校园植被专题的时态空间表达

石桂娇，李云岭，薛 雨

（1.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590）

GIS是有效管理和综合分析与地理空间相关数据的计算机系统[1]。然而，现实世界的数据不仅与空间相关，而且与时间相关[2]，因此在许多GIS应用中，对象会随时间变化而变化，需在传统GIS的基础上增加时间维，如在地籍信息系统、森林资源管理和土地管理系统等应用中均需加入时间维。但是时态GIS设计复杂，如何充分运用GIS，将空间、属性、时间信息进行有效结合，已成为GIS研究的重点。

时态GIS不仅包含传统GIS的空间特性，而且涵盖时间特性，具有语义更丰富、对现实世界的描述更准确等优点[3]。因此，时态GIS可应用到各行业，如城市交通信息系统中，车辆的空间位置信息会随时间的变化而变化；土地管理信息系统中，土地的属性信息会随时间的流逝而发生变化，但其空间位置不变。

以山东科技大学为例，校园四季风景各异，若利用传统GIS来描述这些景象，只能呈现静态图片或查询某个时间的校园植被状态。校园植被的空间位置没有发生改变，属性信息也没有太大变化，但植被会随时间循环周而复始地变化，因此本文研究了校园植被专题的时空表达方法，以便师生了解自己校园在不同时期鲜花开放的空间分布与格局。

1 校园植被的周期性调查

对校园植被进行时态空间表达，主要涉及的数据为植被时态数据，包括校园植被从发芽到开花结果各生命状态的时间数据，即植被的芽期、花期和果期。而校园植被众多，每种植被发芽、开花、结果的时间不同，需统计各种植被不同生命状态的时间段，可通过植物百科获取。同时，不同地区的气候、温度有所不同，将对植被发芽、开花、结果产生影响。因此，获取统计数据后，还需根据研究区域的气候条件对植被时态特征数据进行修正。

青岛市黄岛区地处北温带季风区，属暖温带半湿润大陆性气候，空气湿润、雨量充沛、温度适中、四季分明，具有明显的海洋气候特点，以及春寒、夏凉、秋爽、冬暖的气候特征，特别是春季气温回升缓慢，较内陆迟约一个月。结合青岛的气候条件，对植被时态特征数据进行修正，完成校园绿化系统时态数据的调查研究。本文将植被分为乔木、灌木和地被3类，各类均选取了代表性的植被（表1）。

表1 校园里代表性的植被的时间表

2 系统设计

2.1 数据库设计

校园植被的时空表达主要涉及空间属性和时间属性两种数据。如何有效结合空间、属性、时间信息，记录研究对象一系列变化情况和变化的时间以供后续使用，是本文的研究重点。一般处理办法是在数据库中，采用二叉树的形式将对象变化的过程存储下来，以备后续使用时可重新调用[4]。若在程序中使用变量存储每个研究对象的起始、终止和变化时间，就会降低程序执行效率，导致数据冗余。为了避免该问题，进行校园植被时空表达时，采用时间类型选择有效时间，在数据库的属性表里添加字段的方法。具体方法是在属性数据里进行时间标识，通过添加字段和记录的方式在属性表中标记对象发生变化的时间。为了使属性表尽可能多地储存有关信息，需在属性表里添加事件、发生的时间、植被唯一编码以及植被的其他基本空间属性信息（名称、高度、胸径、相对位置等）（表 2）。

事件是指植被生命状态的改变，如植被发芽、开花、结果等；发生的时间即植被生命状态改变的时间，可用来查询在某个或某段时间内植被发生的变化，还可用来修改植被状态发生变化的终止时间，以及生成下一个生命状态的起始时间。发生的时间主要包括：植被发芽的时间，植被开花的起始时间、终止时间，植被结果的起始时间、终止时间。

表2 属性结构与字段描述表

运用该方法可在属性数据表中具体描述植被生命状态改变的时间，查询、分析时可快速从属性数据表中调用相应数据，减少了数据的存储量，大大降低了数据冗余度，提高了整个系统的效率。

2.2 符号库设计

地图符号是地图的语言，是表达地图内容的主要手段[5]。地图符号库是管理地图符号的数据库系统，不仅是一个结构完整、功能齐全的数据库，而且是计算机制图系统或GIS的一部分（符号库管理子系统）[6]，应具有符号创建、修改、删除、显示和查询等功能[7]。

在设计符号库，特别是植被符号时，应遵循一定的原则，如色彩的象征性、象形性和协调性。本文符号库是关于植被的，因此符号的色彩应注意与大自然色彩相近，具有一定的象征性。另外，植被的符号设计更要以植被的实际形态为主要依据，舍去不必要的细节部分，选取每种植物的经典特征，如叶、花、果实和树形等；还应注意符号之间的协调性。根据各种植物的属性（树高、胸径等）、数量设置符号尺寸，使符号更贴近实际，不死板。

由于本文研究的是校园植被的时态表达，所以随时间的变化植物对应的符号也应不同，如开花期以花为特征制作符号，果期以果实为特征制作符号。

当一种植物在不同状态下有不同的符号时，该植被的每个符号都应对应一个编码，以便系统进行调用。因此，分为两级进行编码，一级编码为植被编码，二 级编码表示植被的生命状态，01为芽、02为叶、03为花、04为果实未成熟时期、05为果实成熟期。除此之外，对于常绿植被（如雪松、大叶黄杨等）选用一 种符号表达即可（表3）。

表3 石榴和雪松的符号表

2.3 模型设计

校园植被时态表达的设计思想为：在图下方添加时间条，拖动时间条，校园植被的状态将会发生相应变化，用户可第一时间了解校园植被的动态变化情况。另外，校园里有些植被的果实是可食用的，如石榴、柿树等，系统也对果期进行了显示和表达。

时间条按12个月进行设计，对于落叶的植被，可分为落叶期、发芽期、花期和果期，每个时期都有一 个起始和终止时间。首先使二级编码为空，将时间条拖动到一个时间段，此时的二级编码为相应植被生命状态的二级编码，再与一级编码进行字符段拼接，在图上进行显示。以石榴为例，石榴4月发芽，5～6 月开花，9～10月果实成熟，其时间轴就可分为1～3月、4月、5～6月、7～8月、9～10月、11～12月。1～3月、11～12月石榴已落叶，处于枯枝状态，图上可不予显示。当Bud=4时，二级编码为01，再与一级编码2300097进行字符段拼接，即可得到石榴芽的符号。当Florescence1=5、Florescence2=6时，此时二级编码为03，再拼接一级编码的字符段2300097，系统即可得到石榴花的符号，并显示校园里石榴开花的情况。其他时间段也是如此。

另外，常绿植被的二级编码始终为01，拼接上一级编码就会显示其状态。不过对于该类植被，随着时间条的拖动，状态和符号变化不大。

3 应用实例

本文选取山东科技大学为研究区。山东科技大学校园绿化面积大，植被种类繁多，景色优美，校园植被时态表达有利于师生便捷地了解校园不同时期鲜花开放的空间分布与格局，从而促进师生更加热爱校园、热爱自然。

3.1 花期模块

随着时间条的拖动，系统将显示不同月份校园植被的开花区域（图1）。

图1 4、5月份开花的植被

图2 7、9月份果实成熟的植物

3.2 果期模块

校园植被中包含可食用果实的植被，到了相应时间，系统将显示什么时间、哪里的果实成熟了（图2）。

4 结 语

本文以校园植被为研究对象，研究了校园植被随时间变化而发生的时空变化。本文从校园植被的周期性调查入手，并针对当地的气候对植被的时态数据进行了修正；然后在属性表里添加时间标识，从而对数据结构进行设计。由于植被的生命状态不断改变，那么相应的符号也应发生变化。本文把植被符号分为5 种状态，每种状态均对应一个编码，即植被的二级编码。系统通过时间条对应的二级编码，并拼接一级编码得到相应的符号，从而在图中显示，实现了随时间条的拖动，图上校园植被的生命状态随之变化的目的。

[1] 林志辉,俞孟蕻.综合船桥系统电子海图数据库设计研究[J].科学技术与工程,2010,10(13):3 148-3 152

[2] 吴信才,曹志月.时态GIS的基本概念、功能及实现方法[J].地球科学,2002,27(3):241-245

[3] 刘妮妮,刘学锋,何幼斌,等.时态GIS及其在艾滋病时空分布研究中的应用[J].地理空间信息,2006,4(5):39-41

[4] 李志刚,艾廷华.时态GIS在地籍变更管理信息系统中的应用研究[J].测绘通报,2003(6):58-61

[5] 刘洪光,高锡林,马维峰,等.基于ArcGIS的地质灾害地图符号库设计与实现[J].国土资源遥感,2011(2):147-150

[6] 何虎军,赵亚宁,杨本生.基于AutoCAD的采矿地质标准图库的创建[J].金属矿山,2011(4):115-118

[7] 李兵.地图符号库系统的研究与实现[D].北京:中国农业大学,2005:17