王洋洋，孫 偉*，古麗米拉·克孜爾別克

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究進(jìn)展

王洋洋1，孫 偉1*，古麗米拉·克孜爾別克1

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

對(duì)已有的時(shí)空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了分析，介紹了有關(guān)學(xué)者對(duì)構(gòu)建模型的見(jiàn)解和貢獻(xiàn)；闡述了具有代表性的時(shí)空數(shù)據(jù)模型的原理和特點(diǎn)，指出不同階段時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究成果和不足之處以及當(dāng)前時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘面臨的難題。

時(shí)空數(shù)據(jù)模型；研究成果；發(fā)展趨勢(shì)

也逐漸形成了海量的時(shí)空大數(shù)據(jù)[1]。時(shí)空數(shù)據(jù)具有增長(zhǎng)速度快、數(shù)據(jù)量大、來(lái)源多樣、結(jié)構(gòu)各異等特點(diǎn)，高效管理問(wèn)題突出。時(shí)空數(shù)據(jù)模型是其中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)；涉及許多學(xué)科，需要運(yùn)用計(jì)算機(jī)、遙感、全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)來(lái)分析時(shí)空數(shù)據(jù)；可應(yīng)用在國(guó)防、工業(yè)、社交網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療、交通、救災(zāi)、氣象等領(lǐng)域。與此同時(shí)，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，大量傳感器的應(yīng)用，遙感集市云平臺(tái)的建立使得時(shí)空數(shù)據(jù)模型成為GIS研究中的一個(gè)重要方向[2]。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的突破和海量時(shí)空數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，為空間理論的驗(yàn)證提供了一個(gè)新的視角[3]。

1 時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究現(xiàn)狀

陳新保[4]等從時(shí)態(tài)GIS的核心內(nèi)容出發(fā)，闡述了時(shí)空數(shù)據(jù)模型間的關(guān)系和本質(zhì)區(qū)別，為模型的擴(kuò)展和新模型的研究提供了理論依據(jù)和參考，并就幾類具有代表性的模型進(jìn)行了介紹；分析了側(cè)重狀態(tài)描述的時(shí)空數(shù)據(jù)模型、側(cè)重過(guò)程描述和因果分析的時(shí)空數(shù)據(jù)模型和側(cè)重時(shí)空對(duì)象及其關(guān)系描述的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。劉大有[5]等對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘的研究現(xiàn)狀和面臨的主要問(wèn)題進(jìn)行了分析，對(duì)時(shí)空模式發(fā)現(xiàn)、時(shí)空聚類、時(shí)空異常檢測(cè)、時(shí)空預(yù)測(cè)和分類等方面進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，結(jié)合近年來(lái)數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的研究進(jìn)展討論了各種研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)。趙彬彬[6]等闡述了從數(shù)據(jù)挖掘到空間數(shù)據(jù)挖掘，再到時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘的發(fā)展歷程，找出空間數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)知識(shí)發(fā)現(xiàn)的異同，并討論了未來(lái)時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘的研究熱點(diǎn)。在眾多數(shù)據(jù)模型中較為特殊的模型要數(shù)海洋時(shí)空過(guò)程數(shù)據(jù)模型[7]，海洋現(xiàn)象時(shí)刻發(fā)生變化，與陸地的瞬時(shí)變化相比存在明顯的差異。

時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘工作都還處于起步階段，且許多研究工作都是針對(duì)特定領(lǐng)域，缺乏廣泛性[8]。在理論研究方面不僅受到空間數(shù)據(jù)挖掘和時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)挖掘研究的影響，還受到時(shí)空數(shù)據(jù)表示和存取方式的限制[9]。一些文獻(xiàn)中提到的更新方式都是同步更新，若在更新過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，將無(wú)法進(jìn)行回溯和修改[10]。

2 研究成果與存在的問(wèn)題

隨著大數(shù)據(jù)的到來(lái)，數(shù)據(jù)量急速膨脹，導(dǎo)致了人們對(duì)數(shù)據(jù)處理的困難，數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)運(yùn)而生。除了數(shù)據(jù)挖掘的共性，空間數(shù)據(jù)挖掘還有自身特性，不僅包含位置和屬性數(shù)據(jù)，還包含實(shí)體間的空間關(guān)系[11]。不同時(shí)期提出的數(shù)據(jù)模型在解決的科學(xué)問(wèn)題方面都存在差異，表1給出了不同時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究成果和不足之處。由表1可知，不同階段發(fā)展起來(lái)的數(shù)據(jù)模型均能解決特定問(wèn)題，但缺乏更完善的體系。

2.1 時(shí)間快照?qǐng)D像序列模型

時(shí)間快照?qǐng)D像序列模型是較為經(jīng)典的時(shí)空數(shù)據(jù)模型之一[12]，通過(guò)使用經(jīng)過(guò)空間配準(zhǔn)后的柵格圖像來(lái)表示真實(shí)世界在某個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)。在數(shù)據(jù)庫(kù)中只記錄當(dāng)前的數(shù)據(jù)狀態(tài)，數(shù)據(jù)更新時(shí)，新數(shù)據(jù)會(huì)替換舊數(shù)據(jù)，可將時(shí)間片段存儲(chǔ)起來(lái)，根據(jù)用戶需要對(duì)指定時(shí)間的片段進(jìn)行回放。因數(shù)據(jù)未發(fā)生變化時(shí)也會(huì)進(jìn)行存儲(chǔ)，故當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，系統(tǒng)的處理效率會(huì)急劇下降。該模型還只是一種理論上的模型，開(kāi)發(fā)價(jià)值不是很大。

2.2 時(shí)空復(fù)合模型

在與矢量基態(tài)修正模型相似的時(shí)空復(fù)合模型中[13]，時(shí)空復(fù)合式把空間分割成具有相同時(shí)空過(guò)程的最大公共時(shí)空單元，較容易實(shí)現(xiàn)時(shí)空拓?fù)浞治鯷14]。該模型保留了沿時(shí)間的空間拓?fù)潢P(guān)系，所有更新的特征都被加入到當(dāng)前的數(shù)據(jù)集中，新的拓?fù)潢P(guān)系也會(huì)伴隨生成。但隨著時(shí)間的延續(xù)，時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)會(huì)逐漸增多，影響時(shí)空復(fù)合模型的查詢效率。

表1 時(shí)空數(shù)據(jù)模型對(duì)比分析

2.3 面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型

在靜態(tài)對(duì)象模型的基礎(chǔ)上擴(kuò)展時(shí)態(tài)信息表達(dá)[15]，其核心思想是把所考察的系統(tǒng)看成一個(gè)對(duì)象，提取它們之間的共性和相互作用方式并進(jìn)行規(guī)范化，使得邏輯過(guò)程的建模變得簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)[16]。該模型能夠較好地表達(dá)數(shù)據(jù)的時(shí)間、空間和語(yǔ)義屬性信息，反映要素對(duì)象之間的多層次關(guān)聯(lián)關(guān)系[17]，有助于探索事物動(dòng)態(tài)變化的內(nèi)在規(guī)律[18]。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)也將是未來(lái)數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展方向[19]。

2.4 時(shí)空立方體模型

1970年Hagerstrand提出了時(shí)空立方體模型，由兩 個(gè)空間維和一個(gè)時(shí)間維組成三維立方體[20]，給定一 個(gè)時(shí)間位置值，即可從三維立方體中獲得相應(yīng)的截面[14]。時(shí)空立方體單元是以規(guī)則的空間網(wǎng)格為底，相應(yīng)的時(shí)間段為高組成的方形柱體，是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基本單元[21]。當(dāng)時(shí)空立方體單元中存儲(chǔ)的物理表或邏輯表超出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的上限時(shí)，數(shù)據(jù)的管理效率將會(huì)大幅下降，同時(shí)在時(shí)空立方體表達(dá)方面也較難實(shí)現(xiàn)。

2.5 基態(tài)修正模型

當(dāng)狀態(tài)變化相對(duì)緩慢，為了降低數(shù)據(jù)冗余量，存儲(chǔ)時(shí)只記錄變化部分，可選擇基態(tài)修正模型，又稱為底層疊加模型[22]。每變化一次的快照可通過(guò)疊加每次變化內(nèi)容獲得，每個(gè)對(duì)象只需存儲(chǔ)一次，記錄很小的數(shù)據(jù)量。雖然解決了數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題，但也增加了時(shí)空操作的復(fù)雜性[23]。該模型設(shè)使用最為頻繁的狀態(tài)為基態(tài)，每當(dāng)有狀態(tài)變換時(shí)，將前一狀態(tài)相對(duì)于最新?tīng)顟B(tài)的變化部分存入歷史庫(kù)。存儲(chǔ)入庫(kù)的內(nèi)容會(huì)被變更數(shù)據(jù)不斷修正[24]。該模型處理矢量數(shù)據(jù)的效率較低，但處理柵格數(shù)據(jù)較為合適。

2.6 快照增量時(shí)空模型

要素在其生命周期中，可發(fā)生多次空間幾何變化和屬性變化，空間幾何擁有正負(fù)號(hào)特性。每一時(shí)刻的快照信息為前一快照信息加上增量信息，表現(xiàn)為空間幾何標(biāo)識(shí)符的集合。時(shí)空索引的節(jié)點(diǎn)包括空間幾何集和時(shí)間區(qū)間，其中空間幾何集共有3類，通過(guò)出現(xiàn)的集合和消亡的集合來(lái)表示增量。該索引機(jī)制將時(shí)間和空間作為同等重要的維，能對(duì)時(shí)間段和時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行快速查詢，兼顧了時(shí)間和空間的查詢效率[25]。

2.7 時(shí)空ER模型

ER模型常用于設(shè)計(jì)高性能的事務(wù)型處理系統(tǒng)，主要是圍繞數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)之間的關(guān)系構(gòu)建而成。在傳統(tǒng)的ER模型上引入新的符號(hào)結(jié)構(gòu)來(lái)支持時(shí)空信息，將現(xiàn)實(shí)世界中的空間、時(shí)間、屬性信息相互關(guān)聯(lián)，可為時(shí)空數(shù)據(jù)的建模提供便利條件，并對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)提供有效的方法[26]。在用戶使用該終端時(shí)，為了理解查詢的結(jié)果，必須要先了解數(shù)據(jù)庫(kù)如此龐大的ER模型，這一點(diǎn)對(duì)用戶而言不易實(shí)現(xiàn)[27]。

2.8 基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型及其擴(kuò)展

按時(shí)間順序把事件組成一個(gè)鏈，新發(fā)生的事件會(huì)依次加到整個(gè)事件的尾部。以時(shí)間順序來(lái)組織發(fā)生在特定地理位置上的變化。擴(kuò)展后的模型主要適用于高級(jí)時(shí)態(tài)查詢，具有3個(gè)重要功能：解決對(duì)象標(biāo)識(shí)問(wèn)題，使更新機(jī)制更加靈活；被擴(kuò)展的時(shí)間對(duì)象能夠清晰地反映時(shí)空模型中事件與狀態(tài)變化之間的因果關(guān)系；為了提高在事件、空間、屬性的查詢速率，在空間和屬性信息中可加入它們的事件對(duì)象標(biāo)識(shí)，時(shí)間與空間信息是分離的[28]。

2.9 基于圖論的時(shí)空數(shù)據(jù)模型

尹章才[29]等基于圖論的時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究顯式地表達(dá)與存儲(chǔ)時(shí)空實(shí)體與時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系，避免了用快照序列進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與表達(dá)。圖論是一種研究具體事物間關(guān)系的抽象代數(shù)，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)與當(dāng)前數(shù)據(jù)的分離，能夠描述在空間與時(shí)間上不連續(xù)變化的時(shí)空實(shí)體。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易也有益于用戶對(duì)時(shí)間和空間數(shù)據(jù)的查詢與管理。

2.10 GSM數(shù)據(jù)模型

張恒才[30]等提出了GSM數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)了截取、擴(kuò)展、投影和多維投影4種基礎(chǔ)操作，彌補(bǔ)了移動(dòng)對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中地理空間及社交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理的不足。該模型與PostgreSQL相比，穩(wěn)定性較高，在執(zhí)行效率方面，GSM模型操作符也要高于PostgreSQL實(shí)現(xiàn)方式，能夠有效防止關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中表鏈接造成的移動(dòng)對(duì)象管理與查詢效率不高的問(wèn)題。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)當(dāng)前典型時(shí)空數(shù)據(jù)模型的歸納分析發(fā)現(xiàn)，理論研究模型與實(shí)際應(yīng)用還存在很大差距。典型表現(xiàn)就是理論研究的模型較多，而開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用原型較少；大部分?jǐn)?shù)據(jù)模型只能表達(dá)某一時(shí)刻地理實(shí)體狀態(tài)的變化，卻不能描述與表達(dá)連續(xù)發(fā)生變化的地理實(shí)體，在森林火災(zāi)和臺(tái)風(fēng)預(yù)警方面欠缺時(shí)效性。因此，理論研究要與應(yīng)用開(kāi)發(fā)緊密結(jié)合才能取得更大的發(fā)展空間；通過(guò)結(jié)合已有數(shù)據(jù)模型，使其互補(bǔ)產(chǎn)生新的擴(kuò)展模型；在解決實(shí)際問(wèn)題的同時(shí)也要兼顧數(shù)據(jù)冗余等問(wèn)題。

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B

1672-4623（2016）09-0029-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.09.009目前對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)分析理論方法的研究日益增多，

王洋洋，碩士研究生，研究方向?yàn)闀r(shí)空數(shù)據(jù)挖掘，嵌入式。

2015-11-16。

項(xiàng)目來(lái)源：2014年庫(kù)爾勒科技合作資助項(xiàng)目（KRLKJHZXM）；新疆維吾爾自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目（XJGRI2015087）。（*為通訊作者，博士）