第七章时间与时空数据库

第七章时间与时空数据库第1页，课件共67页，创作于2023年2月课程纲要教学目的：了解时间、时间结构、事件与状态等概念，掌握时间表示、时间粒度、时间关系与空间实体的时空演化。教学内容：时间概念、时间结构、时间粒度、时间表示、时间运算、事件与状态，时间关系与空间实体的时空演化教学重点：时间粒度、时间表示、时间关系、空间实体的时空演化教学难点：时间关系第2页，课件共67页，创作于2023年2月问题引入基本概念时态关系时空演化时间概念时间结构时间粒度事件状态方向关系距离关系拓扑关系属性演化空间演化需求分析静态缺陷第3页，课件共67页，创作于2023年2月1.问题引入为什么要研究时态数据库？现实世界不仅与空间相关，还与时间相关。许多应用领域（洪水淹没、交通管理等）的数据都是随时间变化的。第4页，课件共67页，创作于2023年2月大多数空间数据库为静态数据库，只是描述数据一个瞬间；数据发生变化时，新数据替换旧数据，系统成为另一个瞬间，旧数据消失，无法回溯历史和预测未来。第5页，课件共67页，创作于2023年2月时间是什么？2.基本概念第6页，课件共67页，创作于2023年2月科学时间观牛顿在其《自然哲学之数学原理》中认为:“绝对、真实的数学时间,就其本身及其本质而言,是永远均匀地流动,不依赖于任何外界事物,时间与事件和过程无关,事件对应绝对事件中的时刻。”爱因斯坦狭义相对论指出:时间是不能脱离宇宙及其事件的观察者而独立存在,是宇宙与其观察者之间的联系的一个方面。处于相对匀速运动的不同观察者对同一事件会测出不同的时间。第7页，课件共67页，创作于2023年2月GIS两种时间观时间是一种度量尺度，将时间、空间和属性平等作为空间对象的三种数据成分。将时间理解为事件序列的表现形式，即时间特征由空间特征和属性特征变化来共同表现。第8页，课件共67页，创作于2023年2月时间是什么样子的？第9页，课件共67页，创作于2023年2月时间结构线性时间结构：认为时间是一条没有端点，向过去和未来无限延伸的轴线。另外一种线性结构模型认为时间是单向指向未来并无限延伸的轴线。循环时间结构：反映了时间的连续性、周期性和稳定性,其来源于自然的交替演变,如日出日落、四季交替、生老病死等循环现象。第10页，课件共67页，创作于2023年2月

分支时间结构：分支结构模型认为时间是由过去向现在和将来的可分支的轴线。该模型更适用于多目标在历史时间和未来时间发生变化的现象。

过去现在将来过去现在→将来过去→现在将来时间结构第11页，课件共67页，创作于2023年2月怎样度量时间？宏观尺度地学尺度微观尺度天文物理学空间科学地学核物理学生物学光年常用长度纳米天文学地址学考古学地学核物理学信号学万年常用单位纳秒第12页，课件共67页，创作于2023年2月时间粒度：相同时间长度的时间段，又称为时间分辨率或时间标度。常用时间粒度：秒、分、小时、日与周。时间粒度越小，离散时间点越多，描述事件变化的信息越精细准确，但太小的粒度会导致系统资源开销增加；反之，描述事件变化的信息越粗糙。第13页，课件共67页，创作于2023年2月怎样表示时间？2014/05/16t1t2时间点（instant）：时间轴上的点（与时间粒度相关）。粒度为“天”,2014年5月16日是时间点；粒度为“秒”，2014年5月16日0时0分0秒。时间区间（period）：给定两个时间点t1和t2（t1≤t2），以t1为始点和以t2为终点的时间区间[t1,t2）一般采用“左闭右开”形式。

时间跨度(interval)：指持续的一段时间，其基本特征是表示该段时间的长度。“30天”、“28小时”等。用一个整数表示。第14页，课件共67页，创作于2023年2月（1）时间点与时间跨度运算设p、p1、p2是时间点类型，len是时间跨度。

时间点和时间跨度加法运算：p+len=len+p，在时间轴上为从时间点p向右平移了len个单位，结果仍然是一个时间点。

时间点和时间跨度减法运算：p-len，表示从时间点p开始向左平移len个时间单位，结果仍然是一个时间点。

时间点和时间点的减法运算：当p1=<p2时，时间点p2减去时间点p1的结果定义为一个时间跨度len，该时间跨度len记为p1–p2，表示p1和p2之间的距离。时间运算(一)第15页，课件共67页，创作于2023年2月（2）时间区间与时间跨度间运算P=[Ps，Pe]、P1=[P1s,P1e],P2=[P2s,P2e]是时间区间，len是时间跨度。①时间区间与时间跨度加法：P+len=len+P=[Ps+len，Pe+len]，在时间轴上表示时间区间P向右平移了len个时间单位。②时间区间与时间跨度减法：P–len=[Ps-len，Pe-len]。P–len在时间轴上表示时间区间P向左平移了len个时间单位。③时间区间与时间区间减法：时间区间P1减去时间区间P2定义为当P2s≦P1e时，P1–P2=P1e–P2s；当P2e≦P1s时，P1–P2=P1s–P2e。P1–P2在时间轴上表示两个时间区间P1和P2之间的距离。时间运算（二）第16页，课件共67页，创作于2023年2月（3）时间跨度间运算对于两个时间跨度可以定义相应的加法、减法和除法运算，运算结果仍然为一个时间跨度。在两个时间跨度相除时需要保证商也是一个整数。由于时间跨度是整数，因此时间跨度和整数也可以进行相应运算。设len为时间跨度，i是一个整数，则可以定义len与i的乘法与除法运算如下：①len×i=i×len，运算结果仍然是一个时间跨度。②len÷i，运算结果仍然是一个时间跨度。（4）常用时间元素聚集函数设p1、p2是时间点，P=[Ps,Pe]是时间区间，相关聚集运算可以定义如下：min(p1,p2)，max(p1,p2)，begin(P)=Ps，end(P)=Pe，length(P)=Pe–Ps时间运算（三）第17页，课件共67页，创作于2023年2月事件与状态一个对象的生命周期可看作是由若干不同状态构成的序列集状态是一个对象相对稳定或一个持续的量变进化过程（时间段表示）。事件反映对象由一个状态变化到另一不同状态的过程（时刻表示）。第18页，课件共67页，创作于2023年2月（1）事件-事件：作为时间点E与时间点F之间的三种方向关系。1）时间方向关系3.时态关系第19页，课件共67页，创作于2023年2月（2）事件—状态：作为时间点E与时间区间X之间存在五种方向关系第20页，课件共67页，创作于2023年2月（3）状态-状态：时间区间X与时间区间Y之间存在十三种方向方向关系（据Allen）第21页，课件共67页，创作于2023年2月状态-状态：时间区间X与时间区间Y之间存在十三种方向方向关系（二）第22页，课件共67页，创作于2023年2月上述13种时间关系中，有6对关系可以互相转换。Before(P1,P2)=After(P2,P1)During(P1,P2)=Contains(P2,P1)Overlap(P1,P2)=Overlap-1(P2,P1)Meets(P1,P2)=Meets-1(P2,P1)Starts(P1,P2)=Starts-1(P2,P1)Finishes(P1,P2)=Finishes-1(P2,P1)Equals(P1,P2)=Equals(P2,P1)第23页，课件共67页，创作于2023年2月主要有：相离（Disjoint）、相遇（Meet）、叠加（Overlap）、覆盖（Cover）、被覆盖（Coveredby）、相等（Equal）、内部（Inside）和包含（Contain）。2）时间拓扑关系（一）第24页，课件共67页，创作于2023年2月时间拓扑关系（二）第25页，课件共67页，创作于2023年2月作业空间拓扑关系+时间拓扑关系=绘制时空关系表。要求：空间维面-面之间八种拓扑关系（相离（Disjoint）、相遇（Meet）、叠加（Overlap）、覆盖（Cover）、被覆盖（Coveredby）、相等（Equal）、内部（Inside）和包含（Contain））时间维状态-状态之间十三种时间拓扑（方向）关系（BEFORE、MEETS、OVERLAPS、STARTS、START-1、DURING、CONTAINS、FINISHES、FINISH-1、OVERLAP-1、MEET-1、AFTER、EQUAL）第26页，课件共67页，创作于2023年2月4.时空演化

GIS不但要能表达实体及其相互关系,而且应该能够表达以时间为主线的时空对象的演替过程。timewhereWhatEventT1变化张三；绿色创建房子T2不变李四；橙色粉刷（更换纹理）T3不变李四；橙色失火T4变化王五；浅绿重建T1T4TnT2T3第27页，课件共67页，创作于2023年2月1）时空演化分类实体的时空变化过程包括属性随时间的变化和空间随时间的变化。根据不同主导变化、变化的频繁程度及应用对变化的重视的程度,可将应用分类：属性及其变化主导的应用空间及其变化主导的应用属性与空间变化同等重要的应用第28页，课件共67页，创作于2023年2月2）属性演化

属性及其变化所主导的变化，通过演替对象版本或新对象的产生，共用相同的空间属性集,其事件语义主要与具体应用领域有关。TiT1T2T3Tn属性突变:如村庄、街道的改名。属性渐变:如某固定地域土壤被盐碱化程度的变化。第29页，课件共67页，创作于2023年2月2）空间演化空间演化相对复杂，对其变化本质的探讨是建立时空数据库的基础，也是建立时空功能框架的前提。Claramunt将空间实体的空间变化总结为三类基本时空过程:单个实体的空间演化涉及土地划拨中多个实体的空间演化实体之间具有函数关系的空间演化第30页，课件共67页，创作于2023年2月（1）单个实体空间演化第31页，课件共67页，创作于2023年2月（2）实体之间具有函数关系的空间演化第32页，课件共67页，创作于2023年2月（3）土地划拨中多个实体间的空间演化（四维地籍的建立与分析，郭仁忠等，2014）第33页，课件共67页，创作于2023年2月相关资料Allen,J.Towardsageneraltheoryofactionandtime.1984G.E.Langran.Timeingeographicinformationsystems，

1990.Claramunt,C,BinJ.Anintegratedrepresentationofspatialandtemporalrelationshipsbetweenevolvingregions.JournalofGeographicSystem,2001魏海平.时空GIS建模研究与实践，2007曹闻.时空数据模型及其应用研究，2011郭仁忠等四维地籍的建立与分析，2014第34页，课件共67页，创作于2023年2月第二部分第35页，课件共67页，创作于2023年2月1.数据的时间维度用户自定义时间（User-definedTime）是用户根据自身需要或理解而定义的时间，这种时间的取值通常为时间点，相应语义由用户应用本身予以解释。数据库系统通常将基于用户定义时间的时间域与其它普通属性域同等看待，相应操作与对普通字符串操作并无本质差别。例如，“生日”可能不是一种标准数据类型，但用户可以根据需要定义一个具有“生日”数据类型的属性，相应元组中对应的该属性的值为“1985-10-21”，那么这就是一种用户自定义时间1)用户自定义时间第36页，课件共67页，创作于2023年2月2)有效时间有效时间（ValidTime）是指一个对象（事件）在现实世界中发生并保持的那段时间，或者该对象在现实世界中为真的时间。有效时间值的含义依赖于具体应用，取值是否有效由具体应用场合而定，即涉及到（时态）数据约束问题；有效时间一般具有过去时间、现在时间和未来时间的基本语义。第37页，课件共67页，创作于2023年2月姓名身份起始有效时间终止有效时间李明助教1993年7月1日1998年5月3日李明讲师1998年5月4日2002年7月2日李明副教授2002年7月3日now……………………姓名身份起始有效时间终止有效时间李明助教1993年7月1日2002年3月4日李明讲师1998年5月4日2002年7月2日李明副教授2002年7月3日now……………………第38页，课件共67页，创作于2023年2月3)事务时间事务时间（TransactionTime）是指对给定数据库对象进行数据操作,例如插入、删除或修改的时间，是一个事实进入并存储于数据库当中的时间。事务时间记录对数据库更新的各种操作历史，对应于现有事务或现有数据库状态变迁的历史。事务时间处理一个事务之后就存储一种数据库状态。任何对数据的更新只能对最后一个状态进行，但可查询任意一个状态。事务时间有如下主要特点：事务时间的值由系统时钟给出，独立于应用，不允许用户对事务时间进行任何修改。事务时间不能晚于当前时间，它反映数据库实际操作的时间，不能表示未来时间。第39页，课件共67页，创作于2023年2月姓名出生年月职务张兰1964年1月讲师张兰1964年1月副教授张兰1964年1月副处长任职时间开始时间结束时间1994.91998.81998.91999.81999.9now自定义时间有效时间事务时间（数据操作）第40页，课件共67页，创作于2023年2月姓名出生年月职称工资有效时间李小山196009讲师1000(199809，now)张又宝196411副教授1700(199803，now)1998－12－18姓名出生年月职称工资有效时间李小山196009讲师10001300(199809，199903)(199904，now)张又宝196411副教授1700(199803，now）1999－06－18姓名出生年月职称工资有效时间李小山196009讲师10001300(199809，199903)(199904，now)张又宝196411副教授教授17002100(199803，200003)(200004，now）

2000－09－18姓名出生年月职称工资有效时间李小山196009讲师副教授100013001800(199809，199903)(199904，200103)(200104，now)张又宝196411副教授教授17002100(199803，200003)(200004，now)

2002－06－18

事务时间第41页，课件共67页，创作于2023年2月表中的事务时间体现在什么地方呢？在图3中有四个表，每个表的左边都对应一个时间值，分别是1998-12-18、1999-06-18、2000-09-18和2002-06-18，这四个时间点就是我们所说到的事务时间，分别表示相对应数据库表更新操作的时间。我们用一根数轴来表示事务时间，数轴是从系统支持的最小的那个时间点开始一直向无限延伸，事务时间的取值就是这个时间轴中的某一点或是某些点。第42页，课件共67页，创作于2023年2月如果一个元组是在数据库建立之前有效，那么它在数据库中的第一次事务时间，就是建立该数据库的时间，直至此时这个元组的有效性才被体现出来。当元组无效后，倘若数据库没有进行与事务时间相关的更新操作，元组真正的有效性也是体现不出来的。同样，该元组倘若要失效的话，必须要有新的事务时间才可能体现出来。没有事务时间，元组的有效性是没有办法体现的；没有有效时间，仅有事务时间，数据库的元组仅仅是一个个孤立的快照。第43页，课件共67页，创作于2023年2月2.时间变量now的英文语义是当前时间。now随当前时间变化而变化，记录随时间变化的信息，其有效值依赖于当前时间。例如，考虑银行维护顾客帐户存款额记录。假定一顾客于2011年1月15日在银行开户并存了2万元，存款额自开户之日生效。若没有新交易发生，存款额有效时间就一直延续。随着时间演进，每天对数据进行更新以正确反映有效时间显然不切实际，此时，使用now变量就能很好解决这个问题，可以把有效期表示为[2011-1-15，now]，此即表示存款从[2011-1-15到“当前”时间一直有效，从而避免了频繁的时间更新，在实际应用带来很大便利。第44页，课件共67页，创作于2023年2月uc是“UntilChanged”的缩写，主要是用来表示事务时间中的相应情况。uc语义为“直到数据发生改变的时间”。在应用过程中，uc比now具有更精确的语义解释。事务时间期间[TTs，TTe]中的TTs表示事务的起始时间，TTe表示事务的终止时间，当插入一个元组时，将TTs初始化为插入时的当前时间，TTe时间记为uc，若删除一个元组，则将该元组的TTe值uc改为当前时间，这个元组在逻辑上删除。数据库更新集合了插入和删除两种操作。第45页，课件共67页，创作于2023年2月3.时态数据库常规数据库通常只保留一个企业或单位的当前状态。由于客观事物总是要随着时间发展变化，当前状态会被进一步发展的状态所取代。常规数据库作为时间维度上的一个快照，在一般意义下是不会保存历史数据的。在关系数据库中，可以将元组的生命周期用一个属性表示，即将时间作为普通属性进行操作。既然时间作为了普通属性，则当进行关系操作例如查询与更新，就不可避免需要对时间属性进行关系运算（关系代数和关系演算）。第46页，课件共67页，创作于2023年2月对这个关系表执行下述SQL语句SELECTsalary,VTs,VteFROMTR常规查询结果应该的查询结果第47页，课件共67页，创作于2023年2月四种时态数据库类型快照数据库——支持时间数据类型历史数据库——支持有效时间回滚数据库——支持事务时间双时态数据库——支持有效时间和事务时间第48页，课件共67页，创作于2023年2月1）快照数据库以特定时刻瞬间快照建立模型。快照数据库无法表示属性与时间的关系，没有维护状态变迁的能力，只进行当前数据库状态的查询和更新，不能进行以往历史数据的查询，而且随着时间演进，其更改的历史数据将会丢失。快照数据库实际上是一种非时态数据库，它反映数据的当前状态，时间推移将导致数据库状态不断改变，新状态将覆盖旧的状态。快照数据库由静态的二维关系表组成，分别是属性维和元组维。数据库状态变迁由事务实现，一旦事务提交，其状态变迁就立即生效，原来数据库状态也就完全丢失。第49页，课件共67页，创作于2023年2月快照数据库中无法表示属性与时间的关系，没有维护状态变迁的能力，不能够进行与时间相关的任何工作，快照数据库无法回答以下一些问题。“raul何时当的讲师？（如果他现在是副教授）”（历史查询）“2006年9月18日的记录中，Green的职务是什么？”（历史查询）“在过去的3年里，该大学有多少人从副教授提升为正教授？”（趋势查询）“明年，Raul还会成为正教授么？”（未来查询）“jones上个月被提升为副教授”（记录更新）第50页，课件共67页，创作于2023年2月2）回滚数据库回滚数据库(RollbackDatabase)支持事务时间，它按事务时间进行编址，保存了过去每次事务提交，状态演变之前的状态。回滚数据库记录了数据库事务变化历史，它实现的是事务时间轴。任何一个更新语句的执行将产生一个新的数据库状态。新状态不会覆盖旧的状态。因此没有数据会被物理删除。通过将一个元组的事务结束时间设为执行语句的当时时间，从而实现元组在语义上的“删除”。事务时间区间可以看成是该元组在快照数据库中存在的历史。第51页，课件共67页，创作于2023年2月IDNAMEBIRTHDAYSALARY100张三1974.1.13000IDNAMEBIRTHDAYSALARY100张三1974.1.15000IDNAMEBIRTHDAYSALARYTTSTTE100张三1974.1.130001998.11999.1100张三1974.1.150001999.1∞表1（1998.1）表3表2（1999.1）第52页，课件共67页，创作于2023年2月回滚数据库不足之处也很为明显，主要表现如下：1）回滚数据库因为是按照事务时间编址，记录的是数据库状态变迁的历史，而不是现实世界变化的历史，现实世界中元组的属性在某个时间点（属性的有效时间）变化了，但是因为数据库在这个时间点没有执行事务，即数据库的事务时间没有改变，那么此时，元组的时变属性的改变在数据库中根本没有体现出来。2）过去元组的错误决不可以更正，而只能查看。当我们发现元组有错误的时候，如果此事务已经提交的话，我们就无能为力了，所能做的工作只能是等待下次系统的事务时间进行新的改动。但是，改动的只是提交前的数据库，即最近一个事务时间点的数据库，在此之前的状态不能再改变。3）回滚数据库的冗余太多。在前一个事务时间内提交的数据，即使在下一个事务时间没有数据的改变或者改变甚小也需要进行所有的数据的重新输入及储存，这种冗余是较大的，特别是那种时变较小的情况。第53页，课件共67页，创作于2023年2月3）历史数据库NoNameBirthdayTitle019504478Peter1969-6-6Lectuere019504479James1966-7-8Prof.019504480Bush1963-8-16Prof.对于“Peter5年前是否为讲师？”第54页，课件共67页，创作于2023年2月

记录事实的有效时间的数据库称为历史数据库。历史数据库记录了在有效时间轴上的一系列的数据库状态，可能是过去、现在或将来。它可以被看作是记录了事实在真实世界的变化过程。第55页，课件共67页，创作于2023年2月

添加有效时间的数据库对于上述问题——“Jhon5年前是不是讲师？”。假如现在是2003年，那么可知5年前，即1998年Jhon已经不是讲师，而是副教授。第56页，课件共67页，创作于2023年2月历史数据库上的查询语言必须具有有效时间演算能力。历史数据库主要特点是支持有效时间，数据冗余度小，结构相对简单。但是也存在一些不知，主要不足之处是：不支持事务时间，不可以象回滚数据库一样对以前的某一个状态进行查询。第57页，课件共67页，创作于2023年2月3）双时态数据库

回滚数据库和历史数据库各具优点，通过设计一种数据库，使它既支持事务时间又支持有效时间，这就是双时态数据库（BitemporalDatabase）。双时态数据库集成了前三种类型数据库的功能特性，储存了数据库和现实世界两者发展的历史。第58页，课件共67页，创作于2023年2月双时态数据库由时态关系组成，其时态关系是一个四维结构。其中两维是属性和元组，另外两维是事务时间和有效时间，一个时态关系可以看成是一个历史关系的序列。对时态关系的一个回滚操作则是选取了一个特定的历史关系，可对该历史关系进行查询。而每一个事务则引起一个