时空数据模型简介

空间、属性、时间是地理现象的三个基本特征，也是GIS数据库的三种基本数据成分。这里的“空间”指空间位置数据及其派生数据。“属性”指与空间位置无派生关系的专题属性数据。“时间”则指时间、空间和属性状态的时变信息。

随着近年来以空间数据库为基础的GIS研究和应用的不断深入，随时间而变化的信息越来越受到人们的关注，因而提出了时态GIS（简称TGIS）的概念。时态GIS的组织核心是时空数据库，时空数据模型则是时空数据库的基础。但是由于空间、属性、时间三者之间的关系和结构组织非常复杂，理想的时空数据库和时态GIS系统目前还没有出现。目前研究比较有影响的时空数据模型有以下几种：

①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，随着变化的频繁会形成很多的碎片。

②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。

③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。

④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。

⑤时空对象模型

时空对象模型认为世界是由时空原子（Spatio-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。

⑥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。