李 崢

(福建省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，福建福州，350003)

福建海岸線曲折度高，灘涂和濕地多，獨(dú)特的地理環(huán)境吸引了大量的野生水鳥(niǎo)在此棲息和繁殖。福建省林業(yè)部門承擔(dān)了福建省的水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)工作，每年都進(jìn)行野生鳥(niǎo)類常規(guī)和不定時(shí)的監(jiān)測(cè)和調(diào)查，數(shù)據(jù)日積月累越來(lái)越大。由于水鳥(niǎo)具有移動(dòng)性，而且調(diào)查和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有明顯的區(qū)域和季節(jié)特性，隨著時(shí)間的變化而發(fā)生變化，因此傳統(tǒng)的靜態(tài)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用起來(lái)具有一定的局限性。為了更好地管理和應(yīng)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本文引入時(shí)態(tài)GIS概念，建立福建省沿海水鳥(niǎo)時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)已有的水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，突出時(shí)間和空間特性及關(guān)系，便于水鳥(niǎo)種類和數(shù)量監(jiān)測(cè)工作。水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為空間矢量數(shù)據(jù)，每個(gè)要素代表了水鳥(niǎo)種類，屬性中記錄了水鳥(niǎo)種的唯一編碼、中文名、學(xué)名、季節(jié)型、分布地點(diǎn)、觀測(cè)時(shí)間、數(shù)量等信息。

1 時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的組織方法

1.1 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)模型

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)模型是基于對(duì)象的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，以水鳥(niǎo)為管理空間對(duì)象?？臻g對(duì)象包括空間位置(水鳥(niǎo)出現(xiàn)位置)、非空間屬性(水鳥(niǎo)相關(guān)屬性)和時(shí)間屬性(開(kāi)始、事件、結(jié)束)。在監(jiān)測(cè)到的水鳥(niǎo)屬性中增加時(shí)間屬性變?yōu)閯?dòng)態(tài)時(shí)空對(duì)象，每個(gè)對(duì)象中包括水鳥(niǎo)的時(shí)態(tài)信息、空間信息、屬性信息以及其他與其相關(guān)的行為和關(guān)系。

1.2 時(shí)間屬性存儲(chǔ)方式

時(shí)間具有連續(xù)性、可測(cè)量、不可逆和單項(xiàng)性[1]。出于監(jiān)測(cè)、分析和研究的需要，在事務(wù)中記錄實(shí)際時(shí)間，時(shí)間參考系選用日歷時(shí)間，時(shí)間類型采用絕對(duì)時(shí)間。按照水鳥(niǎo)的季節(jié)型特征，水鳥(niǎo)分為冬鳥(niǎo)、夏鳥(niǎo)、留鳥(niǎo)、旅鳥(niǎo)、迷鳥(niǎo)等。在水鳥(niǎo)矢量數(shù)據(jù)中相應(yīng)增加時(shí)間字段記錄水鳥(niǎo)在福建的時(shí)間間隔，時(shí)間的存儲(chǔ)類型為日期型。

1.3 時(shí)空變化集成表達(dá)

時(shí)空變化實(shí)質(zhì)是一系列沿時(shí)間軸的時(shí)空對(duì)象的變化過(guò)程，包括量變和質(zhì)變，因此，時(shí)空變化包括沿時(shí)間軸的時(shí)空變化、拓?fù)渥兓蛯傩宰兓８鶕?jù)變化持續(xù)時(shí)間和頻率的不同，時(shí)空變化可分為離散和連續(xù)變化，在目前GIS軟件中難以同時(shí)描述和表達(dá)，所以，采用基于事件發(fā)生時(shí)刻和基于狀態(tài)存在時(shí)段的方式標(biāo)記時(shí)間，以解決描述離散和連續(xù)變化的問(wèn)題。比如在福建沿海區(qū)域范圍內(nèi)，旅鳥(niǎo)、迷鳥(niǎo)、冬鳥(niǎo)、夏鳥(niǎo)采用狀態(tài)和事件來(lái)共同描述其離散變化。監(jiān)測(cè)到水鳥(niǎo)屬于突發(fā)事件，用事件來(lái)表達(dá)；沒(méi)有監(jiān)測(cè)到屬于靜止?fàn)铙w，用狀態(tài)來(lái)記錄。留鳥(niǎo)在福建區(qū)域穩(wěn)定存在，時(shí)間屬性采用狀態(tài)存在時(shí)段的方式標(biāo)記時(shí)間，但考慮到實(shí)際觀測(cè)和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式，其空間位置和數(shù)量采用基于事件的方式來(lái)描述連續(xù)變化，只是記錄觀測(cè)地理位置以及觀測(cè)結(jié)果。

2 時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)內(nèi)聚性強(qiáng)度分析

在水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)的空間數(shù)據(jù)上構(gòu)建的時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，以時(shí)間軸為序直接定位還原空間對(duì)象。時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)，水鳥(niǎo)作為空間對(duì)象，不僅要考慮其空間和屬性的內(nèi)聚性強(qiáng)度，還要充分考慮時(shí)態(tài)與空間和屬性的內(nèi)聚性強(qiáng)度，便于數(shù)據(jù)的組織、存儲(chǔ)、管理和應(yīng)用分析。時(shí)態(tài)內(nèi)聚性強(qiáng)度主要是指歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間結(jié)合的緊密程度[2]。水鳥(niǎo)的歷史與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)內(nèi)聚性程度強(qiáng)，為了方便數(shù)據(jù)的時(shí)空查詢和分析，存儲(chǔ)在一起。空間與屬性內(nèi)聚性強(qiáng)度主要是指空間位置與屬性信息(指水鳥(niǎo)基本信息)的結(jié)合緊密程度，而水鳥(niǎo)的空間與屬性緊密程度弱，所以采取分離存儲(chǔ)。

2.2 時(shí)空數(shù)據(jù)分類

按照水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間的敏感程度分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)數(shù)指與時(shí)間變化無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)，比如鳥(niǎo)類的中文名、學(xué)名等基本信息。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)指與時(shí)間變化有關(guān)的數(shù)據(jù)，分為屬性動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)(如水鳥(niǎo)數(shù)量)和空間動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)(如空間位置)。

2.3 時(shí)空對(duì)象變化類型

水鳥(niǎo)作為時(shí)空對(duì)象，隨著時(shí)間不斷變化，其變化類型主要是水鳥(niǎo)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息發(fā)生相應(yīng)的變化，但水鳥(niǎo)的靜態(tài)數(shù)據(jù)是不隨時(shí)間變化的。主要時(shí)空變化類型有3種：

(1)空間對(duì)象的創(chuàng)建：隨著時(shí)間變化，該區(qū)域新出現(xiàn)了一種水鳥(niǎo)，新增一個(gè)水鳥(niǎo)空間對(duì)象(如迷鳥(niǎo)、候鳥(niǎo)等)。

(2)空間對(duì)象的終止：隨時(shí)間變化，水鳥(niǎo)空間對(duì)象(冬鳥(niǎo)、夏鳥(niǎo)、旅鳥(niǎo))在區(qū)域內(nèi)遷移消失。

(3)空間對(duì)象的屬性變更：隨時(shí)間變化，區(qū)域內(nèi)水鳥(niǎo)空間對(duì)象的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)屬性發(fā)生變化(如水鳥(niǎo)種類和數(shù)量)。

2.4 時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

充分考慮水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)聚性強(qiáng)度分析結(jié)果，采取合理的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和組織。通過(guò)對(duì)水鳥(niǎo)數(shù)據(jù)的內(nèi)聚性強(qiáng)度分析，把水鳥(niǎo)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)據(jù)集中，把水鳥(niǎo)的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的數(shù)據(jù)集中。遵循面向?qū)ο蟮乃枷?，將水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)信息作為對(duì)象進(jìn)行整理，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包含了創(chuàng)建、消亡時(shí)間和事務(wù)時(shí)間；靜態(tài)數(shù)據(jù)與時(shí)態(tài)無(wú)關(guān)，不必創(chuàng)建時(shí)間字段。水鳥(niǎo)對(duì)象的創(chuàng)建自動(dòng)產(chǎn)生對(duì)象標(biāo)識(shí)碼，其空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)唯一的對(duì)象標(biāo)識(shí)碼，在事務(wù)時(shí)間內(nèi)保持不變，隨著對(duì)象的消亡而消亡；其屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相應(yīng)的對(duì)象標(biāo)識(shí)碼，作為與空間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的主鍵，同時(shí)還存儲(chǔ)水鳥(niǎo)的靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)碼，以此為主鍵與靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)(圖1)。

圖1 水鳥(niǎo)數(shù)據(jù)對(duì)象

2.4.1 水鳥(niǎo)空間信息表

水鳥(niǎo)空間信息表中存儲(chǔ)空間要素的對(duì)象標(biāo)識(shí)碼(隨著對(duì)象的創(chuàng)建而自動(dòng)生成)、空間形狀坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)、有效時(shí)間(空間形狀的生命周期)和事務(wù)時(shí)間(空間形狀處理時(shí)間)。其他空間描述的屬性信息與空間存在強(qiáng)內(nèi)聚性，存儲(chǔ)在同一數(shù)據(jù)集中?？臻g要素的對(duì)象標(biāo)識(shí)碼字段作為主鍵，與屬性信息表中的空間形狀標(biāo)識(shí)碼為主外鍵關(guān)系。

2.4.2 水鳥(niǎo)屬性信息表

水鳥(niǎo)屬性信息表中主要存儲(chǔ)了屬性記錄標(biāo)識(shí)碼、屬性記錄對(duì)應(yīng)的空間形狀標(biāo)識(shí)碼、屬性記錄對(duì)應(yīng)的靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)碼，其他屬性信息與空間內(nèi)聚性程度弱，與空間數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)。

2.4.3 水鳥(niǎo)靜態(tài)屬性信息表

水鳥(niǎo)靜態(tài)屬性信息表存儲(chǔ)靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)碼，用與屬性信息關(guān)聯(lián)。其他屬性字段主要存儲(chǔ)水鳥(niǎo)的一些基本信息(如名稱、種等)，與時(shí)態(tài)無(wú)關(guān)，進(jìn)行單獨(dú)存儲(chǔ)。

3 時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的應(yīng)用

利用ArcGIS軟件平臺(tái)，訪問(wèn)水鳥(niǎo)時(shí)態(tài)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)水鳥(niǎo)時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的查詢分析和可視化表達(dá)。

3.1 查詢分析

時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)查詢分析突出時(shí)間與空間、屬性之間的聯(lián)合查詢。時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在時(shí)態(tài)性方面，比如，解決“某時(shí)、某地的水鳥(niǎo)情況”等問(wèn)題，這就用到時(shí)態(tài)查詢。

(1)時(shí)態(tài)屬性信息查詢：查詢?cè)谀衬昴吃履橙眨心男┧B(niǎo)種類。利用水鳥(niǎo)屬性信息表中的有效時(shí)間，查詢符合時(shí)間點(diǎn)的水鳥(niǎo)種類。

(2)時(shí)空聚集查詢：查詢某年某月某日，福建福清灣有水鳥(niǎo)種類數(shù)量。利用水鳥(niǎo)空間信息表的空間位置信息和屬性信息表中的有效時(shí)間，查詢符合條件的水鳥(niǎo)種類數(shù)量。

(3)時(shí)空變化查詢：查詢某年中某月至某月，福建福清灣水鳥(niǎo)的種類變化。

3.2 可視化表達(dá)

(1)時(shí)間屬性設(shè)置

ArcGIS軟件中，添加水鳥(niǎo)時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)，在圖層屬性進(jìn)行時(shí)間屬性設(shè)置(圖2)。“在此圖中啟用時(shí)間”為必選項(xiàng)，才能隨時(shí)間推移對(duì)其進(jìn)行顯示。時(shí)間屬性頁(yè)中的參數(shù)根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

圖2 時(shí)間屬性設(shè)置

(2)時(shí)間滑塊工具

時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)設(shè)置時(shí)間屬性后，利用ArcGIS的時(shí)間滑塊工具，設(shè)置可視化顯示的時(shí)間范圍、時(shí)間顯示格式，根據(jù)時(shí)間偏移量在時(shí)間維上進(jìn)行可視化顯示，如圖3所示。點(diǎn)擊播放，根據(jù)圖層數(shù)據(jù)的時(shí)間屬性和空間屬性，隨著時(shí)間變化，分別顯示冬鳥(niǎo)、夏鳥(niǎo)、留鳥(niǎo)、旅鳥(niǎo)、迷鳥(niǎo)在空間區(qū)域內(nèi)的出現(xiàn)、停留和遷移等情況。

圖3 時(shí)間滑塊工具

4 結(jié)語(yǔ)

相比于傳統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，不僅可以實(shí)現(xiàn)空間與屬性的查詢分析和管理，還可以實(shí)現(xiàn)時(shí)空查詢和分析，擴(kuò)展了水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍，具備歷史與現(xiàn)狀的連續(xù)性。時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的一體化存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)信息的時(shí)空分析應(yīng)用，對(duì)福建水鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)和水鳥(niǎo)疫源疫病預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)工作具有重要意義。

[1] 張山山.地理信息系統(tǒng)時(shí)空數(shù)據(jù)建模研究及應(yīng)用 [D]. 西南交通大學(xué),2001.

[2] 王華敏,陳繼祥,于雷易.基于基態(tài)修正模型的地籍時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].測(cè)繪信息與工程,2003(3):9-11.