时态GIS的重要意义以及研究进展

时态GIS的重要意义以及研究进展 时态GIS导言首先，以《蓝海战略》中的一个真实故事说明基于空间和时间的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 对于人们的生产和生活的重要作用：“以纽约市警察局（NYPD）为例，20世纪90年代它在公共部门执行了一项蓝海战略。比尔?布雷顿在1994年出任纽约市警察局长，他面临的重重困难是很少有人经历过。在90年代初，纽约市的谋杀案发生率居高不下，骗子、黑手党、持枪抢劫充斥各报刊头条。然而在不到两年时间里，没有增加一分钱预算，布雷顿成功地将纽约转变为美国最安全的城市在1994到1996年间，纽约警察局的“利润”跳跃式增长：重大案件减少了39％、谋杀案减少了50％、盗窃案减少了35％；赢得了“客户”：盖洛普民意调查显示民众对纽约警察局的信心由37％上升到73％；也赢得了雇员：内部调查显示警察局的工作满意度达到新高。与传统经验相异的是，克服一项巨大的挑战，不需要时间和资源上进行同比例的投入，而应把精力集中于找出具有非凡影响力的关键因素，让他们发挥杠杆作用，节约资源和时间。布雷顿在纽约运输警署的前任们争辩说，要保障地铁安全，就应该在每一条线路派一名警员乘坐，并在每一个进出口巡逻。然而，布雷顿没有要更多的警员，而是将警力配备到热点地区，使地铁上的犯罪、恐惧和混乱都急剧下降，创下历史上的最低记录。他的分析表明虽然地铁系统由很多线路和进出口组成，但大多数犯罪发生在少数几个站和线路上。他还发现，一些对防治犯罪具有特别影响力的热点却缺少警力，一些几乎从未有犯罪发生的线路和站点却配置了同样多的警员。答案就是要重新配置警力到热点地区以打击犯罪，这样在警力不变时能使犯罪率大幅下降（注：资源的空间优化配置）。同样，在布雷顿来纽约警察局前，其禁毒处是朝九晚五、一周五天执勤，其人手只占整个警察局人数的5％。为了找出热点，在与纽约警察局领导会面时，布雷顿手下负责犯罪战略的副局长杰克?迈普问在座的人，估计有多少比例的犯罪与使用毒品有关？多数回答说有50％，还有的说是70％，最低估计也有30％。如此看来，正如如迈普所指出的，禁毒处占全局不到5％的警员不能不说是人手不足，而禁毒处通常是周一到周五工作，但毒品交易大部分发生在周末，与毒品相关的犯罪也总是发生在周末。为什么原来的工作方法从来没有受到质疑呢？当找到这些事实，热点也被识别出来（注：资源的时间优化配置）。布雷顿在纽约警察局大规模重新配置警力和资源的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 很快被接受。相应地，布雷顿为热点增加了警力和资源，结果毒品犯罪直线下降。”1 时态GIS的概念及意义时间、空间和属性是地理实体和地理现象本身固有的三个基本特征，是反映地理实体的状态和演变过程的重要组成部分。随着时间的推移，地理现象的特征会发生变化，且这种变化可能很大。如何处理数据随时间变化的动态特性，即GIS中的动态信息，是GIS面临的新课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。现有的GIS大多不具有处理数据的时间动态性，只是描述数据的瞬时状态。如果数据发生变化时，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，这类GIS就是我们说的静态GIS。而在很多应用领域（地籍变更、环境监测、抢险救灾、交通管理等）要求GIS能提供完善的时序分析功能，高效地回答与时间相关的各类问题，因此，必须在静态GIS中增加对空间信息的管理和处理功能，这种能在时间和空间两方面全面处理地理信息的系统，即时态GIS。时空GIS采集、存储、管理、分析与显示地理实体随时间变化信息（或时空信息）。它不仅包含传统地理信息系统的空间特性，而且涵盖时间特性；它不仅反映事物和现象的存在状态，而且表达其发展变化过程及规律。时态GIS的操作对象是时空信息，其特点是在系统中增加对时间维的分析表达能力，提供历史分析与趋势分析的功能。时态GIS的关键问题是建立合适的时间和空间联合的数据模型-时间数据模型，更有效地组织、管理和完善时态地理数据、属性、空间和时间语义，以便重建历史状态、跟踪变化、预测未来。时态GIS作为GIS研究和应用的一个新领域，正受到普遍的关注。随着存储技术的飞速进步，大容量时态数据的存储和高效处理有了必要的基础条件，使时态GIS的研究和应用成为可能。2 时态GIS的研究重点以及已有成果空间、事件和属性是构成地理信息的三种基本成分。时态GIS能够跟踪和分析随时间变化的空间、非空间信息的地理信息系统。怎样有效地运用时间信息，以及如何将时间、空间及属性数据有效地结合起来，是时态GIS研究的重点。时态GIS的关键是时空数据模型，时空数据库是包括时间和空间要素在内的数据库系统，其建立依赖于时间的表示方法。1992 年Gail Langran发表博士 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 《地理信息系统中的时间》,标志着GIS时空数据建模的正式开始。时空数据模型的研究是时态GIS发展的关键所在,是实现不同尺度、不同时序空间数据互动与融合的基础。当前主要的时空数据模型包括: （1）空间时间立方体模型( Space - time Cube)Hagerstrand最早于1970年提出了空间- 时间立方体模型,这个3维立方体是由空间两个维度和一个时间维组成的,它描述了2 维空间沿着第三个时间维演变的过程。任何一个空间实体的演变历史都是空间—时间立方体中的一个实体。该模型形象直观地运用了时间维的几何特性,表现了空间实体是一个时空体的概念,对地理变化的描述简单明了、易于接受,该模型具体实现的困难在于3维立方体的表达。（2）序列快照模型 ( Sequent Snap shots)快照模型有矢量快照模型和栅格快照模型。它是将一系列时间片段的快照保存起来, 各个切片分别对应不同时刻的状态图层,以此来反映地理现象的时空演化过程,根据需要对指定时间片段进行播放,有些GIS用该方法来逼近时空特性。这种模型的优点:一是可以直接在当前的地理信息系统软件中实现;二是当前的数据库总是处于有效状态。但是,由于快照将未发生变化的所有特征进行存储,会产生大量的数据冗余,当应用模型变化频繁,且数据量较大时,系统效率急剧下降,较难处理时空对象间的时空关系。（3）基态修正模型 (Base State with Amendments)为避免快照模型将每次未发生变化部分特征重复进行记录,基态修正模型按事先设定的时间间隔进行采样,它只存储某个时间数据状态(基态)和相对于基态的变化量。该模型也有矢量和栅格两种模型。基态修正模型中每个对象只需存储一次,每变化一次,只有很小的数据量需要记录,只将那些发生变化的部分存入系统中。这种模型可以在现有的GIS软件上很好地实现,以地理特征作为基本对象,更新式的操作可以基于单个地理特征而实现。因为要通过叠加来表示状态的变化,这对于矢量数据来讲效率较低,而对栅格数据比较合适。但也没有考虑到由一种状态转变到另一种状态的过程,而实际中可能存在一种“伪变化”,因此有人提出需要设计“过程库”来记录表达变化过程,即基态修正模型的扩展。（4）空间时间组合体模型 ( Space - time Composite)该模型是Chrisman于1983年针对矢量数据提出的,Langran和Chrisman于1988年对它进行了详细描述。模型将空间分隔成具有相同时空过程的最大的公共时空单元,每个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。这种设计保留了沿时间的空间拓扑关系,所有更新的特征都被加入到当前的数据集中,新的特征之间的交互和新的拓扑关系也随之生成。该模型将空间变化和属性变化都映射为空间的变化,是序列快照模型和基态修正模型的折衷模型。其最大的缺点在于多边形碎化和对关系数据库的过分依赖。（5） 面向对象的时空数据模型(Object - oriented)面向对象的时空数据模型是基于上述几种模型提出来的并取得了很好的效果。该模型的核心,是以面向对象的基本思想组织地理时空。其中对象是独立封装的具有惟一标识的概念实体。每个地理时空对象中封装了对象的时态性、空间特性、属性特性和相关的行为操作及与其他对象的关系。时间、空间及属性在每个时空对象中具有同等重要的地位,不同的应用中可根据具体重点关心的方面,分别采用基于时间(基于事件) 、基于对象(基于矢量)或基于位置(基于栅格)的系统构建方式。以上的模型都存在一定的优缺点,规范化的时空数据模型的研究正处在探索阶段。学者们对于其他的模型也在做积极的探索,例如陈军研究的非一范式关系时空模型; Ed Nash的一种时空网络规划模型;徐志红的基于事件的语义时空数据模型等。3 时态GIS具备的功能从功能上讲，时态GIS除了具备静态GIS的所有功能外，还应该提供：（1）档案功能：记载GIS数据随时间的演变，回溯历史是时态GIS最基本的功能要求；（2）分析功能：以原始为基准，考察变化，预测未来，提供辅助决策功能；（3）更新功能：保证GIS数据的现势性，失去了“实时”更新的时态GIS就成立了普通的静态GIS；（4）查询功能：以动态方式，回答用户的关于“何时”，“何地”，“怎样”的询问；（5）其它功能：包括逻辑容错，即保证GIS数据库的逻辑一致性；时态安全，就是时态变迁中的安全保密随时态变化而变化。   4 时态GIS的主要应用领域 由于具有动态地反映地理现象变化的特点，时态GIS可以用于诸多科学和工程领域，有一些学者逐渐将其应用于地籍变迁管理、地貌变动、气候变化及智能交通系统等领域，取得了一定的成果。 以下主要介绍时态GIS在治安、地籍管理、人口历史变迁、河道管理的应用： （1）在治安方面，不同的案件的发生都具备时间特征，例如：毒品交易按多发生在晚上10：00至凌晨1：00，抢劫案多发生在晚上下班高峰期的6：00至8：00。由于目前很多公安部门的警员数量吃紧，为了确保制定有效的治安 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，合理部署警力，公安部门在重点治安区域划定、巡逻路线规划和警力部署时，需要充分考虑各类案件发生的时间特征，在不同的案件的聚集发生时段和热点区域重点部署警力。所有这些措施的实现，都需要事先研究整个地区的长时期的案件发生数量和案件类型，分析每类案件的时间变化趋势和时间分布特征，这就是时态GIS在公安行业的有效应用。《蓝海战略》中的纽约警察局长比尔?布雷顿正是因为充分分析了犯罪现象的时间和空间分布特征，找出热点区域，有效利用有限的警力资源，实现了纽约治安环境的彻底转变。 （2）地籍管理的核心是土地权属，即土地的使用权和所有权。使用权和所有权是有时效性的，会随着时间发生变化。随着时间的推移，宗地的空间形状也会发生变化，因而时间是地籍管理信息系统的一个重要要素和组成部分。目前现有的非时态地籍变更管理信息系统仅能反映土地的利用现状，在宗地发生变更后，系统通过增加新信息或利用新信息替换旧信息来保障土地数据信息的现势性，对于土地的历史数据通常的做法是采用每隔一定的时间对系统所生成的所有数据进行备份，这样存在很大的数据冗余，恢复宗地历史过程复杂，且不能连续查询某一宗地的历史变化过程，无法正确评价某一历史时刻的土地利用状况和预测其发展趋势。一个完善的、能够反映地籍信息随时间动态变化的地籍信息系统必须将时间属性纳入其中，因而就发展成为时态地籍信息系统，它与传统的地籍管理信息系统的区别是，除了存储与宗地有关的空间数据和属性数据外，还需要保留宗地的历史信息。为了充分发挥地籍信息系统为政府各部门以及公众服务的作用，还须实现系统对空间数据的查询，即具备时空查询功能。 （3）在人口信息系统中，由于人口的变迁，每次人口普查以后都需要对人口空间数据库进行更新。不同时期的人口空间数据库反映了是当时的人口分布状况，人口空间数据库的变化反映了时间系列上的人口变迁，对于研究社会现象有非常重要的意义。因此，每次更新人口数据时，都需要保留人口历史数据，通过动画或者历史数据回放的方式展现人口的变迁规律，并且还可以将历史数据与自然资源、社会资源等多要素叠加分析，得到人口变迁的社会原因和自然原因。 （4）河流对于人流、物流和信息流的正常运行，以及沿河地区的经济发展具有重要意义，因此必须保证通航安全，提高通航条件。由于自然和人为的因素，航道水底暗礁、水深等信息均会不断发生变化，为保证航道信息的现势性，保证通航安全，需要定期更新航道数据库。事实上，航道测量数据库的历史数据反映了航道的淤积情况，通过分析历史数据，可以制定有效的疏浚方案，采取措施减缓航道淤积的状况。此外，航道空间数据库中还保存航道周围地区的人文和自然信息，通过记录这些要素的历史数据，可以分析得出航道对周围地区的自然条件的影响和对社会经济的拉动作用。因此，必须在更新航道数据库时保存历史数据，通过设定时间段或者时间点，可以回溯到相应历史时期的航道情况，通过历史数据统计图表、历史数据回放等功能，通过动画或者动画图表的方式反映航道的历史变迁、以及河流给周围地区带来的影响。 5 时态GIS在ArcGIS 9.2中的实现 时态GIS是GIS的一个热门话题，能够展现和分析整个地理过程，可以重演历史，预测未来。时态GIS是将时间属性添加到空间数据库中，因此时间数据存储方式是时态GIS的基础，在此基础上需要实现的功能包括数据归档功能、查询功能、可视化和变化分析、以及实时数据的获取。 ArcGIS 9.2针对时态GIS的数据组织需求以及功能需求，提供的相应的解决方案，包括：时间数据的存储格式NetCDF、时空数据建模、历史数据归档功能、多维数据图表分析、时间动画、追踪分析功能、实时数据获取等功能，此外本次讲座还将介绍在3D环境如何实现时态GIS功能。   参考资料： [1]ArcGIS Desktop Help [2]蓝海战略 . 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