第28卷第5期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2009年10月 V ol.28 No.5 Journal of Liaoning Technical University （Natural Science ） Oct. 2009收稿日期：2007-02-05
基金项目：教育部科技发展中心博士学科类基金资助项目（20050147001)；江西省数字国土重点实验室开放研究基金资助项目（DLLJ200903） 文章编号：1008-0562(2009)05-0716-04
结构元在时空数据模型综合评价中的应用
聂运菊1, 2，石金峰1，宋伟东1
（1.辽宁工程技术大学 测绘与地理科学学院, 辽宁 阜新 123000; 2.东华理工大学 地球科学与测绘工程学院，江西 抚州 344000） 摘 要：为了研究结构元在时空数据模型评价中的作用，通过对时空数据模型的特点进行分析，并对其STGIS 功能、以及是否方便在现有的GIS 软件上实现等属性给出了一个定性的评价表。在此基础上，利用模糊结构元进行模型评价，结果表明,基态修正模型最佳，时空复合模型次之，快照模型一般，时空立方体模型最差。 关键词：结构元；基态修正；时空复合；快照；时空立方体 中图分类号：P 208 文献标识码：A
Application of structuring element in comprehensive
evaluation of spatio-temporal data models
NIE Yunju 1,2，SHI Jinfeng 1，SONG Weidong 1
（1. College of Geomantic, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China;
2. College of Earth Sciences and Survey, East China Institute of Technology, Fuzhou 344000, China ）
Abstracts ：In order to study structuring element in comprehensive evaluation of spatio-temporal data models, Through the analysis on the characteristics of the spatio-temporal data models, this study presents a qualitative evaluation table for some key attributes of data models, such as their STGIS functionality and their adoptability to popular GIS software. Furthermore, the study evaluates the data models using fuzzy structuring element. The result ranks the data models as follows: the best model is the base state with amendments model; the second is the space-time composite model; the third is the snapshots model and the last one is the space-time cube model.
Key words ：structuring element ；base state with amendments ；space-time composite ；snapshots ；space-time cube
0 引 言
时态GIS 的关键问题是建立合适的时间与空间联合的数据模型，即时空数据模型。时空数据模型的优劣，不仅决定了TGIS 系统操作的灵活性及功效，而且影响和制约着TGIS 其他方面的研究和发展。那么如何评价一个模型？就Gail Langran 时空数据模型，不同学者从不同角度进行了评价，得出Gail Langran 时空数据模型都有各自的优缺点, 针对不同的问题，某一模型可能更加合理, 但尚没有适合任何时空数据库的数据模型。 就现实性而言，快照模型很容易在当前GIS 中实现，可以很好地存储历史数据，但数据冗余很大并且难以做出基于时间的分析，因此它只是一种概念上的模型，不具备实用的开发价值[2]
；基态修正模型因为很容易在当前的GIS 上实现，可能还会有所发展，但它对于时间的分析也比较困难；时空复合模型中包含了时态分析所必要的拓扑，是一种比
较理想的数据结构，可惜难以在现有的GIS 上实现，
该模型较时空立方体模型和快照序列模型更节省空间，同时又比基态修正模型历史状态检索效率
高，引起多数研究者的兴趣[3]。时空复合模型将空间变化和属性变化都映射为空间的变化，导致新实体的产生，是序列快照模型和基态修正模型的折衷模型；时空立方体模型具体实现的困难在于3维立方体的表达以及随着数据量的增加，对立方体的操作会变得越来越复杂，以至于最终变得无法处理[2]。时空立方体模型现在还仍然是理论上的[4]。 模型的评价是一个多因素、多指标的复杂评估过程，不能单纯地用好与坏来区分。而模糊逻辑是
一种精确解决不精确不完全信息的方法，其最大特点就是用它可以比较自然地处理人类思维的模糊性，本文利用模糊结构元进行模型评价，保证了评
估结果的科学性和准确性。 1 Gail Langran 时空数据模型 1992 年，Gail Langran 学位论文《地理信息系
第5期聂运菊，等：结构元在时空数据模型综合评价中的应用717
统中的时间》的发表标志着时态地理信息系统正式成为地理信息科学的一个研究方向。至今，几乎每一个从事时态地理信息系统研究的学者均不同程度地参考了Gail Langran 时空数据模型的思想，Gail Langran 时空数据模型对时态地理信息系统建设的影响最为旷久[5]。Gail Langran 四种时空数据模型分别是快照模型、基态修正、时空复合和时空立方体模型。
1.1 快照模型
快照模型基本思路是在固定的时刻或当地理实体发生变化时，或者是每隔一定的时间，将整个空间数据库进行存储。这种模型的好处就是很容易在当前GIS中实现，可以较好地存储历史数据，但数据冗余很大并且难以做出基于时间的分析，同时空立方体模型相比，这种模型存储了某一时刻完整的空间拓扑关系。
1.2 基态修正模型
基态修正模型不存储每个对象不同时间段的所有信息，只记录一个数据基态和相对于基态的变化值，提高了时态分辨率，减少了数据冗余量。该模型的主要优点是检索目标变化（事件）比较容易，缺陷是实体被一系列事件碎分，对实体的状态查询和发展历程查询比较困难，需要进行复杂的设计，空间拓扑随时间变化的信息难以存储[6]。
1.3 时空复合模型
时空复合模型是在一个数据层中表达空间上同质、时态上一致的时空几何目标体，将空间分割成具有相同时空过程的最大的公共时空单元，每次时空对象的变化都将在整个空间内产生一个新的对象。对象把在整个空间内的变化部分作为它的空间属性，变化部分的历史作为它的时态属性。时空单元中的时空过程可用关系表来表达，若时空单元分裂时，用新增的元组来反映新增的空间单元，时空过程每变化一次，采用关系表中新增一列的时间段来表达，从而达到用静态的属性表表达动态的时空变化过程的目的；这种方法数据冗余少，但在数据库中频繁地修改对象标识符较复杂，涉及的关系链的层次较多，必须对标识符逐一进行回退修改。
1.4 时空立方体模型
时空立方体模型将时间看作独立于空间的一维时间轴，用二维图形沿时间第三维发展变化的过程表达现实世界平面位置随时间的演变；给定一个时间位置值就可从三维立方体中获得相应的截面，它表示了两维空间随时间维发展的过程。从这个立方体中获取信息必须从世界时空立方体中引用点、跟踪线、截取面，或切出一个小立方体。这种数据模型适合描述单个地理实体的时空变化，但是现实世界是由大量地理实体组成，因此，在系统中需要存储大量的数据，难以重建某一时刻现实世界的拓扑关系。这种方法难以在现有GIS软件基础上扩展时态功能。
通过上述分析，这几种模型各有优缺点。下面将四种模型进行分类，并对其STGIS功能、以及是否方便在现有的GIS软件上实现，给出了一个定性的评价表。
表1 时空数据模型一般功能特性及其功能权重Tab.1 characters and relative weight of common functions in different spatio-temporal data models
模型
一般功能
快照
模型
j
x
1
~
基态
修正
j
x
2
~
时空
复合
j
x
3
~
时空
立方体
j
x
4
~
功能
权重
j
ω~ GIS建立很容易容易很难难重要
数据量很大很小小大很重要
数据输入容易容易一般很难很不重要数据编辑容易容易一般很难一般
时态查询难难容易一般很重要
时态建模难难很容易一般很重要
数据可视化很差好差一般重要
易用性容易一般一般很难不重要2 模糊结构元
定义1[7] 设E为实数域R上的模糊集，隶属函数记为E(x), x∈R. 如果E(x)满足下述性质：
1) E(0) = 1;
2) 在区间[-1,0)上E(x)是单增右连续函数, 在区间(0,1]上是单降左连续函数；
3) 当-∞ < x < -1 或者1 < x < +∞时，E(x) = 0。则称模糊集E为R上的模糊结构元。
定理1[8]设E是R上的任意模糊结构元, 具有隶属函数)
(x
E，又设函数)
(x
f在区间［-1,1］上是单调有界的，)
(ˆx
f是)
(x
f的延拓集值函数，则)
(ˆE
f是R上有界闭模糊数，且)
(ˆE
f的隶属函数为))
(
(1x
f
E-，这里)
(1x
f-是)
(x
f关于变量x 和y的轮换对称函数(若)
(x
f是连续严格单调的，则)
(1x
f-是)
(x
f的反函数)。
定理2[8]对于给定的正规模糊结构元E和任意的有界闭模糊数A, 总存在一个在[-1,1]上的单调
