对应。基态修正模型对每个对象只存
7、储一次，每变化一次，仅有很少量的数据需要记录。基态修正模型也称为更新模型，有矢量更新模型和栅格更新模型。其缺点是较难处理给定时刻时空对象间的空间关系，且对很远的过去状态进行检索时，几乎对整个历史状况进行阅读操作，效率很低。时空立方体模型时空立方体模型用几何立体图形表示二维图形沿时间维发展变化的过程，表达了现实世界平面位置随时间的演变，将时间标记在空间坐标点上。给定一个时间位置值，就可以从三维立方体中获得相应截面的状态，也可扩展表达三维空间沿时间变化的过程。缺点是随着数据量的增大，对立方体的操作会变的越来越复杂，以至于最终变的无法处理。时空对象模型时空对象模型认为世界是由时空原子（Spatio-
8、temporal Atom）所组成，时空原子为时间属性和空间属性均质的实体。在该模型中时间维是与空间维垂直的，它可表示实体在空间和属性上的变化，但未涉及对渐变实体的表示。缺点是随着时间发生的空间渐进的变化不能在时空对象模型中表示，没有一个描绘变迁、过程的概念。面向对象的时空数据模型面向对象方法是在节点、弧段、多边形等几何要素的表达上增加时间信息，考虑空间拓扑结构和时态拓扑结构。一个地理实体，无论多么复杂，总可以作为一个对象来建模。缺点是，没有考虑地理现象的时空特性和内在联系，缺少对地理实体或现象的显式定义和基础关系描述。除这几种之外，常见的时空数据模型还有第一范式（1NF）关系时空数据模型、非
9、第一范式（1NF）关系时空数据模型、基于事件的时空数据模型、历史图模型等等。2.2 时空数据模型评析时空数据模型能有效地表达地理信息的空间位置属性、主题属性和时态属性及其相互关系，这方面的研究一直是地理信息建模的前沿领域和研究热点。近几年来，国内外的研究者在这方面进行了十分有益的探索，取得了丰硕的成果，先后提出了多种时空数据模型。根据对地理信息特征的处理能力可以将这些典型的模型分为四大类6，即:基于空间位置的时空数据模型、基于地理实体的时空数据模型、基于时间的时空数据模型以及基于空间、时间、属性综合集成的时空数模型。以下对该四大类时空数据模型进行简单评析。1) 基于空间位置的时空数据模型: 主
10、要包括时空立方体模型、时空快照模型。时空立方体模型通过一个立方体表示二维空间和一维时间，将时间标记在空间坐标点上，表达平面位置随时间的演变; 时空快照模型是一系列不同时间内的数据集合，反映整个地理现象的时空演变过程。从某种意义上说，时空快照模型是时空立方体的时间离散化形式。2) 基于时间的时空数据模型: 主要包括基于事件的时空数据模型和基于时间语义时空数据模型。基于事件的时空数据模型对某种空间特征或对象的时间变化通过一个变化事件序列予以表示，每个事件指向一组记录，描述上一次事件之后的特征变化和分布。基于时间语义的时空数据模型将时间作为独立的一维，可以表达以位置、对象或时间为中心的6 种类型的地
11、学现象变化，并且能够支持时态拓扑关系的表达。3) 基于地理实体的时空数据模型: 主要包括时空对象模型、基态修正模型、面向对象的时空数据模型以及基于特征的时空数据模型。该类模型的主要特点是在空间维上扩展时间维、将地理实体抽象为对象或特征，显示记录随时间的变化、存储变化信息。4) 基于空间、属性和时间综合集成的时空数据模型:主要包括时空三域模型、TRAID 模型、时空复合体模型基于场与对象集成的时空数数据模型以及以面向过程的时空数据模型。该类模型的显著特点是将空间、属性和时间作为一个整体来考虑或将其关联在一起、采用关系模型和面向对象的思想对实体或现象进行组织与存储、考虑了地理实体或现象的时空过程特
12、性。通过对上述各类时空数据模型特点进行分析，可以总结出现有的时空数据模型的不足之处，主要表现在: 大多数模型都停留在概念模型层次，缺少对逻辑模型以及物理存储结构等后续相关理论研究，实现起来比较复杂; 应用领域存在一定的局限性，扩展比较困难或无法进行扩展; 不能很好地表达时空对象的变化特性，时态分析能力、空间拓扑分析能力或时空分析能力较弱; 对底层数据结构有一定的约束，对矢量数据结构或栅格数据结构某一方面支持较好，数据存储存在冗余; 无法表达连续的地理实体或现象，无法表达地理实体或现象的时空因果关系; 无法对未来发生的地理实体或现象进行表达，即不能解决在未来的某个时刻或时段，地理实体或现象的变化
13、趋势。 2.3 海洋时空数据模型研究现状与进展海洋时空数据的特点海洋现象处于三维动态中，不仅其空间信息随时间变化，而且其属性信息也随时间发生变化，即海洋现象是空间、时间及属性信息的统一体。从时空本质上分析，属性信息存在于海洋现象的时空统一框架下，因而，在进行海洋现象分析时，应该同时考虑海洋现象的时空信息。然而，目前的海洋分析方法，要么隔离空间维在时间维上，分析海洋现象;要么隔离时间维在空间维上，分析海洋现象。比如目前常用的海洋分析方法:剖面分析、断面分析、时间序列分析等。无法在时空统一框架体系下对海洋现象进行时空分析的主要原因是缺乏科学地进行时空数据表达、组织与存储的理论与方法。传统Gis的数
14、据组织思想是把空间信息与属性信息结合起来，很少考虑时态信息。因而，在此基础上产生的数据库系统主要是基于关系理论的关系数据库。由于在海洋现象的分析过程中，海洋现象的时态信息至关重要，因而，海洋应用，特别是海洋信息的组织管理必须引入海洋现象的时态信息。海洋时空数据主要包括温、盐、密、浪、流、海面高度、交通、渔业、气象、地质、底质、地貌等内容。数据类型包括:站点数据、海上测量数据、遥感数据和基础地理数据等。海洋时空数据的组织管理是地球信息科学发展过程中一个十分重要的环节，数据的组织管理机制直接影响着数据的访问。而海洋时空数据又不同于其它空间数据，它的多源性、多尺度及动态特性使得数据平台在集成时除数据
15、格式不同外，还存在数据的语义异质性、分类标准、海陆数据空间标准的不一致问题。由于海洋现象、海洋时空数据的复杂性与多样性，到目前为止针对海洋现象、海洋时空数据还没有统一的描述、表达与存储模型，有必要对海洋现象特性、海洋时空数据特征进行分析:(l)海洋时空数据在数据质量标准方面的不统一性。空间数据数据质量标准是生产、使用和评价空间数据的依据，数据质量是数据整体性能的综合体现川。空间数据质量主要包括数据的位置精度、属性精度、时间精度、分辨率、逻辑一致性、数据完整性以及表达形式的合理性。因而传统的海洋时空数据的组织管理需要开展大量的数据融合或数据同化工作。最前面各种时空数据模型的研究主要是基于陆地特定的应用领域展开的，模型本身存在一定的局限性。相对于陆地系统来说，海洋数据具有自身的其他特点，包括动态性与模糊型，海洋现象的动态性表现为每时刻的全区域变化，其模糊性主要是指没有明确的界限，如海洋温度、流场的变化; 数据量大，海洋数据的获取手段多样，包括历史数据，调查与分析评价数据以及海洋立体监视监测( 天基、空基、海基、陆基平台监视监测) 等，积累了海量的海洋数据资源; 时间粒度不均一，时间类型多，即时间精度的多样性以及时间间隔和频率的不统一，且时间跨度一般较长，如温、盐、密度的再分析产品，可跨越20 年; 数据粒度，即数据在时空上或属性上的概括层次与详细程度差别; 时间、空间与属性互
