Integrace faktoru času v GIS - Think Together 2016

Česká zemědělská univerzita v Praze
Provozně ekonomická fakulta
Doktorská vědecká konference
6. února 2012
T
T
THINK TOGETHER
Think Together 2012
Integrace faktoru času v GIS
Time factor integration in GIS
Jakub Konopásek
282
Abstrakt
Úvod
Tento článek se zabývá přístupy k datovému modelování pro
časoprostorová data používaná dynamickými geografickými
systémy. Konkrétně analyzuje metody integrace faktoru času a
klasických prostorových modelů, které jsou využívány běžnými
geografickými informačními systémy. V závěru článku jsou
nastíněny dva různé přístupy k časově-prostorovým datovým
modelům s odkazy na publikované vědecké články, které se
těmito modely zabývají.
Kvalitní zpracovávání informací a poznatků má ve světě
stále větší hodnotu. Mluví se proto o takzvané „znalostní
společnosti“ (Kelemen 2007). Zpracovat informace, které se
vztahují k určitému místu a získat z nich užitečné znalosti
je úkolem právě geografických informačních systémů.
Geografické informační systémy mají za sebou v informatice
již dlouhou historii. Umožňují zpravidla jejich uživateli třídit,
zobrazovat, zpracovávat a analyzovat data a jejich vztahy v 2d
a 3d prostoru. Geografické informační systémy také často
spolupracují, nebo jsou kombinovány se systémy pro podporu
rozhodování. Jako nejběžnější příklad se dá uvést navigační
systém do auta. Poslední dobou se využívá čím dál tím více
spojení klasických geografických dat s umístěním v čase. Jedná
se například o systémy z oblasti životního prostředí, státní
zprávy a logistiky. Mezi konkrétní příklady patří například
sledování změn reliéfu mořského pobřeží, předvídání záplav
a jiných přírodních katastrof pomocí geografických dat
z různých časových úseků. Jako příklad z ekonomické sféry
můžeme uvést například identifikaci oblastí s potencionálními
zákazníky pomocí regionálních statistik a následná relokace
obchodů firmy do míst s těmito zákazníky (Khatri, Ram,
Snodgrass 2004).
Na začátku tohoto článku se čtenář krátce seznámí s popisem
základního konceptuálního časoprostorového datového
modelu. Ten obecně popisuje složky, které se v dynamickém
geografickém systému nacházejí, resp. se kterými každý
gis pracuje, a které je třeba uchovávat v databázi. Dále jsou
popsány základní metody integrace času do geografických
informačních systémů, resp. základní metody, jak se uchovávají
časoprostorová data. Problematika je popsána nejprve obecně
a následně jsou v kapitolách „Geo-Atom“ a „Časoprostorový
Klíčová slova
Geografické informační systémy, časoprostorová data, čas jako
atribut, prostorové databáze, datové modelování
Abstract
In this paper you can read about different approaches to
spatio-temporal data modelling used for implementation of
geographical information systems. This paper also describes
and compares two different approaches from other papers.
Key Words
Geographical information systems, Spatio-temporal data, time
as attribute, spatial database, data modeling
Think Together 2012
Dostupné z: http://www.thinktogether.cz/
model založený na událostech“ zmíněny dva různé konkrétní
přístupy uchovávání časoprostorových dat.
Konceptuální časoprostorový datový model
Pro lepší pochopení přístupu k realizaci faktoru času v
geografických informačních systémech je v tomto odstavci
krátce popsáno, jaké datové prvky vlastně běžný geografický
systém uchovává. Data používaná geografickým informačním
systémem se zpravidla dají rozdělit na: prostorové informace
(lokace a tvar geografických objektů), časové informace
(změny v čase), atributy (vlastnosti, kvalita a charakteristiky
geografických objektů) a topologické vztahy mezi jednotlivými
objekty. Tyto datové prvky se dají popsat pomocí teorie množin
následovně. Množina atributů „A“ – obsahuje vlastnosti
geografických objektů. Množina „ST“ je množina dvou nebo
tří-dimenzionálních prostorových prvků určující místo a tvar
geografických objektů s a vztahy mezi nimi a vždy pro daný
čas „t“. Každý prvek množiny ST obsahuje k němu příslušnou
skupinu atributů z množiny atributů A z času t. Viz rovnice č.1
(Wenzhong Shi a kol. 2009).
ST = { si(t): f(si(t)) ϵ A, 0<i<∞, -∞<t<∞ }
(1)
Přístupy k realizaci faktoru času v GISech
V současnosti se používají dvě metody integrace času do
geografických informačních systémů. První z nich považuje
čas pouze za atribut prostorového objektu umístěného
v geografickém informačním systému. Druhá pak za další
plnohodnotný rozměr prostorového objektu.
Přístup, kde se čas považuje za atribut objektu v GISU, je
založen na zaběhlém relačním datovém modelu. Je ho díky
ISBN: 978-80-213-2275-2
tomu v praxi mnohem jednoduší implementovat a je díky
tomu velmi často používán. Integrace času jako atributu se dá
rozdělit do tří verzí. Každá z nich se hodí více pro jiný případ
použití.
• na úrovni relace – každá změna entity vytvoří novou
instanci celé relace – značná nevýhoda s redundancí dat;
při každé malé změně se vytváří celý nový objekt;
• na úrovni řádku (n-tice) – každý řádek má své označení
času a při změně se vytvoří nový řádek pro příslušný čas
• na úrovni sloupce (atributu) – každý atribut v řádku má
své vlastní označení času – nejmenší úroveň redundance,
nicméně největší množství a složitost dotazů při práci s
databází (Swiaczny, Ott 2001)
Tento přístup má základní nedostatky v tom, že podléhá
nedostatkům relačního modelování a často vytváří přílišnou
redundanci dat. Informace o tom, jak vypadá modelovaný
prostor v daném časovém okamžiku, jsou rozděleny pod
jednotlivé objekty, místo aby tvořily základ struktury vlastního
modelu. Díky tomu lze také těžko ze systému dostat časovou
posloupnost změn pro skupinu více objektů. A přináší to
většinou také velmi složitý a neefektivní proces dotazování na
jednotlivá historická data.
Druhý přístup k integraci času je považovat čas za další
plnohodnotný rozměr. Zde je však překážka v podobě složitosti
konstrukce algoritmu pro práci s vícedimenzionálním objektem
a s návazností na již existující geografické informační systémy
a systémy pro řízení a správu dat. Tento způsob je stále ve
fázi akademického výzkumu (Fan a kol. 2010). Na rozdíl od
prvního přístupu je při oddělení času od ostatních atributů
získat snadno seznam změn v určitém období a celkově tento
přístup teoreticky umožňuje efektivnější dotazování.
284
V dalších dvou kapitolách jsou krátce shrnuty vlastnosti dvou
návrhů datových modelů pro dynamický geografický systém.
informačního systému založeného právě na geo-atomu (Pultar
a kol. 2007).
GEO-ATOM
Časoprostorový model založený na událostech
Jedna z možností integrace času jako atributu na bázi n-tice (tj.
geomodel používá první přístup popsaný v předchozí kapitole
- varianta integrace času na úrovni řádků tabulky) je použití
teoretické reprezentace časoprostorových dat zvané geo-atom
(Pultar a kol. 2007, podle Goodchild 1992). Geo-atom popisuje
základní časoprostorová data dynamického geografického
informačního systému jako n-tici prvků obsahující vektor x s
časoprostorovými koordináty <x, y, z, t>, množinu atributů
nebo vlastností Z a množinu hodnot těchto atributů/vlastností
z(x) - v čase a prostoru definovaném vektorem x - viz rovnice
č. 2.
Časoprostorový model založený na událostech (Event-oriented
Spatio-temporal Data Model) je model, který považuje čas za
plnohodnotný rozměr objektů v geografickém informačním
systému (jedná se tedy o druhý přístup obecně popsaný v
kapitole výše). Y.T. Fan a kolektiv (2010) ve svém článku
rozebírají výhody tohoto modelu oproti datovému modelu
navrženému pro stejný geografický informační systém, kde
je však čas vyjádřen pomocí atributu v tabulce událostí. Jak
vyplývá z názvu modelu, model je založen na postupném
zaznamenávání změn každé prostorové entity.
V praxi se pro to používá tabulka událostí, kde se uchovávají
vlastní změny. Ta je napojená na tabulku vztahů, kde se pro
snazší práci s daty uchovávají topologické vztahy mezi objekty
(tj. informace o tom když se objekt se skládá z jakých částí).
Tato tabulka je napojena na tabulku vlastních objektů, ve
které jsou uchovány základní prostorové údaje objektu a jeho
atributy (nebo napojení na tabulku atributů).
Pro integrace prvku času se v praxi podle modelu jako je tento,
kde je časový faktor brán jako další dimenze popisovaného
objektu, používá zvláštní tabulka. Její řádky obsahují časy
kdy docházelo ke změnám. V běžném modelu, který s
prvkem času nakládá jako s atributem, by byla časová složka
uchovávána v tabulce spolu s dalšími atributy objektu. Díky
uchovávání faktoru času odděleně od vlastních atributů
objektů, lze na rozdíl od běžného přístupu, poměrně
jednoduchým dotazem snadno vyzískat časovou posloupnost
změn libovolné skupiny objektů v libovolném časovém úseku.
<x,Z,z(x)>
(2)
Každý objekt v geografickém informačním systémů může
obsahovat libovolné množství geo-atomů, přičemž každý
z nich obsahuje informace o stav objektu v daném okamžiku.
(Pultar a kol. 2007). V praxi to pak vypadá tak, že daný
objekt (resp. implementačně řádek v tabulce) v GISu má
k sobě přiřazen 0:n řádků z tabulky, kde jsou uchovány
časoprostorové koordináty. Každý z těchto řádků uchovává
geografickou informaci, časový faktor - který určuje jak jdou
změny po sobě - resp. určují postup jak se objekt měnil v
čase. Každý tento řádek je pak napojen na záznamy v tabulku
atributů, kde jsou uchovány vlastnosti každého objektu pro
každý čas (vazba m:n).
Pultar a kol. ve svém článku dále rozvádějí a optimalizují datový
model a metodu implementace dynamického geografického
ISBN: 978-80-213-2275-2
285
Y.T. Fan také dokládá značný nárůst efektivity při dotazech na
takovýto model (Fan a kol. 2010).
Závěr
Datové modely integrující faktoru času jako další dimenzi
objektu, jsou zatím ve stadiu výzkumu a jsou většinou
implementačně náročnější oproti dnes zaběhlým a běžně
používaným datovým modelům, které implementují čas jako
atribut objektu na úrovni n-tice. Jak však ukazuje i model
navržený a popsaný v článku Y.T. Fana a kol. (2010) mají řadu
výhod a jsou méně náročnější na provoz a také vlastní správu
dat. Takovéto metody integrace, zvláště s rozvojem objektových
databází, do budoucna zajímavou alternativou dnes běžně
používaných postupů integrace času do geografických
informačních systémů.
Peuquet, D.J., Duan, N. (1995): An event-based spatio-temporal
data model (ESTDM) for temporal analysis of geographical
information system. International Journal of Geographical
Information System, 9 1, 7–24.
Pultar, E., Cova, T.J., Yuan, M., Goodchild, M.F, (2008): EDGIS:
a dynamic GIS based on space time points. International
Journal of Geographical Information Science, Vol. 24, No. 3,
329–346
Shi, W., Kwana, K., Sheaa, G., Caob, J (2009): A dynamic data
model for mobile GIS. Computers & Geosciences, Vol. 35, Issue
11, 2210-2221.
Literatura
Fan, Y.T., Yang, J.Y., Zhu, D.H., Wei, K.L. (2010): A time-based
integration method of spatio-temporal data at spatial database
level. Mathematical and Computer Modeling, Vol. 51, Issues
11-12, 1286-1292.
KELEMEN, Jozef. a kol. (2007): Pozvanie do znalostnej
společnosti. Bratislava: IURA EDITION; ISBN 978-80-8078149-1.
Khatri, V., Ram, S., Snodgrass, R.T. (2004): On augmenting
database design-support environments to capture the geospatio-temporal data sémantice. Information Systems, 31(2):
98-133.
OTT, Thomas, SWIACZNY Frank. (2001): Time-Integrative
Geographic Information Systems. Springer; ISBN 978-3-54041016-4.
ISBN: 978-80-213-2275-2
286