时间：2022-11-09 22:30:02 | 来源：信息时代
时间：2022-11-09 22:30:02 来源：信息时代
时空数据模型 : 描述现实世界中的时空对象、时空对象间的时空联系以及语义约束的模型。与传统的数据模型一样,时空数据模型同样也分为语义型和结构型两种。时空语义模型侧重于时空语义的表达,以用户的观点描述现实世界中的时空对象及对象间的时空联系。因此时空语义模型的抽象程度较高,对模型中的要素的描述也没有严格的形式化定义,一般独立于计算机系统。而结构型时空数据模型则直接面向时空数据的逻辑结构,有着严格的形式化定义。通常的时空数据模型指结构型时空数据模型。
时空数据模型是时空数据库中研究最集中的领域。自20世纪90年代开始,已经提出了多种不同的模型。这些模型大致可分为五类:
1.基于版本的时空数据模型
基于版本的时空数据模型的核心思想是通过记录空间对象在不同时间里的状态来记录空间数据随时间而发生的时空变化。目前提出的基于版本的时空数据模型包括: 时空快照模型(spatiotemporal snapshot model)、基态修正模型(base state and amendment model)、时空立方体模型(spatiotemporal cube model)、时空复合模型(spatiotemporal composite model)和时空对象模型(spatiotemporal object model)。时空快照模型采用数据库版本技术,将版本时间标记在全局状态上,以一系列的数据库快照来表示空间对象随时间而发生的演变,其中每个快照记录了当时的数据库状态。基态修正模型以一个原始的数据库状态(快照)为基础状态,通过记录每一次相对基态的状态变化来表示时空对象的时空变化。该模型将版本时间标记在两个数据库状态的变化差值上,即只在数据库状态发生变化时,才做一次版本,并且做版本时只记录当前状态与基态之间的差值。时空立方体模型以二维空间和一维时间构成的三维立方体来表示时空数据。该模型采用了对象版本技术,将版本时间标记在空间坐标点上,当空间对象的空间坐标点发生变化时就增长立方体。时空复合模型结合了数据库版本和对象版本的特点,它将版本时间标记在人为组合的一个时空复合体上。一个时空复合体是空间同构、时态一致的若干空间对象的组合。时空数据库表示为时空复合体的集合,每个时空复合体的变化单独表示,并且每当一个时空复合体发生变化时,就产生一个新的时空复合体。因此时空复合模型的版本粒度介于时空快照模型和时空立方体模型之间,它以时空复合体为版本单位,从而可以有效回答针对时空复合体的时空变化查询(例如,学校校区的变化)。时空对象模型以面向对象技术为基础,将时空数据库表示为一个时空对象集合,每个时空对象包含若干个时空原子(spatiotemporal atoms)。一个时空原子是时空对象的部分空间属性,这些空间属性在一个最长时间里保持不变。尽管时空原子本身不表示任何时空变化,但将一个时空对象的时空原子投影到时间维或空间维上就可以得到该时空对象在不同时间里的状态,因而可以表示时空对象的状态和变化。
2. 基于事件的时空数据模型
基于事件的时空数据模型源于时态数据模型。在时态数据管理中,人们已经提出了按时间序列表示时态信息的模型。将这一思想应用到时空数据建模上,就产生了基于事件的时空数据模型。
一个事件(event)是一个发生在某个确定时刻的事实。基于事件的时空数据模型的基本思想就是将空间对象的时空变化表示为一个个的事件,每一事件记录了空间对象的一次状态变化,即事件对应着时空变化。与基于版本的时空数据模型相比,基于事件的模型以显式的方式表达时空变化。在基于版本的时空数据模型中,版本本身并不表示变化,时空变化是通过版本间的比较来表示的。而在基于事件的模型中,每次事件即是一次变化,并且还可以同时记录变化的前后关联状态等信息。在基于事件的时空数据模型中,关键在于如何有效、合理地定义和表示事件。
3.基于约束数据库的时空数据模型
基于约束数据库的时空数据模型是20世纪90年代提出的一种新型数据库。约束数据库通过“广义元组(generalized tuple)”对传统的关系数据模型进行了扩充。约束关系R中的一个约束元组是定义在一个变量集上的约束合取式。例如,定义在变量集{x,y}上的约束元组可以是“((1<x<3)∧(2<y<5))”,这对应于二维平面上的一个矩形区域。由于每个约束元组可以描述一个可能是无限的点集,因此约束数据模型可以用约束的形式来表示时空数据等多维信息。
基于约束数据库的时空数据模型的最大优点是其在传统关系代数操作上的封闭性很容易证明。因而这种时空数据模型仍可以采用关系代数或关系演算作为数据操作。根据约束数据库的思想,人们提出了若干时空数据模型。如“参数化二维Spaghetti”(parametric 2-Spaghetti)模型、“参数化矩形”(parametric rectangle)模型等。这些时空数据模型在不同程度上利用了约束数据库的某些特性。
与其他模型相比,基于约束数据库的时空数据模型具有较强的表达能力。该模型不仅可以表达连续型变化,而且当约束表达式退化为常量时,还可以表达基于版本的时空数据模型的语义。基于约束数据库的时空数据模型对于一些特定的应用,例如海上航行管理、车辆交通管理等较容易计算约束表达式的移动应用具有较好的适用性。
4.基于数据类型的时空数据模型
基于数据类型的时空数据模型是以数据类型来表示时空数据。这类模型由一个时空数据类型的集合以及数据类型上的操作集组成。基于数据类型的时空数据模型的最大优点是可以和对象关系数据库管理系统(object-relational DBMS,ORDBMS)以及SQL语言无缝结合。ORDBMS提供了数据类型和操作的扩展能力,而且扩展的类型和操作可以直接在SQL中使用。因此,基于数据类型的时空数据模型的实现具有很好的前景。
5.面向移动对象的时空数据模型
移动对象是一类特殊的具有明显特征的时空对象,这些对象的位置随时间变化,但它们的形状不随时间而变化。例如海上航行的船只、公路上行驶的车辆等。因此,在时空数据库中可以将移动对象的空间数据抽象为0维的点。由于空间数据都抽象成点,因此面向移动对象的时空数据模型就避开了其他的时空数据模型中的一些难点问题,集中处理时空对象位置的变化,即移动。正是因为这一特殊性,所以面向移动对象的时空数据模型在表达时空对象位置的连续时空变化(移动)时取得了较大的成功,因为点的连续变化比区域的连续变化建模要容易得多。目前,该模型除了研究移动对象的连续位置变化外,还引发了一些其他问题的研究,例如,移动对象的未来位置查询、移动对象的变化概率等。由上可知,面向移动对象的时空数据模型可以满足一些特殊的应用要求,并且在表达空间位置的连续变化、针对移动对象的查询和索引等方面有一定的优势,也为时空数据库的研究开辟了一个新的途径。
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