時空數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)庫)

時間：2022-11-11 00:30:01 | 來源：信息時代

時間：2022-11-11 00:30:01 來源：信息時代

    時空數(shù)據(jù) : 同時具有時態(tài)屬性和空間分布的數(shù)據(jù),是隨時間變化的空間數(shù)據(jù)。時空數(shù)據(jù)在其對應(yīng)的空間維度中占有一定的空間分布,只在一段時間上有效,并且隨時間變化。目前,時空數(shù)據(jù)庫表示、處理的時空數(shù)據(jù)主要是隨時間變化的二維空間數(shù)據(jù)。
一個空間點可能隨時間而改變它的位置,為了完整地反映該點的信息,數(shù)據(jù)庫中應(yīng)該存儲其全部歷史信息,加上時間信息后的空間點為移動點。同理,一個空間區(qū)域也可能隨時間移動、擴大或縮小。時空現(xiàn)象在現(xiàn)實生活中非常普遍,如飛機航行時隨著時間變化而改變其空間位置,飛機就是一個移動點;當(dāng)森林中某處發(fā)生火災(zāi)時,火災(zāi)區(qū)就是一個空間區(qū)域?qū)ο蟆Ｔ搮^(qū)域可能隨著時間而擴大、縮小、移動甚至和其他的火災(zāi)區(qū)域合并,火災(zāi)區(qū)域是一個移動的區(qū)域?！耙苿印卑瑑煞N可能的變化: 一種是空間幾何位置的變化,另一種是自身大小形狀的變化。
在空間數(shù)據(jù)庫中,空間數(shù)據(jù)被抽象成點、線、區(qū)域。同理,時空數(shù)據(jù)可抽象成移動點、移動線和移動區(qū)域。對二維空間對象,把時間因素看作第三維,移動空間對象便可被看作存在于三維空間之中,圖1分別示例了一個移動點和一個移動區(qū)域。

(a)移動點

(b)移動區(qū)域

圖1 移動對象的三維示意圖

迄今為止,對時空數(shù)據(jù)的表示、存儲、處理仍是時空數(shù)據(jù)庫的主要研究內(nèi)容,大多數(shù)研究的重點是擴充空間模型或時態(tài)模型來表示和處理時間數(shù)據(jù)或空間數(shù)據(jù)。其方法主要采用快照(snapshot),即把時空數(shù)據(jù)表示成一系列的快照。一些學(xué)者也分別提出了表示時空數(shù)據(jù)的方法,如用時間戳(timestamping)和空間戳(space-stamping)屬性來表示變化的時間值和空間值: 把時空對象定義為雙時空復(fù)雜對象,即把空間信息與雙時態(tài)元素(bitemporal elements)結(jié)合起來; 基于事件(events-based)的方法,其中事件表示空間對象的位置和形狀的變化,當(dāng)空間對象在某一時刻發(fā)生變化時,該對象的一個新版本值被加到數(shù)據(jù)庫中。
上述方法只能離散地構(gòu)造空間對象隨時態(tài)的演化。一些學(xué)者研究了如何表示連續(xù)變化的時空數(shù)據(jù)的方法,如引入behavioral時間序列,在該序列中的每個元素包括一個空間對象值、一個時間和一個behavioral函數(shù),后者描述從該元素到序列中下一個元素的演化;通過引入動態(tài)(dynamic)屬性來表示移動對象,動態(tài)屬性包含一個移動向量(motion vector),用于描述移動對象的當(dāng)前狀態(tài)(如飛機航向的速度和方向)。當(dāng)移動對象改變(如飛機改變方向)時,更新數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的移動向量。
在不同的研究領(lǐng)域,開展了對時空數(shù)據(jù)的研究工作。在GIS領(lǐng)域,研究了空間對象(區(qū)域)隨時間呈離散變化時的存儲模式,基本方法都是首先存儲一個起始版本,當(dāng)區(qū)域改變時,記錄其變化值。在多媒體數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域,研究了在多媒體數(shù)據(jù)庫中表示和處理時空數(shù)據(jù),提出移動對象由其軌跡(作為離散的快照)來表示,一組對象可由一個圖表示,其頂點表示空間對象,邊表示空間對象間的時空關(guān)系。該方法重點考慮對象間的演變及整體關(guān)系,而忽略了對象的形狀變化。在計算幾何領(lǐng)域,研究了移動空間對象(點)的Voronoi圖,即當(dāng)一個點集隨時間連續(xù)變化時,如何維護其Voronoi圖。此外,對如何表示移動空間對象,目前還未找到一種滿意的方法,尤其是如何表示連續(xù)變化的時空數(shù)據(jù)。
在空間數(shù)據(jù)庫中采用點(points)、線(lines)和區(qū)域(regions)來表示空間數(shù)據(jù),同理在時空數(shù)據(jù)中,可采用移動點(mpoints)、移動線(mlines)和移動區(qū)域(mregions)來表示時空數(shù)據(jù)。在現(xiàn)實中,一個移動對象可能由一個移動點集構(gòu)成,如一個艦隊由若干個移動點(軍艦)組成,所以,mpoints表示一個移動點集。采用移動點集、移動線集和移動區(qū)域集作為描述時空數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型的優(yōu)點是可以表示復(fù)雜的現(xiàn)實世界,也利于時空拓?fù)浞治霾僮鞯膶崿F(xiàn)。和空間數(shù)據(jù)庫中的regions類型一樣,mregions必須能夠表示具有空洞(hole)的移動區(qū)域。如一片火災(zāi)區(qū)是個移動區(qū)域,但其中間可能有湖泊或未著火區(qū)。
時空數(shù)據(jù)表示與處理涉及對時空屬性的理解,包括時間與空間的相互作用。時空數(shù)據(jù)是多維數(shù)據(jù),其時間維一般被看作是與各空間維正交的一個維度。在處理上,時空數(shù)據(jù)中的時間不能簡單作為一個顯式時間屬性,空間分量也應(yīng)該有其特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),以便能夠有效地支持時空拓?fù)浞治霾僮?。在很多?yīng)用中空間信息和時間信息是緊密結(jié)合,同時也是相互制約的,很多查詢都是在建立在這兩種信息之上。對移動點而言,空間信息表示移動對象在某一時刻的位置,可用經(jīng)緯度或平面坐標(biāo)〈x,y〉表示,時間信息可表示移動對象的某一時刻或某個時間段,反映其生命周期的過程,兩者結(jié)合在一起構(gòu)成移動點的完整信息。時空數(shù)據(jù)的處理主要是對空間信息的處理,因此在表示和建模上應(yīng)以空間信息為主,時間信息為輔,這樣才可以提高處理效率。但是空間數(shù)據(jù)離不開時間信息的制約,很多情況下優(yōu)先考慮時間信息可以簡化處理,例如: 判斷兩架飛機的航線是否相交。
按照隨時間的變化情況,時空數(shù)據(jù)可分為隨時間連續(xù)變化的時空數(shù)據(jù)和隨時間離散變化的時空數(shù)據(jù)。離散變化的時空數(shù)據(jù)以一組離散時間點上的快照構(gòu)成,例如南京市的綠化植被分布情況,以年為單位在每年年底存儲其信息。時空數(shù)據(jù)變化情況的離散性有可能來源于數(shù)據(jù)采集帶來的離散性,也有可能來源于數(shù)據(jù)本身定義的離散性。連續(xù)變化的時空數(shù)據(jù)以變化函數(shù)記錄對象隨時間的持續(xù)變化情況,如“CA106航班的航行軌跡”可以抽象表示為一條連續(xù)曲線。變化函數(shù)的獲取、存儲與處理相對于離散快照更為復(fù)雜,但是對于時空數(shù)據(jù)的變化情況的精確描述與未來情況的預(yù)測更有效。
時空數(shù)據(jù)的表示、處理技術(shù)是研究時空數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ),主要需解決表示方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由于時空拓?fù)浞治霾僮魉惴ǚ浅?fù)雜,時空數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到拓?fù)浞治霾僮魉惴ǖ男屎蜁r空數(shù)據(jù)庫的查詢效率,這是時空數(shù)據(jù)庫的研究基礎(chǔ)。