李 峥

(福建省林业调查规划院，福建福州，350003)

福建海岸线曲折度高，滩涂和湿地多，独特的地理环境吸引了大量的野生水鸟在此栖息和繁殖。福建省林业部门承担了福建省的水鸟监测工作，每年都进行野生鸟类常规和不定时的监测和调查，数据日积月累越来越大。由于水鸟具有移动性，而且调查和监测数据具有明显的区域和季节特性，随着时间的变化而发生变化，因此传统的静态GIS数据库应用起来具有一定的局限性。为了更好地管理和应用监测数据，本文引入时态GIS概念，建立福建省沿海水鸟时态数据库，对已有的水鸟监测数据进行分析，突出时间和空间特性及关系，便于水鸟种类和数量监测工作。水鸟监测数据为空间矢量数据，每个要素代表了水鸟种类，属性中记录了水鸟种的唯一编码、中文名、学名、季节型、分布地点、观测时间、数量等信息。

1 时态数据的组织方法

1.1 动态数据模型

动态数据模型是基于对象的时空数据模型，以水鸟为管理空间对象。空间对象包括空间位置(水鸟出现位置)、非空间属性(水鸟相关属性)和时间属性(开始、事件、结束)。在监测到的水鸟属性中增加时间属性变为动态时空对象，每个对象中包括水鸟的时态信息、空间信息、属性信息以及其他与其相关的行为和关系。

1.2 时间属性存储方式

时间具有连续性、可测量、不可逆和单项性[1]。出于监测、分析和研究的需要，在事务中记录实际时间，时间参考系选用日历时间，时间类型采用绝对时间。按照水鸟的季节型特征，水鸟分为冬鸟、夏鸟、留鸟、旅鸟、迷鸟等。在水鸟矢量数据中相应增加时间字段记录水鸟在福建的时间间隔，时间的存储类型为日期型。

1.3 时空变化集成表达

时空变化实质是一系列沿时间轴的时空对象的变化过程，包括量变和质变，因此，时空变化包括沿时间轴的时空变化、拓扑变化和属性变化。根据变化持续时间和频率的不同，时空变化可分为离散和连续变化，在目前GIS软件中难以同时描述和表达，所以，采用基于事件发生时刻和基于状态存在时段的方式标记时间，以解决描述离散和连续变化的问题。比如在福建沿海区域范围内，旅鸟、迷鸟、冬鸟、夏鸟采用状态和事件来共同描述其离散变化。监测到水鸟属于突发事件，用事件来表达；没有监测到属于静止状体，用状态来记录。留鸟在福建区域稳定存在，时间属性采用状态存在时段的方式标记时间，但考虑到实际观测和计算机存储数据的方式，其空间位置和数量采用基于事件的方式来描述连续变化，只是记录观测地理位置以及观测结果。

2 时态数据库的设计

2.1 数据内聚性强度分析

在水鸟监测的空间数据上构建的时态数据库，以时间轴为序直接定位还原空间对象。时态数据库设计时，水鸟作为空间对象，不仅要考虑其空间和属性的内聚性强度，还要充分考虑时态与空间和属性的内聚性强度，便于数据的组织、存储、管理和应用分析。时态内聚性强度主要是指历史监测数据与现状监测数据之间结合的紧密程度[2]。水鸟的历史与现状数据内聚性程度强，为了方便数据的时空查询和分析，存储在一起。空间与属性内聚性强度主要是指空间位置与属性信息(指水鸟基本信息)的结合紧密程度，而水鸟的空间与属性紧密程度弱，所以采取分离存储。

2.2 时空数据分类

按照水鸟监测数据对时间的敏感程度分为静态数据和动态数据。静态数据数指与时间变化无关的数据，比如鸟类的中文名、学名等基本信息。动态数据指与时间变化有关的数据，分为属性动态数据(如水鸟数量)和空间动态数据(如空间位置)。

2.3 时空对象变化类型

水鸟作为时空对象，随着时间不断变化，其变化类型主要是水鸟的动态数据信息发生相应的变化，但水鸟的静态数据是不随时间变化的。主要时空变化类型有3种：

(1)空间对象的创建：随着时间变化，该区域新出现了一种水鸟，新增一个水鸟空间对象(如迷鸟、候鸟等)。

(2)空间对象的终止：随时间变化，水鸟空间对象(冬鸟、夏鸟、旅鸟)在区域内迁移消失。

(3)空间对象的属性变更：随时间变化，区域内水鸟空间对象的动态数据属性发生变化(如水鸟种类和数量)。

2.4 时态数据库设计

充分考虑水鸟监测数据的内聚性强度分析结果，采取合理的数据库存储和组织。通过对水鸟数据的内聚性强度分析，把水鸟的动态数据存储在一个数据集中，把水鸟的静态数据存储在不同的数据集中。遵循面向对象的思想，将水鸟监测信息作为对象进行整理，动态数据包含了创建、消亡时间和事务时间；静态数据与时态无关，不必创建时间字段。水鸟对象的创建自动产生对象标识码，其空间数据存储唯一的对象标识码，在事务时间内保持不变，随着对象的消亡而消亡；其属性数据存储相应的对象标识码，作为与空间数据关联的主键，同时还存储水鸟的静态属性数据的标识码，以此为主键与静态属性数据关联(图1)。

图1 水鸟数据对象

2.4.1 水鸟空间信息表

水鸟空间信息表中存储空间要素的对象标识码(随着对象的创建而自动生成)、空间形状坐标位置数据、有效时间(空间形状的生命周期)和事务时间(空间形状处理时间)。其他空间描述的属性信息与空间存在强内聚性，存储在同一数据集中。空间要素的对象标识码字段作为主键，与属性信息表中的空间形状标识码为主外键关系。

2.4.2 水鸟属性信息表

水鸟属性信息表中主要存储了属性记录标识码、属性记录对应的空间形状标识码、属性记录对应的静态属性数据标识码，其他属性信息与空间内聚性程度弱，与空间数据分开存储。

2.4.3 水鸟静态属性信息表

水鸟静态属性信息表存储静态属性数据标识码，用与属性信息关联。其他属性字段主要存储水鸟的一些基本信息(如名称、种等)，与时态无关，进行单独存储。

3 时态数据的应用

利用ArcGIS软件平台，访问水鸟时态GIS数据库，实现水鸟时态数据的查询分析和可视化表达。

3.1 查询分析

时态数据查询分析突出时间与空间、属性之间的联合查询。时态数据的应用主要体现在时态性方面，比如，解决“某时、某地的水鸟情况”等问题，这就用到时态查询。

(1)时态属性信息查询：查询在某年某月某日，有哪些水鸟种类。利用水鸟属性信息表中的有效时间，查询符合时间点的水鸟种类。

(2)时空聚集查询：查询某年某月某日，福建福清湾有水鸟种类数量。利用水鸟空间信息表的空间位置信息和属性信息表中的有效时间，查询符合条件的水鸟种类数量。

(3)时空变化查询：查询某年中某月至某月，福建福清湾水鸟的种类变化。

3.2 可视化表达

(1)时间属性设置

ArcGIS软件中，添加水鸟时态数据，在图层属性进行时间属性设置(图2)。“在此图中启用时间”为必选项，才能随时间推移对其进行显示。时间属性页中的参数根据具体业务需求进行相应的设置。

图2 时间属性设置

(2)时间滑块工具

时态数据设置时间属性后，利用ArcGIS的时间滑块工具，设置可视化显示的时间范围、时间显示格式，根据时间偏移量在时间维上进行可视化显示，如图3所示。点击播放，根据图层数据的时间属性和空间属性，随着时间变化，分别显示冬鸟、夏鸟、留鸟、旅鸟、迷鸟在空间区域内的出现、停留和迁移等情况。

图3 时间滑块工具

4 结语

相比于传统的GIS数据库，时态数据库的构建，不仅可以实现空间与属性的查询分析和管理，还可以实现时空查询和分析，扩展了水鸟监测数据的应用范围，具备历史与现状的连续性。时态数据库的构建实现了水鸟监测历史数据和现状数据的一体化存储，实现水鸟监测信息的时空分析应用，对福建水鸟监测和水鸟疫源疫病预报预测工作具有重要意义。

[1] 张山山.地理信息系统时空数据建模研究及应用 [D]. 西南交通大学,2001.

[2] 王华敏,陈继祥,于雷易.基于基态修正模型的地籍时空数据库设计与实现 [J].测绘信息与工程,2003(3):9-11.