面向交通的时态GIS研究与实现

面向交通的时态GIS研究与实现

胡继华，程智锋，詹承志，谢海莹，唐巍

（中山大学工学院智能交通研究中心，广东省智能交通重点实验室，广东广州510006）摘要：交通是GIS的起源地之一，但传统GIS一直不能为交通领域提供深度支持。时态GIS的出现有了新的契机。本文通过分析时态GIS的研究现状，指出时态GIS是主动的、多维的、可预测的GIS系统，是融合了时间地理学、时态数据库和GIS等理论和方法的综合型应用技术，确定了时态GIS的学术地位。然后设计了时态GIS的框架和功能结构，开发实现了时态GIS建库、批量空间对象实时动态显示、二三维一体化的时空路径分析等功能，初步实现了面向交通的时态GIS。

关键词：时态GIS; 交通; 时空数据模型; 时间地理学

引言

传统的GIS是由静态的纸质地图研究发展而来，将地图上的各种地理要素划分为点、线、面三种静态要素，记录某一时刻的空间信息，在这一瞬态（snapshot）上进行空间特征分析以及提供地理信息服务。当数据发生变化时，历史数据被新数据覆盖，无法对历史数据进行回溯或者分析，更无法对未来进行预测。世界是动态变化的，各种实体和现象随着时间进程不断诞生、成长、变化和消亡。交通网络中实体的动态性特别明显，个体的出行、城市道路网络交通流随时间的分布变化、被监控车辆的行驶轨迹、道路路网的变化等等。传统GIS缺乏对时间维度的有效描述，难以支持随时间变化的动态空间信息处理。

时态GIS是建立在时间地理学、时态数据库、GIS、人工智能等基础上的一种综合型应用性技术，其研究对象是时空世界中的事物和现象。时态GIS的基本要求是：能够回答时间和空间两方面的问题，能够对历史数据回溯、恢复，通过一定的模型方法对未来趋势进行预测。时态GIS的独特之处是对客观事物的时空间特性进行研究，从时间的角度上对地理信息进行表达、分析。随着信息技术的发展，时态GIS从最初的快照模式逐渐发展为现在的时空多维度动态表达，时空数据组织和利用越来越高效，受到各个应用领域普遍关注。

随着3S技术的发展，交通数据采样频率迅速增大，交通数据量呈现出几何级数式的增长。如何处理和分析动态的、实时的、海量的交通信息，分析交通的时空特性和变化规律，满足人们日益扩大的交通需求，成为学者们研究的热点。引入时态GIS可以满足这一要求，时态GIS是主动的、多维的、可预测的GIS系统，是融合了时间地理学、时态数据库和GIS等理论和方法的综合型应用技术。本文分析了时态GIS特征，设计了时态GIS的框架和功能结构，开发实现了面向交通的时态GIS。

研究现状

时态GIS萌芽于20世纪六七十年代，Berry用一个三维地理矩阵描述地理信息，时间、位置和属性分别为矩阵的维度[1]，瑞典学者Hagerstrand提出了时间地理学的概念[2]。20世纪70~80年代，处于时态GIS的起步阶段，这一阶段的研究主要围绕时态数据库展开。20世纪90年代至今，以Gail Langran的研究作为开端，处于时态GIS的发展阶段。Langran全面总结了时态GIS中的相关概念和方法，将时空对象的建模分为面向过程的建模和面向时间的建模两类，并提出了时空立方体（the space-time cube）、快照序列(Sequent snapshot)、基态修正(Base state with amendments)和时空复合(Space-time composite)等四种时态数据模型[3]。

时间地理学是时态GIS的重要理论基础。柴彦威、李峥嵘等[4]论述了时间地理学的发展历史，在欧美、日本及中国的研究应用现状，总结了时间地理学的发展和研究方法，指出了时间地理学未来的发展方向。林广发等[5]阐述了GIS在时间地理学中数据处理、时空分析、结果表达和深化中的应用。龚建华等[6]依据人地关系理论，强调了GIS要在经济社会中发挥更大作用，需要面向以“人”为主体来发展，并把以“人”作为面向主体和以地作为主体的GIS的特征做了比较。

在时态GIS实现和应用上，萧世伦等[7,8,9]通过时空路径对个体活动在时空中的行为、关系进行了分析，并扩展时间地理学概念到混合的物理-虚拟空间。提出和实现了时态GIS插件，提出了基于时空路径聚合分析的个体行为模式的分析方法，并以调查得到的北京居民出行数据作为实证研究。在时空关系和时空模型研究上，Linhua Li等[10]用基于GIS的贝叶斯方法对城市内交通事故的时空关系模式进行了研究。Fenzhen Su等[11]用STAMM数据挖掘模型确定

环境因素和海洋鱼类分布的时空关系。Raja Sengupta等[12]提出了存储和检索土地利用信息的混合数据模型和结构。R. HUANG和Z.-R. PENG[13]基于面向对象的数据模型，提出了动态运输网络的时空数据模型。TERHI AHOLA等[14]对城市人口分布发展和实现了一种简单的时空数据模型，旨在为芬兰的消防、安全救援服务等提供风险评估、损失分析和决策依据。TijsNeutens等[15]讨论了三维实体的非一致运动，开发了新的三维时空对象，并提供了改善时空棱镜的现实性和适用性的方法。Wonik Choi等[16]采取与传统的建立多树方式不同的方法，通过自适应时空立方体（ST Cube）构建时空海量数据仓库，实现了更少的存储空间和更高的检索效率。赵莹等[17]指出时空路径是时间地理学概念模型框架中的基本概念工具，定义了面向个体的时空行为的时空查询，并基于ArcObject对象模型实现了时间点和时空范围的查询功能。辛晓红等[18]以土地利用和交通发展的时空相互作用为例，建立了发展时态GIS的可操作性时空模型。谢炯[19]在其博士论文中讨论了SMDI?STDM时空数据逻辑组织与存储结构，讨论海量时空数据的组织与存储模型。提出了基于时空分区、时空聚簇和时相子集思想的无缝多维海量时空数据组织与存储方案，给出了海量时空数据管理平台原型GeoST。方志祥，李清泉等[20]以时间地理框架为基础，提出了基于时间地理位置相关时空可达性的表达方法。周素红，邓丽芳等[21]以广州市为案例，结合TGIS和时间地理学基本概念，研究了广州市居民日常活动的时空关系，结果表明居民的日常生活具有时空的强关联性。徐志红等[22]针对历史数据的处理，通过对象唯一标识来记录变化过程，讨论了基于事件语义信息描述的时态GIS模型。石建军等[23]在讨论交通地理信息系统数据模型的研究进展时，认为时态属性在满足GIS-T 向导航视图的发展中起着举足轻重的地位。薛存金等[24]以连续渐变地理实体的表达、组织和存储为研究对象,提出面向过程的时空数据模型。

国内近几年对时态地理信息系统的具体实现有了一定的探究。李小娟等[25]设计与开发了基于变化特征状态的时空数据模型的时态土地利用信息系统，具有时空复合查询、时空推理以及动态播放等功能。赵松龄[26]设计与开发了扎龙湿地时态地理信息系统，具有时态跟踪，基于时间维度的空间检索，复合查询和时态对比等功能。薛存金等建立了面向过程的时空数据模型，并设计了海洋时空过程数据库系统。刘仁义、刘南等[27]用改进的基态修正模型，设计了土地产权产籍时态GIS应用系统。

从国内外的研究现状可以看出，国外热衷于实现和扩展时间地理学的理论和方法，以插件的形式实现个体活动的时空分析功能，未能形成完整的实态GIS实现方案；国内GIS学者在时空数据库、数据模型、可视化方面进行了大量的试验, 但缺乏时间地理学思想指导下的人类行为模拟与可视化。国内外对时态GIS的认识和实现都是冰山一角，本文对国内外的研究进行集成和融合，试图提出和实现完整的时态GIS。

时态GIS及其特点

时态GIS是融合GIS、时态数据库、时空数据模型、时间地理学等理论和方法的一种综合型应用技术。首先，时态GIS具有GIS的全部功能，包括海量数据管理、二三维一体化、空间分析等高级功能；其次，融合时态数据库技术，对空间对象的时空间属性进行全面、统一的管理；最后，实现和扩展时间地理学理论和方法，包括时空路径、时空过程、时空棱锥及其组合的高级分析功能。融合上述理论和技术的时空GIS，将广泛为交通、地籍管理、海洋气象和渔业管理、个体行为分析等多个领域提供深层次的功能和服务（图1）。

图1：时态GIS与其他领域

Fig1: Temporal GIS and related areas

时态GIS强调在时间维度上对空间对象的管理和分析，对海量时空间数据建库和一体化管理，实现时间维度上对任意时间点、时间段上的空间数据快速定位和访问。另外，特别注重空间对象的时间维度显示，模拟和重构群体对象运动过程，对个体运动规律和群体运动模式进行深入挖掘，预测群体和个体的运动方向和时空位置。具体地说，时态GIS应具有如下特征或特点：

（1）主动式的系统

交通网络中存在这大量的交通实体，每个实体都有其时空路径和特性，因此交通网络中的时态数据变化是实时、迅速的。通过GPS采集得到的车辆实时位置通常是秒级别的。当今的地理信息系统面临着如何实时显示不断更新的与地理相关的数据的问题，只有完全地把时空数据模型完全融合到工作流中才能充分地响应新增的数据。针对变化的数据，面向交通的时态GIS应该是一个主动式的系统，能够主动响应变化的数据，包括主动采集和存储实时的交通网络中的数据，并对数据做出实时的处理和反应，例如某个路段出现交通事故，动态的信息应及时传递至系统中心，系统将对该信息做出反应。

（2）多维的系统

物理学上把二维数据、三维数据的定义进行延伸，考虑到时间因素，把时间看作一个连续的、与其他轴正交的坐标轴，就形成了包含时态的四维空间。从空间地理的显示角度来说，时态GIS包括二维和三维的环境，即二三维一体化；从空间和时间的关系角度来说，能够实现空间和时间不同维度的融合，即实现空间三个维度和时间一个维度的真四维环境。与虚拟现实技术相互融合，通过三维场景的再现显示，结合时间维度的历史变化，可以构建出时态GIS 真四维的显示模式。

（3）知识的融合

结合人工智能技术，在海量数据中挖掘时空对象的应用领域特征、背景特征、使用特征和属性特征等，形成关于时空对象的知识，构建用于时空分析的智能地理知识库，显式表达时空问题的求解，使时空过程更加趋向真实的现实环境。如路网中出租车在不同时间的经验行驶路径可作为一种路径选择的知识存储在知识库中，在进行路径选择时可通过知识提取形成更加符合实际情况的最优路径。在大量知识积累的基础上，建立专家系统，模拟和提供时空环境中的决策过程。

（4）预测的系统

从时间维度划分世界包括“过去”、“现在”、“将来”三个部分，根据“过去”和“现在”的数据，利用一定的模型和算法进行对“未来”状态的预测，是时态GIS智能化的重要功能，也是时态GIS长远发展的目标。在实际的交通应用中，智能化预测包括短时或长期的交通流预测、特殊事件引发交通状态的预测、交通政策引发的交通变化预测等。

体系结构

时态GIS具有传统GIS的基本架构和功能，包括空间数据的管理和基本GIS的地图管理、操作等。时态GIS扩充了时间维度，因而需要在体系架构中添加中对时空数据管理、分析和表现的支持。在响应实时变化和应用需求上，采用面向服务架构（SOA）等实现逻辑业务和数据模型的一体化。

软件架构

层次结构能够反映面向交通的时态GIS所需要的软件架构,一共分为数据访问层、业务逻辑层和用户表现层三层。处于最底层的是数据访问层，包括时空数据仓库和时空数据模型。时空数据仓库由空间地理数据库和时态数据仓库两大部分组成，融合了包括移动个体GPS位置等的历史数据，其组织形式表现了时空数据模型；处于中间的是业务逻辑层，包括基本的时态业务逻辑处理和时态数据访问控制；处于最上层的是表现层，用于时空一体化、二三维一体化的表达和与用户的交互。

图2：时态GIS软件架构

Fig2: Software Architecture of Temporal GIS

传统GIS的空间数据库只是对空间状态的记录和管理，时态GIS更加注重的是时空过程的记录和管理。时空数据仓库的构建需要基于一定的时空数据模型，比较经典的模型包括时间序列快照模型、基态修正模型、时空复合模型、时空立方体模型、面向对象模型等。任何的时空数据模型都需要满足现实世界中对象的时空过程的语义描述，方便实现时空过程回溯、查询和分析等功能。通过数据访问层对时态数据仓库的数据进行访问，访问模式包括主流的https://www.sodocs.net/doc/e618781059.html,、空间数据引擎等。逻辑组件层包含了时态GIS中所有业务需求的组件，主要分为GIS 平台提供的普通GIS组件和目标业务需求的组件。实现时态功能的组件包括时空查询组件、时空分析组件、时空数据控制组件、时空显示组件和时空预测组件，同时辅以模块调用接口和其他的组件。由组件层完成主要的功能，由Web服务和业务表现层发布和传递信息，最终由用户界面表现出来，实现时空一体化、二三维一体化和智能交互。

功能设计

时态GIS融合了GIS、时态数据库、时空数据模型、时间地理学等多种理论和方法。时态GIS具有传统GIS的全部功能，同时具有时间地理学中时空路径、时空过程、时空棱锥及其组合的高级分析功能。在时态GIS基本功能的基础上实现交通、地籍管理、海洋气象和渔业管理、个体行为分析等多个领域的具体业务功能，满足各行业应用对时态的需求。

时态GIS最基本的功能是对时空数据建库，有效存储和管理随时间变化的海量数据，并提供高效的时空数据检索方式。在数据基础上完成时空过程、时空路径、时空拓扑和时空显示等具体功能。时空过程主要涵盖历史回溯的功能，包括某时间点和某时间段的查询、时空复合查询、时空对象生命周期查询、时空统计功能。时空路径是时态GIS中重要的分析工具，是时空过程的载体。时空路径的功能包括生成、回放、个体出行行为分析等，在时空路径基

础上形成的时空棱镜有潜在路径范围分析、可用时间范围分析功能。时空拓扑功能包括对时空路径和时空棱镜的笛卡尔运算，交、并、差和叠加等；在笛卡尔运算基础上有相似度分析、聚合分析等功能。最后加载时空预测模型，模拟和预测未来时空状态，为决策提供科学依据。

图3：时态GIS功能设计

Fig3: Function Design of temporal GIS

面向交通的时态GIS为交通的时空特性研究提供了基本的工具。在时态GIS提供的基础功能上，可以完成交通可达性、交通可靠性、交通时空分布、交通监控和交通事件分析有关时空特征的分析。由时空路径和时空棱镜给出的时空范围限制可以分析在特定时空中某种交通方式（如公交、地铁、轻轨）到兴趣点的可达性。交通可靠性主要指的是时间维度上的到达准确度，由时空路径的相关特性可以完成指标计算、模型验证。目前的GIS已经实现交通的空间分布，但缺乏对时空一体分布的支持，通过交通时空分布分析城市交通网络时空分布特点、成因，提供相应的解决方案。交通中的时态特征尤其明显，例如早晚高峰车流呈季节的周期性，由时态GIS完成交通监控中的时态变化监测。交通系统中的各个对象相互影响，时序上有先后，例如一条道路拥堵会引起周边道路的继发性拥堵，通过时序上的特征可以对拥堵的继起性进行研究。在时态数据库中建立的知识库和专家系统能够提供基于知识的出行规划。

实现

本文在VS2010环境下，基于WPF和ArcObject实现了面向交通的时态GIS的基本功能。在时态GIS建库上，采用"双向链表+层次网格+时空立方体"的模型建立了时空数据仓库，完成了广东省重点监控车辆1亿多条车辆GPS数据的建库工作。在时空数据仓库基础上，基于多层网格索引的大批监控车辆显示模型，实现了批量空间对象的实时动态显示(图4-A)，在大数据量查询和显示上达到秒级别的响应速度。基于SketchUp和ArcGIS的三维GIS开发技术，快速实现三维建模，构建三维场景(图4-C)，实现二三维一体化。通过车辆GPS数据建立车辆时空路径，并完成车辆时空路径二三维的回放和分析功能(图4-B,4-D)，初步实现了面向交通的时态GIS。

图4：面向交通的时态GIS实现

Fig4: Implementation of Temporal GIS for Transportation

结论

时态GIS的出现为交通领域提供深度支持提供了契机，通过时态GIS中对时间维度的支持可以满足交通中对时间维度的需求。本文通过分析时态GIS的研究现状，总结了时态GIS的特点，确定了时态GIS的学术地位，设计了时态GIS的框架和功能结构，并初步实现了面向交通的时态GIS。本文主要做了以下的工作：

（1）指出时态GIS是主动的、多维的、可预测的GIS系统，是融合了时间地理学、时态数据库、时空数据模型和GIS等理论和方法的综合型应用技术；

（2）设计了时态GIS的框架和功能结构，开发实现了时态GIS建库、批量空间对象实时动态显示、二三维一体化的时空路径分析等功能，初步实现了面向交通的时态GIS。

未来的工作需要进一步开发、集成时态GIS的时空分析算法，以满足交通对时态的深度需求。

The Research and Implementation of Temporal GIS for

Transportation

HU Ji-hua,CHENG Zhi-feng,ZHAN Cheng-zhi,XIE Hai-ying,TANG Wei （Research Centre of Intelligent Transportation System, School of engineering,Sun Yet-sen University, Guangdong Provincial Key Laboratory of ITS, Guangdong Guangzhou 510006）Abstract：Transportation is one of the origins of GIS, but the traditional GIS has not been able to provide deep support for the Transportation. The emergence of temporal GIS has a new opportunity. By analyzing the status of temporal GIS research, this paper points out that temporal GIS is an active, multi-dimensional, predictable GIS system, integrating time geography, and temporal data -bses and GIS theory and methods, and determine the academic status of temporal GIS. Then designs of temporal GIS framework and functional structure, and develops to achieve a temporal GIS database, real-time dynamic display of large number of spatial objects, two-three dimensional space-time path analysis etc. functions, and initially realized the Temporal GIS for transportation.

Key words:TEMPORAL GIS; TRANSPORTATION; SPATIO-TEMPORAL DATA MODEL; TIME GEOGRAPHY

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ｓｐａｔｉｏ－ｔｅｍｐｏｒａｌ　ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｔｏ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｒｉｓｋ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｄａｍａｇｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｍａｋｉｎｇ［Ｊ］．　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ．Ｖｏｌ．　２１，　Ｎｏ．　８，　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２００７，　９３５–９５３．　

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作者基本信息