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1、1 / 11 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 2 / 11 海洋时空数据模型研究现状 钱为 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
2、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”原型系统工程中进 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 3 / 11 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
3、 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。 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
4、征重复记录，基态修正模型只 存储某个时间点的数据状态 基于空间位置的时空数据模型: 主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。
5、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
6、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 5 / 11 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
7、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
8、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
9、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
10、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， 6 / 11 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
11、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、空间与属性互动的特性，主要表现为时间与空间的动态性及其三者之 间紧密联系的特点。随着海洋GIS 理论的发展，海洋时空数据模型的研究成为 迫切需要解决的问题。许多学者对海洋GIS 时空数据组织模型开展了卓有成效 的研究，提出了一些海洋时空数据组织的概念模型，并在一些领域进行了应用。 以下是几类典型的海洋时空数据模型。邵全琴7针对第三类海洋现象，如跃 层、涡漩、锋面、水团等，提出了“场对象”的概
12、念，并基于场对象的特性， 提出了面向场对象的海洋GIS 时空数据表达框架模型。该模型具有双层结构: 下层为基于海洋过程的基础数据组织。上层为基于时空三域方法的场对象数据 表达。模型中，下层设计用于各种数据集中分析提取对象的边界、形状、特征 与其他对象的关系等，显示存储分析得到的不同时期场对象的相关信息，上层 场对象数据的组织采用 TRIAD 模型，显示表达由下层提取得到的场对象有关的时 空数据。由于海洋现象的动态性、边界模糊性等特点，关于场对象的分析、识 别、提取、组织等还有很长的路要走，该数据模型作为原型设计，还需要不断 的完善和发展。在通过分析海洋渔业数据表达中存在的各种问题后，总结了海
13、洋现象的动态性、模糊性，时空数据粒度不一，属性多维、时空互动等特性。 在此基础上，提出了栅格化的、基于特征的多维数据立方体海洋栅格时 空层次聚合模型，并在海洋渔业GIS 系统中进行了应用。通过该模型，可以简 单方便地获取不同层次、不同区域和不同时间粒度的时空对象数据，并且易于 构造和实现。该模型从海洋渔业数据所具有的不同时间粒度、不同空间粒度和 相关环境要素数据的栅格特性出发，按照应用和表达的不同层次进行了模型设 计，对于多维属性数据的组织和自动综合有一定的指导意义。该模型针对具体 的海洋渔业应用具有实用性，但不适合扩展到海洋其他领域。借鉴OOgeomorph 模型的思路，通过对海洋GIS 的
14、要求和设计原则的概括和总结，提出了海洋场 模型理论的构思和基本内容。此模型与邵全琴提出的面向场对象海洋时空数据 模型类似，但其以海洋现象数据集代替场对象数据组织，以海洋现象分析识别 代替了场对象的分析识别，概念模型能够在较高层次上准确把握数据、过程的 整体动态变化。该模型采用自适应的多级格网数据模型进行组织。它从整体上 分为数据模块和算法模块，使概念更加清晰明确，便于分重点研究。自适应多 级格网数据模型的提出，对于原始数据的组织、管理、分析和数据抽取，也具 有重要的现实意义。但该模型也只是停留在对地理对象时空语义表达层次，缺 乏后续理论研究。从海洋基础数据出发，结合现有的技术条件，借鉴了一些面
15、 向场对象模型和海洋场模型的概念，提出了海洋GIS 时空数据组织框架。基于 该框架模型，针对时空数据仓库中基础时态数据组织，还提出基于格网的时序 7 / 11 快照修正模型。最后将其框架模型理论应用到了具体的实验案例中，取得了很 好的效果。但该模型的实用性与扩展性还需进一步验证。等在总结了主要的海 洋数据来源、特点以及结合各海洋用户群体实际应用需求的基础上，提出了 ArcMDM( Arc Marine Data Model 海洋数据模型。该模型采用了传统GIS 表达 地理对象数据的基本思想，将海洋要素表达为点、线、面、网格类型，给出了 海洋数据概念模型框架、逻辑结构。将时间作为附加属性加入到海
16、洋要素属性 域中，利用对象关系数据模型存储结构Geodatabase 来存储随时间变化的海洋 观测数据、海洋数值模型计算的结果数据。实现了海洋要素时空数据访问或查 询以及存储，分析和展示问题。提出了以过程为核心的海洋时空过程数据模型， 根据构成海洋过程的海洋对象特性以及GIS 表达对象的规律，将海洋过程泛化 为点、线、面、体时空过程。结合面向对象的思想，将海洋实体或现象( 过程 进行对象化，整体表达其空间形态、物理属性和时态信息。采用分级抽象与逐 级包含，将整个海洋过程抽象为过程对象、过程阶段对象、过程序列对象、过 程状态对象四个等级。系统地提出了海洋时空过程数据模型的语义表达，给出 了该模型
17、的逻辑组织结构、物理存储模型以及相关时空过程操作分析，并通过 原型系统模拟了海洋峰、涡旋等具体海洋时空过程，在某种程度上解决了海洋 时空过程的连续动态表达与模拟。上述各种海洋时空数据模型研究各具特点， 但同时也不可避免存在一些问题，在海洋数据格式上、海洋应用领域存在一定 的局限性，且很多还处于概念模型的阶段，离实际应用还有大量的工作要做。 结合“数字海洋”原型系统实际应用需求和海洋要素产品要素数据的自身特点， 并考虑到 ArcMDM 数据模型中对洋洋产品要素存储方法，本文拟对ArcMDM 数据 模型子模型提出一种改进方案。 3 ArcGIS 海洋时空数据组织方法及改进方案 3. 1 ArcGI
18、S 海洋数据模型 在ArcGIS 海洋数据模型中，为了对海洋数值计算模型产生的结果和多个随 时间变化的二维数据进行存储和管理，引入了网格数据集类型。图1 为基于 UM L 的海洋时空数据模型逻辑结构。该模型主要包括五个类对象，以下简要 说明各个对象特征类。 1 网格对象类 网格对象类定义网格和网格点的相关信息，如大小、形状和维数。网格编 号，是用户定义的标识符，表明了网格的惟一性。需要说明的是，网格的编号 规则没有特殊的要求，用户可以根据需要采用合适的编号原则，但需要满足编 号的惟一性，例如，当选取多个区域时，可以采用区域名称、参数类型和网格 类型联合进行编号。事实上，在一个系统中，由于选取的
19、区域很大，因此数量 一般比较少，采用整数就可以满足编号的要求。总点数属性表明了一个网格中 的点数目，但不是通过行点数、列点数和深度点数三者简单取积，因为网格中 每一层的点数可能会不相同。行点数、列点数以及深度点数各自表示了3 个维 8 / 11 度上的点数目。网格类型通过编码域值来定义，表明了网格的类型。 2 网格点特征类 网格点特征类将数值模拟产生的结果表达为规则间隔的格网点或者有限元 或其他网格类型的不规则间隔节点。对规则间隔的格网点，网格点特征代表规 则二维或三维栅格像元的中心。对于不规则间隔节点，网格点特征定义有限元 面上的节点。网格点特征继承了海洋特征类的属性，并增加了表示点在网格中
20、 的行位置、列位置和深度位置的属性。网格编号属性表示点所在的网格，点类 型属性表示 点属于规则网格的网格点或者不规则网格的结点。 3 网格元素特征类 网格元素特征类是继承于海洋特征类中的多边形特征类，表达不规则网格 的面。一个网格元素一般由三个网格定义，也可以有四个网格点。网格元素特 征类继承了海洋特征类的属性，还增加了四个节点编号属性。表示网格元素角 点的网格点特征编号。 4 矢量场对象和标量场对象 数值模型可以产生随时间变化的标量场或者矢量场数据，两种场均符合网 格的特点且都包含时间戳，以表明单个位置上的参数值随时间变化。同一个网 格点同时具有矢量特性与标量特性，它们之间是一对多的关系，即
21、一个网格点 上可以表达多个矢量值和多个标量值。 5 参数对象类 参数对象类，类似于一个查找表，存储了地理数据库中所有的参数类型及 其描述信息，如温度、盐度、海流等海洋要素。该对象类具有很好的扩展性。 该模型将一个规则多层格网数据空间区域表达为一个网格，网格中的每个点存 储了不同时间刻、不同类型( 矢量、标量或其他类型 的参数值。通过关系类 将网格、网格 点以及矢量场、标量场和参数类型紧密地联结在一起，形成一个有机的整体。 显然该模型没有考虑网格所在区域的空间分辨率问题。 9 / 11 图 1 网格逻辑模型 UML 框图 12 3. 2 海洋时空数据组织改进方案 事实上，海洋数值模拟的结果数据往
22、往是多级分辨率并存的，换句话说， 就是同一个网格所在的区域中不同的子区域范围其空间分辨率大小不尽相同， 因此需要按区域分辨率的不同进行划分。另外，对于时间区间跨度很大的数据， 还需要分时间段进行存储，以避免只在单个对象表中进行基于时间的查询，提 高查询检索效率。为了有效地利用上述网格模型对其进行存储管理，以满足原 型系统的快速查询，分析与可视化表达需求，笔者试图对上述模型进行改进， 给出一种建立时空索引方案。在空间上，将多层规则格网数据空间区域划分为 若干的大小适当空间区块，利用标识符予以标明。在时间上，根据各种数值模 拟生成的参数的时间粒度建立多个时间段的矢量场对象和标量场对象，并一一 建立
23、与参数对象类和网格点之间的关系类，时间粒度大小影响着矢量场对象和 标量场对象的数量。基于这种思想，分别需要建立区域空间索引和时间段的索 引类对象，并与模型中其他相关的类对象进行关联。这样做的目的主要是为了 使得在进行基于位置和基于时间的查询时，能够快速定位到需要查找的空间区 域和时间段中。必须指出的是，虽然该改进方案没有节省存储空间，但是加快 了检索速度。 4 应用案例 为了验证本文提出的对 ArcGIS 海洋时空数据模型改进方案的有效性与实用 性将改进后的模型应用到“数字海洋”原型系统中。采用的数据为某一海区多 个标准层的。 2004 年1 月份至 12 月份的海水月平均温度场规则格网数据。
24、在 系统中，利用该网格模型进行数据组织，通过程序实现了海洋温度的时空查询、 分析与显示功能 : 选择某一时刻和某一标准层( 深度层 ，可以获取任意位 置上的温度值。选择某一时刻和某一标准层，可对单层的温度显示。选 择某一时刻和指定深度层( 起始层与终止层 ，可以获取任意位置上温度值随 深度的变化趋势。选择指定时段 ( 起始时刻与终止时刻 和某一标准层，获 10 / 11 取任意位置上的温度随时间的变化趋势。选取指定时段和某一标准层，获取 单层温度随时间的变化趋势。选择某一时刻，对多个标准层温度进行显示。 这里给出部分实现结果，图2 显示了表层某位置上 2至12 月份温度变化趋势 ( 功能 。
25、图4 显示了表层温度从 1 至12 月份的变化过程 ( 功能 。结 果证明，该模型在海洋要素时空数据的组织管理以及查询检索效率、时空分析 能力等方面都得到明显地改善。 图2 表层2-12月份某位置温度变化趋势图3 表层1-13月份温度变化显示 5：结束语 通过对现有的时空数据模型、海洋时空数据模型的分析和评述，我们发现 基于陆地应用的时空数据模型在表达海洋GIS 中各种海洋数据是不合适的，现 有的各种海洋时空数据模型在建模理论方面做了一些探索，但也不可避免地存 在一些问题，离实际应用还有大量的工作需要去做。研究海洋时空数据模型理 论和相关的应用具有十分重大的意义。一方面，需要进一步扩展和完善现
26、有的 海洋时空数据模型，如时空拓扑关系理论、时空插值方法以及时空可视化技术 等相关问题。另一方面也要探究新的海洋时空数据模型理论。这样才能使其逐 步满足各种海洋 GIS 用户群体的需求。 参考文献 1王家耀，魏海平，成毅，等. 时空GIS 的研究与进展 J. 海洋测绘， 2004，24( 5 . 2姜晓轶，周云轩 . 从空间到时间时空数据模型研究J. 吉林大学学 报，2006，36( 3 . 3王春波，张军，蒋涛 . 基于事件的时空数据模型应用研究J. 测绘科 学，2005，30( 2 . 4苏奋振，周成虎，杨晓梅，等. 海洋地理信息系统原理、技术与应用 M . 北京: 海洋出版社， 2005
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