时空数据模型简介资料20页PPT

地理信息系统（GIS）： 用于地理空间数据的 存储、管理和分析
遥感技术（RS）：用 于对地球表面进行观
测和监测
导航定位系统 （GNSS）：用于定位
和导航
城市规划与设计：用 于城市规划、交通规 划、土地利用规划等
环境监测与评估：用 于环境监测、生态评
估、灾害预警等
资源管理与开发：用 于资源调查、资源评
城市规划中的应用
城市用地规划：利用空间数据模型分析土地利 用情况，优化城市用地布局
交通规划：利用空间数据模型分析交通流量和 拥堵情况，优化交通网络和设施布局
公共设施规划：利用空间数据模型分析公共设 施的分布和需求，优化公共设施布局和配置
环境规划：利用空间数据模型分析环境污染和 生态状况，优化环境保护和生态建设措施
04 数据特征提取：从原
始数据中提取出与建 模相关的特征信息， 为后续建模提供基础
空间数据模型的构建方法
01
确定空间数据的类 型和属性
03
构建空间数据的拓 扑关系和几何特征
05
验证空间数据模型 的正确性和有效性
02
设计空间数据的数 据结构和存储方式
04
设计空间数据的查 询和更新方法
06
优化空间数据模型 的性能和效率
面向对象数据模型：以 对象和类表示空间实体， 支持空间数据的继承、 封装和多态性
01
02
03
04
空间数据模型的应用
1
地理信息系统 （GIS）：用于 存储、管理和分 析地理空间数据
4
城市规划：用于 分析城市空间布 局、交通网络和
土地利用情况
2
遥感技术：用于 获取和分析地球 表面的遥感图像
数据

结论
本次演示对时空数据模型进行了详细综述，概括总结了前人研究成果和不足 之处。尽管时空数据模型已经取得了许多重要的成果，但仍存在许多挑战和问题 需要进一步研究和探讨。例如，如何选择合适的时空数据模型以提高预测精度； 如何处理高维度的时空数据；如何构建通用有效的时空数据模型等问题。未来研 究可以进一步拓展时空数据模型的理论框架和应用领域，为其在实际问题中的应 用提供更多思路和方法。
引言
随着科学技术的发展，人们对于时间序列数据的分析和预测需求越来越高。 在这种背景下，时空数据模型应运而生。它是一种能够描述和预测时间序列数据 的统计模型，可以帮助人们更好地理解和掌握时间序列数据的动态变化规律，从 而为预测和决策提供有力支持。本次演示将详细介绍时空数据模型的相关知识和 研究现状，并对其应用领域进行探讨。
（3）规则/决策树模型
规则/决策树模型是一种基于决策树思想的机器学习算法，用于分类和回归 预测。它通常由多个决策节点和结果节点组成，通过对数据特征进行逐步规则判 断来逼近目标结果。在时空数据建模方面，规则/决策树模型可以利用其简单直 观的决策规则，对时间序列数据进行分类或回归预测。常用的规则/决策树模型 包括CART、C4.5、ID3等。这些模型在气象、地质、环境等领域都有广泛的应用。
二、时空数据模型应用场景
时空数据模型在各个领域都有广泛的应用。在地球科学领域，时空数据模型 被广泛应用于气候变化、地质灾害等方面的研究。在大气科学领域，时空数据模 型被用于气象预报、空气质量预测等领域。在空间科学领域，时空数据模型则被 应用于卫星轨迹预测、航天器姿态控制等领域。
三、时空数据模型研究方法
时空数据模型的研究方法主要包括理论分析、实证研究和案例分析等。理论 分析主要对时空数据模型的性质、特征和算法进行深入探讨；实证研究则通过实 际数据对模型的有效性和可靠性进行验证；案例分析则针对具体应用场景，对模 型的实用性和可扩展性进行评估。

时空数据模型研究进展
时空数据模型的研究历程可概括为20世纪70年代 的酝酿起始阶段，80年代的开拓阶段和90年代后的 大发展阶段。前两个阶段重点主要表现为空间为主 的GIS功能研究和以时态信息处理为主的时态数据库 研究，时空结合方面涉及的很少。20世纪90年代初 期，出现了大量专门用于处理时空数据的模型和原 型系统。目前主要时空数据模型设计方法有一下几 种：一是在栅格、矢量空间模型基础上扩展时间维， 二是在时间模型基础上扩展空间维，三是面向对象 方法。
时空数据模型简介
时空数据模型是TGIS和STDB的基础。时 空数据模型通常由数据结构、数据操作和完 整性约束三部分组成（张祖勋等，1996）。 时空数据模型是一种有效组织和管理时态地 学数据、空间、专题、时间语义完整的地学 数据模型，它不仅强调地学对象的空间和专 题特征，而且强调这些特征随时间的变化， 既时态特征。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。
时空立方体模型
时空立方体模型用几何立体图形表示二维图形 沿时间维发展变化的过程，表达了现实世界平面 位置随时间的演变，将时间标记在空间坐标点上。 给定一个时间位置值，就可以从三维立方体中获 得相应截面的状态，也可扩展表达三维空间沿时 间变化的过程。缺点是随着数据量的增大，对立 方体的操作会变的越来越复杂，以至于最终变的 无法处理。
（3）在地学对象认识和表达过程中，领域专家、 数据收集者和GIS技术人员存在着重要的概念差异， 导致在对象抽象方式、模型定义、数据结构和组织 方式上存在着争议。经验表明，仅仅依靠简单的时 间或空间的扩展方式是无法灵活、高效地表达时空 现象及其关系的，也不能满足时态GIS的需求。 （4）时空数据模型通用性低。目前的时态GIS主 要有一下3种实现方式：基于商业GIS系统的时态扩 展，用于科学研究的原型系统，针对特殊应用的时 空查询工具。然而这些系统大多是针对特定的应用 而设计的，只能使用特定的数据结构，通用性非常 弱。

著，王斌译，大数据：互联网大规模数据挖掘与分布式处理（第2版） [M]，人民邮电出版社， .7 7. （美）坎塔尔季奇著，王晓海，吴志刚译，数据挖掘：概念、模型、 方法和算法(第2版)[M]，清华大学出版社， .1 8. （美）Jiawei Han等著，范明等译，数据挖掘：概念与技术[M]，机 械工业出版社， .3
velocity 快速性
veracity 不确定性
•数据量 • T定B-义PB-EB
•未来18个 月产生的 数据量等 于有史以 来的数据 量之总和
•类型多（文 本、图像、
音频、视频）
•异构（无模 式或模式不
明显）
•非结构化数 据占数据总
量的80-90%
•大量的不 相关信息
• 信息技术革命的推动
从电子计算机的诞生，到数字化及数据存储设备的发展，到数据的在线（网 络）传输，再到数据的智能化处理及智能服务，尤其是基于智能感知技术 的穿戴设备的兴起，伴随而来的是分布式协同并行计算、网格计算、云计 算和互联网技术的飞速发展，反映了大数据时代到来的脉络。
2.“互联网+”与大数据
构建时空大数据理论体系面临的挑战与机遇时空大数据理论技术与产业构建时空大数据技术体系高精度gnss的全球化和时间系统的精准化技术地理时空信息智能感知时空大数据获取技术地理时空大数据分布式存储与管理技术地理时空大数据并行智能处理技术地理时空大数据挖掘与知识发现技术地理时空大数据快速可视化技术地理时空信息智能服务技术地理信息获取传感网处理生产应用服务的一体化技术采用政产学研用相结合癿协同创新模式和基亍开源社区癿开放创新模式围绕旪空大数据存储管理旪空大数据智能综合不多尺度旪空数据库自劢生成及增量级联更新旪空大数据清洗数据分析不挖掘旪空大数据可规化自然语言理解深度学习不深度增强学人类自然智能不人工智能深度融合信息安全等领域迚行创新性研究形成旪空大数据技术体系

目录
1 静态GIS与时态GIS
2 时空数据库的基本概念
3 时空数据库的特点
4 时空数据库模型
5 时空数据库模型设计
第1页/共15页
静态GIS： 现有的GIS大多不具备
有处理数据的时间动态性， 只是描述时间的瞬时状态。 数据发生变化时，新数据将 代替旧数据，即成了另一个 瞬时状态，旧数据将会消失， 无法对数据的更新变化进行 分析，更不能预测未来的趋 势。
性和时态属性是密切相关的，如资源管理、环境监测等系统。缺少时空过程模型集成表达机制是当前GIS发
展的一个主要缺点。
第1Байду номын сангаас页/共15页
时空数据库模型设计
2.无法表达地学现象的连续变化，如风暴、 降雨。
现有模型一般对离散变化处理的比较好，有的模 型采用微小时间间隔的方法来模拟连续的变化。另外计 算机系统本身也是用离散的方式来表达数据的。
• 4.加强时空数据索引、时空数据插值、以及时空数据可视化等理论 与技术的研究，更有助于揭示地学现象的物理变化过程及其演变规 律。
第14页/共15页
感谢您的观看！
第15页/共15页
第7页/共15页
基态修正模型
基态修正模型按事先设定的时间间隔采样， 只存贮某个时间的数据状态（基态）和相对于 基态的变化量。每个对象只存贮一次，每变化 一次，只有很小的数据量需要记录。但是基维 修正模型较难处理给定时刻的时空对象间的空 间关系，管理索引变化很困难。
第8页/共15页
时空数据库模型设计
3.在地学对象认识和表达过程中存在着概念 差异。
领域专家、数据收集者和GIS技术人员对对象抽象 方式、模型定义、数据结构和组织方式上存在着争议。
第12页/共15页

• 用上述部分表格表示空间目标的拓扑关系
• 面-弧段、弧段-节点 • 弧段-节点、弧段-面
弧段 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8
弧段-结点-面块的拓扑关系
起结点 N6 N1 N2 N3 N4 N4 N5 N4
终结点 N1 N2 N3 N4 N1 N6 N6 N5
左多边形 M M M M P2 P3 M M
空间元数据
空间数据模型
• 几何数据
• 根据空间实体的几何特征，空间对象可分为点对象、线对象、面对象和 体对象。
• 点定义为因太小不能描述为线状或面状的地理特征要素的离散位置。 • 线定义为因太细不能描述为面状的地理特征要素的形状和位置 • 多边形定义为封闭的区域面，多边图形用于描述均匀特征的位置和形状
空间数据模型
• 链式编码
5
6
4
3
2
起始点
7
3
2
0
2
62
0
13Biblioteka 7363
2
6
2
1
4
3
链式编码示意图
空间数据模型
起始点
➢ 适用范围： 制图及一般查询，不适合复杂的空间分析
空间数据模型
3.4.2.2 拓扑数据结构
•不仅表达几何位置和属性，还表示空间关系 •表达对象的邻接、关联、包含等关系 •表达方式
• 全显式表达：对结点、弧段、面块相互之间的所有关联关系都进行显式 存储
• 半隐含式表达
空间数据模型
（1）拓扑结构：全显式表达
在对现实世界的观察过程中，除了会对事物进行选择， 还会进行抽象和综合，通过抽象便于事物在GIS中进行建模、 分析和应用，实现现实世界在GIS中的表达。

空间要素
包括点、线、面等表示地理空间位置和形状的要素。
时间要素
表示地理现象在时间上的变化和演化。
属性要素
描述地理现象的特征和属性。
时空数据模型的分类
栅格模型
将地理空间划分为规则的像元，适用于地形分析和 遥感影像处理。
矢量模型
以点、线、面等基本要素表示地理现象，适用于地 理对象的精确描述和分析。
栅格模型
栅格模型将地理空间分为规则的像元格子，每个像元格子代表地理现象的属性值。它具有简单高效的数据结构， 但可能导致数据冗余和精度损失。
矢量模型
矢量模型使用点、线、面等基本要素来表示地理现象。它具有精确的几何描 述能力，但处理复杂拓扑关系和区域边界等问题较为困难。
时空数据的获取与处理
1
时空数据的处理方法
《时空数据模型简介》
这是一份关于时空数据模型的简介课件。我们将介绍时空数据模型的概念、 基本要素、分类以及获取与处理方法，以及未来的发展和应用前景。
什么是时空数据模型？
时空数据模型是描述地理空间上带有时间属性的数据的一种数据模型。它广 泛应用于地理信息系统、气象学、城市规划和交通管理等领域。
时空数据模型的基本要素
2
包括数据预处理、空间分析、时间序列 分析等方法。
时空数据的获取方式
包括遥感技术、GPS定位、传感器数据等。
ห้องสมุดไป่ตู้
结语
时空数据模型的未来发展
随着技术的进步和应用的广泛，时空数据模型 将继续得到完善和发展。
时空数据模型的应用前景
在城市规划、环境资源管理、灾害防控等领域， 时空数据模型将发挥越来越重要的作用。

（4）加强时空数据索引、时空数据插值、以及时空数据 可视化等理论与技术的研究。时空数据模型的研究离 不开海量时空数据的处理，而如何快速、高效、准确 的检索这些数据就尤为重要。合理、精确的时空数据 插值方法可以恢复丢失的历史数据，解决时态GIS研究 中的数据源问题。可视化除了能实现传统GIS中队某时 刻空间实体的分布和形状进行表达外，还可以对其演 化过程进行动态模拟，更有助于揭示地学现象的物理 变化过程及其演变规律。
14
（3）在地学对象认识和表达过程中，领域专家、 数据收集者和GIS技术人员存在着重要的概念差异， 导致在对象抽象方式、模型定义、数据结构和组织 方式上存在着争议。经验表明，仅仅依靠简单的时 间或空间的扩展方式是无法灵活、高效地表达时空 现象及其关系的，也不能满足时态GIS的需求。
（4）时空数据模型通用性低。目前的时态GIS主 要有一下3种实现方式：基于商业GIS系统的时态扩 展，用于科学研究的原型系统，针对特殊应用的时 空查询工具。然而这些系统大多是针对特定的应用 而设计的，只能使用特定的数据结构，通用性非常 弱。
8
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（基态）和相对于基态的变化量。只有在事件发 生或对象发生变化时才将变化的数据存入系统中， 时态分辨率刻度值与事件或对象发生变化的时刻完 全对应。基态修正模型对每个对象只存储一次，每 变化一次，仅有很少量的数据需要记录。基态修正 模型也称为更新模型，有矢量更新模型和栅格更新 模型。其缺点是较难处理给定时刻时空对象间的空 间关系，且对很远的过去状态进行检索时，几乎对 整个历史状况进行阅读操作，效率很低。
18
5
时空数据模型的类型
随着近年来以空间数据库为基础的GIS研 究和应用的不断深入，随时间而变化的信息 越来越受到人们的关注，因而提出了时态 GIS（简称TGIS）的概念。时态GIS的组织核 心是时空数据库，时空数据模型则是时空数 据库的基础。但是由于空间、属性、时间三 者之间的关系和结构组织非常复杂，理想的 时空数据库和时态GIS系统目前还没有出现。 目前研究比较有影响的时空数据模型有以下 几种：

从系统的角度来看，空间事物或实体的运动状态 （在特定时空中的性状和态势）和运动方式（运动 状态随时空变化而改变的式样和规律）不断发生变 化，系统的诸多组成要素（实体）之间又存在着相 互作用、相互制约的依存关系，表现为人口、物质、 能量、信息、价值的流动和作用，反映出不同的空 间现象和问题。
2
1．1概念
7
2．场模型
对于模拟具有一定空间内连续分布特点的现象来说， 基于场的观点是合适的。例如，空气中污染物的集 中程度、地表的温度、土壤的湿度水平以及空气与 水的流动速度和方向。根据应用的不同，场可以表 现为二维或三维。一个二维场就是在二维空间中任 何已知的地点上，都有一个表现这一现象的值。
8
场模型可以表示为如下的数学公式： z:s =z(s) 上式中，z为可度量的函数，s表示空间中的位置，因
值域维数
自变量
因变量
1
空间坐标（高程）
高度z处的气温
3空间坐标
地表高程
1
空间坐标
土壤的孔隙度
3
空 间 坐 标 （ λ , φ 经 纬 度 ，风速（三维矢量）
z高度）
3
9
空间坐标
压力张量
4
1
p压力面，t时间
潜温
3
∞
p压力面
时间序列的潜温
5
1
x,y,z,t时空坐标，λ波长 波长λ的电磁波在x,y,z,t处
11
2．1．2连续的、可微的、离散 的
如果空间域函数连续的话， 空间域也就是连续的，即 随着空间位置的微小变化， 其属性值也将发生微小变 化，不会出现像数字高程 模型中的悬崖那样的突变 值。只有在空间结构和属 性域中恰当地定义了“微 小变化”，“连续”的意 义才确切；