多粒度时空事件建模与可视化方法初探

陈敏颉，江 南，陈 达

（1. 信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州 450001；2. 31682部队，甘肃 兰州 730020）

0 引 言

随着地理信息应用领域、分析方法、展现方式等的发展，人们认知世界的方法和手段在不断改进，GIS技术正进入一个新的发展阶段。传统的GIS以地图为模板间接表达复杂的现实世界，主要描述地理信息时间、空间、属性3个维度，难以有效地描述现实世界，难以实现对现实世界及其变化的全过程多粒度多视角的动态认知。由此，“全空间信息系统”和“多粒度时空对象”等思想应运而生[1-2]。现实世界中的各种现象/事物根据其时空特征和变化特征，均可抽象成时空实体，用不同粒度的时空实体可以实现对现实世界的抽象和描述，多粒度时空对象就是在计算机中对多粒度时空实体的具体描述[3]。文献[3]提出一种多粒度时空对象建模方法，直接以多粒度时空对象的方式对现实世界进行抽象和建模，相比地图模型而言对现实世界的描述更为真实、全面。

事件是由时空对象产生的描述时空现象整个生命周期的动态变化过程，普遍存在于自然环境、社会生活、网络空间、微观世界以及宇宙空间中。自然界中的地震灾害事件、动物迁徙事件；社会生活中的战争事件、历史事件，都是时空对象的变化过程。为了体现事件的时间特征和动态特征，称之为时空事件。事件不仅可以描述传统GIS空间对象随着时间的变化，也可以描述包含一系列时空对象、时间事件和其彼此时空关系的总和，如“911事件”，还可以描述宏观以及微观世界中的现象，如太阳黑子活动。不同的人在认识事件时，对事件认知的时空范畴和程度都不一样。如在“动物迁徙事件”中，部分关注某一年全球范围内的哺乳动物迁徙事件，部分可能关注某几个月非洲羚羊的迁徙事件。不同的认知角度和程度使得时空事件具有不同的时空尺度，可以展开为细节更丰富的时空事件，也可以综合成更大的时空事件，因此，需要从不同的粒度对其进行抽象和描述，称之为多粒度时空事件。

时空事件建模和时空数据可视化是探索时空事件的有效手段，对于时空认知、分析归纳、实时监测、推理预测以及进行决策，有着十分重要的现实意义。就目前来看，事件中时空对象都定义成点、线、面等空间类型，主要描述其时间、空间、属性3个维度，只是针对某个时间段、某个粒度对事件及其变化进行建模和可视化，大量描述事件的时空数据难以得到有效表达，很难通过现有可视化形式获得事件全过程多粒度的时空动态变化过程和相关联系，探索事件的隐含规律。

本文基于全空间信息系统的应用背景和多粒度时空对象的思想，以时空事件为研究对象，探讨其内涵和基本特征，并提出了多粒度时空事件的概念；分析了现有时空数据模型特点，基于多粒度时空对象数据模型，提出了多粒度时空事件建模的基本理念；以此为依据，针对现有可视化技术的不足，基于全空间信息系统对多粒度时空事件的表达特点进行了初步阐述。

1 时空事件的内涵及特征

1.1 时空事件的内涵

为了强调事件的时空性，事件也称为时空事件。事件是人类社会的基本构成元素之一。事件具有多种意义，不同的领域对事件有着不同的理解。

在传统GIS领域，许多学者对事件问题进行了初步的探讨。从信息系统传统的观点出发，事件通过相关状态的差异变化来表现，其含义由用户结合具体应用领域解释获得。Peuquet等人将某一空间区域的每次状态变化（形状、属性等）视为一个事件[4]。Claramunt等人将事件定义为改变实体的过程，以空间目标版本的变化来描述事件[5]。Wachowize认为事件描述了时空现象的整个生命周期的变化过程[6]。

从现代语言学角度理解，事件是指已经在历史上或社会上发生的大事情[7]，也可定义为发生在一定时间，一定地点下的具有一定结果的实例，一般由事件发生的时间、地点、事件人物和事件的起因、经过、结果等要素构成[8-9]。

可以看出，不管从哪个角度进行定义，事件都具备以下特点：一是事件是发生在一定的时空中，限定了事件的时空范围，尽管与传统GIS相比，全空间信息系统的理念将空间信息系统的范畴从传统测绘空间扩展到了宇宙空间、室内空间、微观空间等，但事件仍是发生在这些空间范畴内的；另外，只有限定时间范围，事件才有意义。二是每个事件都具有时空对象（参与者），事件体现在时空对象的变化之中。三是事件和其他事件具有一定的关系（如因果关系、时间拓扑关系、层次关系等）。

1.2 时空事件的特征

1）时空性

时空性是时空事件最基本的特性。哲学上一种观点认为：时间与空间一起构成运动着的物质存在的两种基本形式，是物质运动、变化持续性的表现。事件发生在一定的时空之中，具有空间和时间特性。对时空事件进行研究时不能忽略时间或空间因素，避免出现时空分离的情况。

2）多维性

多维性有多个方面的含义，一是反映的是多粒度时空事件所在坐标系的维度：三维空间和四维时空，目前的时空事件研究中更趋于二维或三维模型，需进一步发展时空四维模型。二是指多粒度时空事件具有时间、空间、属性、参与者、事件组成等多个维度。三是事件中多粒度时空对象的多维特征，包括对象的时空位置、组成、形态、关系、属性、形态、认知、行为等。

3）动态性

这是事件普遍特征，事件是随着时间变化的，是一个运动的发展过程。过去人们往往忽视时间特征的研究，侧重空间特征和属性特征的研究，采用了忽视时间特征的横断面静态分析方法，使人们对事件的认知出现了时空分离的局面。然而，在研究中，时间特征是不应该忽视的，事件的动态变化表现在：随着时间的流逝事件中时空对象的特征（位置、组成、关系、属性、形态、行为等）的动态变化。

4）关联性

关联性描述的是事件中相关时空对象活动的时空环境。时空对象的活动需要与外界进行交流、交换和相互作用，时空环境在一定程度上决定或影响时空事件中的时空对象。只有与事件关联的时空对象可以和事件产生交流、交换和相互作用。如研究“羚羊迁徙”这个事件，当羚羊迁徙到不同的区域时，或当时间进入不同的季节，局部气候会影响羚羊迁徙的速度和羚羊的数量。

1.3 多粒度时空事件的概念

为了体现时空事件的多粒度特征，将时空事件称为多粒度时空事件。多粒度时空事件是从人的认知角度和程度定义的，不同的人对事件认知的时空范畴和程度都不一样，使得时空事件具有不同的时空尺度和不同的事件内容。时空事件可以分解成更小粒度的时空事件，也可以总合成更大粒度的时空事件。因此，需要从不同的粒度对时空事件进行抽象和描述，并根据具体的认知目标，选择一定的时空事件粒度。要理解多粒度时空事件，需要弄清楚以下3点：

1）时空事件和时空对象。根据研究分析的对象粒度不同，两者可以相互转化。时空对象由更小粒度的时空对象和时空事件构成；时空事件也可以是由一系列时空事件同时、交替或相继发生而构成，其参与者是不同粒度下的时空对象。时空事件在较大粒度下也可以转变成时空对象，时空对象其内部也发生小粒度的时空事件，如图1所示，其中，事件1、事件1.1和事件1.1.1是不同粒度下的时空事件，对象1、对象1.1和对象1.1.1是不同粒度下的时空对象，对象1是事件1的参与者，以此类推。

图1 多粒度时空事件与多粒度时空对象Fig.1 Spatio-temporal events of multi-granularity and spatio-temporal objects of multi-granularity

2）多粒度。本质上是由人的认知方式和需求的不同所决定的，不同粒度的时空事件之间具有层次结构，人们对不同粒度的时空事件认知的时空对象可能不同，对同一时空对象的认知程度也不同。如“长征事件”和“四渡赤水事件”事件是两个不同粒度的时空事件，在“长征事件”粒度下，主要是对赤水河的空间位置进行认知，将其表示成线要素；但在“四渡赤水事件”的粒度下，还要对河床、渡河时的外部环境（其他时空对象或事件组成）、船只、人员等时空对象进行分析；对赤水河的宽度、深度、流速等进行认知和判断，从而获得最佳的渡河方案。

3）时空环境(context)。时空环境在一定程度上决定或影响时空对象的行为，进而影响事件的各个要素，在不同粒度下，时空对象或者事件也可以转化成时空环境，成为小粒度下的时空对象或事件的作用环境。如动物迁徙到不同的区域时，或当时间进入不同的季节，局部气候会影响动物迁徙的速度；而天敌进行捕食这一事件，则会成为羚羊迁徙的一个环境影响。时空对象之间，时空事件之间，以及时空对象和时空事件之间，存在着多种多样的联系，如图2所示，如时空拓扑、相互作用、合并、产生或者消亡。

图2 时空对象和时空事件之间的联系方式Fig.2 Contact method between the spatio-temporal objects and spatio-temporal events

2 多粒度时空事件建模的基本理念

2.1 现有的时空事件数据模型概述

时空事件的可视化实质上就是时空数据的可视化，时空数据描述实体在空间中随时间的变化及其相互关系，在对时空事件进行描述和分析时从3个不同的角度出发：基于实体，基于时间，基于空间，如图3所示。

图3 3种时空数据模型Fig.3 Three kinds of spatio-temporal data models

1）基于实体的数据模型：从实体的角度去描述时空变化，用于描述事件中实体的运动轨迹、变化范围等，以及不同位置时的属性状态。如某个移动对象在某一时间段中的轨迹，在轨迹点可以同时包含移动对象在该位置的空间形态、速度、加速度等其他信息。典型的基于实体的数据模型是面向对象时空数据模型。

2）基于空间的数据模型：用来显示实体的存在状态，利用时间序列数据表示特定位置的实体生命特征，如产生的时间，属性变化的时间，以及各项特征的持续时间或周期性变化。典型的基于空间的数据模型是序列快照模型。

3）基于时间的数据模型：在时间模型的基础上扩展空间维，将事件按序列组织在一维的时间轴上，用来显示特定时刻或者时间段中，不同实体的空间分布和属性特征，从而反映其时空变化过程。典型的基于时间的数据模型是ESTDM[4]模型。

许多学者在此基础上进行数据模型的改进和发展[10-12]，研究出应用于时空事件可视化的数据模型，并取得良好的效果。但还存在一定的局限性：①对时空事件的建模局限于地图空间的“3W”（What、When、Where），难以对微观、室内、地下等空间上的“5W+1H”（Who、What、When、Where、Why、How）进行建模；②注重对事件过程的建模，对因果等关联特征的考虑较少；③难以对现实世界中时空事件进行实时动态描述；④描述时空事件的粒度不够丰富，不能满足不同领域对事件不同粒度的认知需求。

2.2 多粒度时空事件建模的基本思路

多粒度时空对象建模突破传统GIS以地图为模板的间接建模方法，以人类认知世界的自然方式去抽象和描述现实世界，弥补了传统GIS空间数据模型的不足。针对现有表示时空事件数据模型的不足，基于多粒度时空对象数据模型，提出了多粒度时空事件建模的方式。

“基于多粒度时空对象”是人们观察和认知多粒度时空事件的一种方法，人们可以用自然的方式认识和模拟多粒度时空事件发生、发展和结束。人们对事件的认知都是在一定时空范畴内，所以，可以认为时空事件是现实世界的一个时空区域的简化，即依据人的基本认知，对复杂的时空区域进行抽象，可以认为这个时空区域由该区域范围内的时空实体构成；时空实体可进一步抽象和数字化建模形成多粒度时空对象，并从8个方面对多粒度时空对象进行描述；该时空区域的时空跨度是可变的，根据人的具体认知需求而定，需要从不同的粒度对时空区域进行抽象和描述，即多粒度时空事件建模。

综上所述，可以认为多粒度时空事件建模是以多粒度时空对象数据模型为基础，多粒度时空对象数据模型是对现实世界的抽象和描述，而多粒度时空事件数据模型则是具有时空范围约束的多粒度时空对象数据模型，这个时空范围是由用户定制的，根据其认知需求而定，其建模基本思路如图4所示。

图4 多粒度时空事件数据模型的建模思路Fig.4 Solution of spatio-temporal events modeling of multi-granularity

3 多粒度时空事件可视化方法

3.1 现有时空事件的可视化方法

3.1.1 事件时空要素的可视化方法

事件的空间可视化的表达比较成熟，常用的表示方法有点、线、面和热度场的可视化表达方式。其中，以点或者面表示事件的分布；以线的方式表示事件的运动或发展过程；以热力图表示事件在空间发生的频率[13]，时间表达具有一种在粒度上的层级系统，包括秒、分、小时、日、月、年等，许多研究者选择用动画方式来展示事件中的时空演变，也有学者从认知的角度认为静态方式更适合[14]。

1）传统静态地图

用传统静态地图表达事件的时空信息，一般是在地图表示的空间信息基础上加上时间信息，以静态视觉变量或时间轴的有序排列表达时间变化，但这种表示方法表达时间信息十分有限。

2）流地图

流地图是用来展示事件主体在从某个地方向其他地方移动过程中的变化情况，将时间事件流与地图进行融合，不仅具备空间特性，还具备时间特性，是一种较好的对事件过程进行表达的可视化方法，但是数据量增大时，视觉复杂度会不断增加。

3）系列静态图

用多幅不同时态同一区域的静态图表达事件时空变化，单幅图表示某一时刻事件发展过程中的状态，系列连续排列的图能反映出事件的时空演变过程，用户可以通过一系列的不同时间的图清晰地辨认，了解事件演变的规律，但是所有的图都是展示在一张图上，所能表达的数据量小。

4）时空立方体

Hagerstrand首次提出了“时空立方体”的概念，时空立方体以三维方式对时间、空间及事件直观展现出来，对揭示事件运动过程的时空变化时是非常有效的，同样面临数据量大产生的视觉混乱问题。

5）时间动画

时间动画通过动态变量演绎时间维的变化，通过迅速显示一系列的帧来生成运动和变化的场景，表达事件时空信息的变化过程，是人们研究时空过程变化中最直观、最有效的方式之一，也往往会让用户忽略事件中关键的时间变化节点，同时也会给用户的认知带来负担。

3.1.2 事件属性要素的可视化方法

1）低维属性的可视化

低维属性常用图表或视觉变量来表示。图表种类有如柱状图、饼状图、线形图、散点图等，根据具体可视化目标使用相应图表；视觉变量则是通过对象符号的形状、尺寸、色彩体现专题属性，如用不同色相的路线表示战争事件中军队进攻和撤退。

2）高维属性的可视化

高维属性常用矩阵图或平行坐标来表示。二维散点矩阵图能表达每对维度之间的关系，直观显示两个维度间的相关性；平行坐标法将维度与坐标轴建立映射，在多个平行轴之间以直线或曲线映射表示时空对象的多维信息。

3.1.3 事件关系的可视化方法

1）事件间的关系可视化

事件之间的关系有层次关系、因果关系和时间拓扑关系，事件层次关系代表着事件的不同粒度，需要对多个场景可视化；因果关系则是由可视分析的手段得出；事件拓扑关系由时间轴先后顺序表示。

2）事件中时空对象的关系可视化

事件时空对象的关系可视化一般分为层次关系的可视化和局部关系的可视化，表示层次关系有圆形散射图、树图、3D图像分层可视化等；表示局部关系有力引导法、聚类布局、弧长链接图等[15]。

3.2 多粒度时空事件的可视化特点

现有时空事件的时空可视化主要基于地图的可视化，是对地图要素的符号化表达，全空间信息系统中基本可视化是对时空实体可视化，是对地图可视化的继承和发展，而不是简单代替[16]。多粒度时空事件的可视化是基于多粒度时空对象的可视化，并在全空间信息系统中进行表达，主要有4个方面的特点：

1）扩展了时空事件可视化表达的范畴

现有时空事件可视化将事件中的主客体抽象成点、线、面、体，以图层的形式对事件时空要素进行表达，局限于地表空间、室外空间，对地下空间、室内空间、微观空间、虚拟空间、地球之外的宏观空间等的时空事件缺乏表达，达不到部分领域对时空事件的认知“精细化”的需求，全空间信息系统直接以多粒度时空对象的方式对现实世界进行抽象和建模，相比地图模型而言对现实世界的描述更为真实、全面，不受图层的限制，多粒度时空事件可视化表达的空间范畴更广。

2）对时空事件的全方位、全周期、多粒度的表达

现有时空事件可视化主要是对文本数据、结构化时空数据进行可视化，而照片、视频等数据源并没有有效利用；可视化侧重表示某一时段或某一周期事件的状态，对于事件全生命周期却缺乏完整的表达；侧重于表现事件状态和过程，而对于事件关系、事件中时空对象行为等的研究较少。全空间信息系统的数据来源既包括传统的地理空间数据，还包括多源、多模态的时空大数据和相关数据模型等，从而形成多粒度时空对象数据，通过抽取出与事件相关的时空对象进行描述，对同一时空对象构建从微观、局部到区域、宏观等不同尺度下的多粒度时空对象模型，从而构成多粒度时空事件数据模型，多种表达技术的综合使用，丰富时空数据可视化的方法，实现对时空事件的全方位、全周期、多粒度的表达。

3）对现实世界中时空事件的实时动态表达

现有的可视化技术注重对“历史”的时空事件的表达，难以表达“正在进行”的时空事件，如城市日常交通运行状态、某些突发事件（火灾、地下管道爆裂）等。多粒度时空事件数据模型对应现实世界的一个时空区域，反映的是现实世界中实体的位置、组成、关系、属性、形态、行为等的动态变化，现有的时空数据模型主要是以结构化的关系型数据库为存储解决方案，且大多是以空间维为基础，时间信息作为属性存储在模型中，需要以地图作为中间模型，难以描述动态的现实世界。全空间信息系统直接对多粒度时空对象直接进建模，通过获取各种类型传感器等的数据，实时获得事件的动态演变过程，从而进行监测和风险分析，能快速制定应急方案，辅助相关人员进行决策，提高人们应对紧急情况的能力。

4）促进时空事件的表达向“知识化”发展

现有的时空事件可视化注重对事件过程的表达，对因果及关联特征的表达较少，主要在于现有的时空数据模型不能描述实体的认知和行为能力。事件是由时空对象发出的行为产生的，行为的产生与其认知能力和行为能力密切相关。全空间信息系统中将现实世界抽象为多粒度时空对象，能描述时空对象的认知能力和行为能力，面向全空间的时空事件可视化不仅是对已有的客观事实进行再现，还能进一步提供探索事件中潜在模式和规律的工具，发掘事件中隐含的复杂因果、关联特征知识，传递观点、经验，体现了时空事件表达向“知识化”发展的趋势。

4 结束语

事件是人类社会的基本构成元素之一。随着地理空间认知的研究越来越深入，人们对时空事件的可视化要求也越来越高，时空事件的表达应是面向全空间、全过程、多粒度的动态表达，进而揭示社会行为的时空规律、更新和处理基础设施、预测时空演变趋势。本文只是对时空事件相关概念、多粒度时空事件建模的基本理念及其可视化特点进行了初步探讨，还有更多理论方法和关键技术值得深入研究。