论文从分析空间数据的基本特征入手,指出属性、空间性、时间性是空间数据的三个要素以及三者间的不可分割性,分析了传统GIS在管理时空数据的局限性,提出了发展时态地理信息系统(TGIS)的现实性和必要性,论述了时态地理信息系统的发展历史、应用背景和发展方向。 由于TGIS的核心问题是时空数据模型的建立,所以,论文就当前国内外有关时空数据建模的研究与发展进行了综述,并对已有时空数据模型的特点和存在的问题进行了评述。由于栅格数据是GIS系统中的一种非常重要的数据结构,其数据矩阵结构形式适合描述连续变化的自然现象,因此,论文从景观变化模拟、城市动态演化、火灾蔓延、土地荒漠化扩展等多个应用领域的实际需求出发,提出了建立栅格时空数据模型的意义和必要性。 (1) 基于基态修正的思想,首次提出基于四进制的线性四叉树编码(即MQ码)压缩的GIS栅格数据的时空数据模型RD-STDM,阐述了其概念模型、逻辑模型和物理模型。 (2) 在分析目前栅格数据的常用的几种压缩方法的前提下,确定了在RD—STDM模型中采用基于四进制的线性四叉树编码(即MQ码)的压缩算法,并首次提出和实现了基于关系数据库和堆栈结构的MQ码快速压缩的思想和算法,从而为在RD-STDM模型的基础上进行栅格时空数据的管理奠定必要的基础。 (3) 为了进一步减少栅格时空数据的存储量,本文首次分别提出和研究了基于游程编码压缩的栅格数据的时空差异变化的六种类型和基于MQ码的栅格数据时空差异变化的三种类型,并给出了相应算法的实现思想。从而实现了按RD-STDM模型的思想对栅格时空数据存储管理,为进一步进行时空分析、历史回溯奠定了基础。 (4) 基于集合论的思想,首次提出了基于MQ码的栅格时空数据差异变化累加(叠加)算法的思想,分析了差异变化累加运算过程中出现的四种情况,并针对这四种情况的不同,设计和编程实现了相应的算法。从而为计算某一时刻的快照数据(Snapshot)奠定基础。 (5) 基于RD—STDM模型的思想、MQ码压缩算法、栅格时空数据差异变化算法、时空差异变化累加算法,在关系数据库SQL Server 2000上设计和实现了栅格时空数据库,在此基础上利用Visual C++开发和实现了一个栅格数据时空数据管理原型系统,以盐池县1989—2003年共3期土地利用变化栅格数据为例,对RD—STDM模型的思想和提出的相关算法进行了验证分析,结果表明,RD—STDM模型的思想和相关算法是正确的,达到了预期的设计目标,完全胜任栅格时空数据的存储、管理、分析、输出等任务。 (6) 此外,还讨论了RD—STDM模型与GIS、CA模型集成的一些基本思想。