واژه‌های کلیدی:

GIS چند بعدی; GIS زمانی؛ هستی شناسی اطلاعات جغرافیایی; GIS سه بعدی؛ مدلسازی سه بعدی شهر

چکیده

در حالی که استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی سه بعدی (سه بعدی) به سرعت در حال توسعه است و در زمینه های مختلف مانند برنامه ریزی شهری و منطقه ای، مدیریت و برنامه ریزی بلایا، ناوبری سیار و غیره، GIS تجاری و منبع باز استفاده می شود. بسته‌های نرم‌افزاری تمایل دارند قابلیت‌های 3D-GIS را برای محصولات خود ارائه دهند. بر اساس توابع تجزیه و تحلیل GIS، ارائه اطلاعات با توجه به موقعیت جغرافیایی است و با داشتن داده های مکانی سه بعدی به عنوان ورودی، مزیت هایی را در ارائه اطلاعات موقعیت افقی خواهد داشت. با این حال، تجزیه و تحلیل اجسام متحرک (زمانی) در سه بعدی کار آسانی به نظر نمی رسد و به طور کامل توسط بسته های پلت فرم GIS فعلی پشتیبانی نمی شود. قبلاً در عمل GIS دو بعدی (2 بعدی)، موضوع اصلی مورد توجه محققان در مدیریت اشیاء مکانی زمانی این است که بسته‌های GIS بر اساس محدودیت‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری طراحی شده‌اند که به موجب آن باید بر اساس هستی‌شناسی اشیاء مکانی زمانی باشد. امروزه، روند مدیریت داده های سه بعدی زمانی از طریق شبیه سازی فضایی یا انیمیشن سه بعدی است. این رویکرد به کاربران GIS در انجام پرس و جوهای فضایی کمکی نخواهد کرد. بدون وجود هستی شناسی مناسب و ساختار داده توپولوژیکی معتبر برای داده های سه بعدی زمانی، باعث تکرار داده های زمانی ( افزونگی ) و پیچیدگی در اجرای تحلیل فضایی در محیط سه بعدی می شود. بنابراین این مقاله بر روی هستی شناسی برای مدیریت اجسام فضایی سه بعدی متحرک (به عنوان مثال آلودگی هوا، سیل) تمرکز می کند. ویژگی های اجسام متحرک با دسته بندی آن ها بر اساس ظواهر مختلف به طور کامل بررسی شد. علاوه بر این، روش‌های موجود در مدیریت پایگاه داده زمانی مورد بررسی قرار گرفت و برای کاربردهای آن مورد بحث قرار گرفت. یکی دیگر از جنبه های مهم در مدیریت اشیاء سه بعدی زمانی، اجرای ساختارهای داده توپولوژیکی برای اشیاء فضایی سه بعدی است. در بخش آخر این مقاله، مسائل و ایده‌های بیشتر در مورد پیاده‌سازی و مدیریت اشیاء فضایی سه بعدی زمانی در GIS بر اساس هستی‌شناسی اطلاعات جغرافیایی (GeO) خلاصه می‌شود.

1. مقدمه

کاربران اکنون علاقه مند به تجسم اشیاء سه بعدی (3 بعدی) هستند [1-3]. این را می توان از تقاضای کاربران در برنامه های کاربردی مبتنی بر سه بعدی مشاهده کرد [4،5]. اینها به منظور تسهیل تجسم اشیاء سه بعدی هستند زیرا واقعی تر از نمایشگر دو بعدی (2 بعدی) است. بدون شک نمای سه بعدی یک مدل ساختمان در مقایسه با پلان دوبعدی یک ساختمان واقعی تر است. در حال حاضر اکثر شهرهای بزرگ ساختمان های سه بعدی خود را برای ترویج گردشگری و سرمایه گذاران برای شهرهای خود دارند. با این حال، جهت این شهرها افزایش تعداد کل ساختمان های سه بعدی در هر شهر است ( شکل 1 ).

روند توسعه مدل شهر سه بعدی را می توان از تلاش های بسیاری مشاهده کرد [6،7]. با این حال، بیشتر مدل‌های سه بعدی شهر عمدتاً برای تجسم استفاده می‌شوند. درک تحولاتی که در یک شهر رخ داده است یا فقط برای نگاه کردن به اشکال معماری جالب ساختمان ها. اگرچه تجسم به تنهایی برای GIS کافی نیست، اما روند استفاده از داده های سه بعدی باید در نظر گرفته شود. قطعا بر اساس روند، داده های سه بعدی منبع مهمی در آینده نزدیک خواهد بود. علاوه بر این، تجزیه و تحلیل داده های سه بعدی پیچیده تر خواهد شد.

کارکردهای اساسی سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) برای ارائه اطلاعات با توجه به مکان ممکن است به عملکردهای چالش برانگیز گسترش یابد. در حال حاضر GIS موفق به پاسخگویی به سوالات در مورد شرایط WHAT و WHERE شده است. اما شکی نیست که کاربران در آینده بیشتر به سناریوهای WHAT، WHERE و WHEN مجهز خواهند شد [ 8 ]. “وقتی” را می توان بر اساس تقسیم بندی کرد

اشتوتگارت  برلین   پوتراجایا

شکل 1 . مدل های سه بعدی شهر برخی از شهرهای بزرگ (مارس 2013).

وضعیتی که آیا قبلاً اتفاق افتاده است (اطلاعات تاریخی سه بعدی) یا زمانی که اتفاق می افتد (برنامه ریزی و پیش بینی سه بعدی). به عنوان مثال، کاربری که به طور قابل تصوری به پیشرفت های یک شهر علاقه مند است، سؤالات ساده ای مطرح می شود مانند “این نقطه عطف جدید چه زمانی ساخته شده است و چه شکلی از ساختمان قبل از توسعه این بنای شاخص تخریب شده است؟”. سوالات بیشتر در موقعیت های کلی تر مطرح می شود [ 9 ]. در این شرایط، کاربران نه تنها می خواهند در مورد داده ها و اطلاعات سه بعدی موجود، بلکه در مورد اطلاعات سه بعدی قبل از ساخت آن نیز بدانند.

بحث های قبلی نیاز به مدیریت داده های مکانی سه بعدی را در آینده نشان می دهد. داده های سه بعدی به دلیل مزایای آن در ارائه اطلاعات که تقریباً شبیه به دنیای واقعی است، در میان انتخاب های برتر در آینده خواهند بود [10،11]. امروزه تجسم سه بعدی برای اهداف برنامه ریزی و نظارت بسیار مفید است [12،13]. سایر جنبه های سه بعدی مانند مدیریت داده های سه بعدی، تجزیه و تحلیل سه بعدی و به اشتراک گذاری داده های سه بعدی باید در نظر گرفته شوند. همانطور که برای تجسم 3D آن به طور گسترده اجرا شده است. اما برای مدیریت داده های سه بعدی، تجزیه و تحلیل سه بعدی و به اشتراک گذاری داده های سه بعدی نیاز به مطالعه بیشتری دارد.

بخش قبلی «چه زمانی» را در جستارهای کاربر بیان کرد. ارتباط نزدیکی با فاصله زمانی دارد. اگر بازه/دوره زمانی وجود داشته باشد، احتمال تغییر فضایی وجود دارد. به عنوان مثال، بین مناطق شهری و روستایی، تغییرات به قوت خود باقی است. تفاوت برای مکان های شهری، تغییرات به سرعت در مقایسه با مناطق روستایی با توجه به تحولات رخ می دهد. به طور مشابه، شیب ها به عنوان شیب خطرناک و شیب متوسط ​​طبقه بندی می شوند، تغییرات در شیب های خطرناک در زمین در مقایسه با شیب متوسط ​​بیشتر است. تغییرات مکانی می تواند به شکلی از تغییرات هندسه، تغییرات موقعیتی یا تغییرات ویژگی ویژگی باشد [ 14 ]. اما سایر مفاهیم طبقه بندی برای تغییرات فضایی بر اساس مفهوم ژئواتم ها [ 15 ] است. قبلاً توسط نادی و محمود ذکر شده است [ 14] می توان آن را به عنوان ژئواشیاء طبقه بندی کرد. طبقه بندی دیگر؛ ژئوفیلدها که بر میدان های ژئودینامیک و استاتیک تاکید دارند.

اشیاء سه بعدی که در زمان تغییر/حرکت می کنند را می توان به عنوان اجسام سه بعدی متحرک طبقه بندی کرد [ 16 ]. Erwig، Hartmut، Schneider و Vazirgiannis [ 9 ] بیان کردند که ادغام فضا و زمان هندسه هایی است که در طول زمان تغییر می کنند. تعریف دیگری که اشیاء فضایی را که پس از بازه زمانی یا دوره معینی تغییر می‌کنند طبقه‌بندی می‌کند می‌تواند به عنوان اشیاء فضایی پویا طبقه‌بندی شود [ 14 ].]. اجسام متحرک در سه بعدی (اشیاء پویا سه بعدی) باید به شدت مدیریت شوند. تجسم سه بعدی اجسام متحرک در حال حاضر بیشتر با استفاده از انیمیشن ها، نمایش سه بعدی و رویکردهای چند رسانه ای نمایش داده می شود. برای تجزیه و تحلیل فضایی، داده های سه بعدی برای اهداف تجسم کافی نیست. چارچوب اساسی برای هر شی نیاز به مطالعه دارد و روش های مختلفی باید برای ویژگی های مختلف توسعه یابد. به عنوان مثال، پدیده رشد شهری، هیدروگرافی یا حمل و نقل نیازمند رویکردهای متفاوتی در روش های اجرا است [ 17 ]. ویژگی های مهم مانند فضایی و ویژگی به طور مستقل، پرس و جو برای رویدادها و مکانیسم های امنیت اطلاعات باید حفظ شود [ 18 ].

گسترش GIS به بعد زمانی کار آسانی نیست [ 19 ]. محققان باید برای تجزیه و تحلیل مجتمع GIS آینده بر این مسائل غلبه کنند. این به این دلیل است که هر جسم روی سطح زمین در حال حرکت است [ 20 ]. حرکت می تواند کند یا سریع باشد. سوابق حرکت اجسام فضایی در سه بعدی می تواند مزایایی را از نظر تجسم سه بعدی، برنامه ریزی، نظارت سه بعدی و فرآیند تصمیم گیری فراهم کند [21-23]. بر اساس اطلاعات تاریخی و فعلی، این الگوها می توانند ثبت شوند و این اطلاعات برای پیش بینی سناریوهای آینده مفید است [ 24 ].

در بخش بعدی توضیحاتی در مورد اشیاء زمانی سه بعدی، ویژگی‌های مشخصه شی و چگونگی آن در زمینه هستی‌شناسی اطلاعات جغرافیایی (GeO) ارائه شده است. سپس بخش 3 مدیریت داده های زمانی را در زمینه پایگاه های داده زمانی، زمان های معتبر و تراکنش و طبقه بندی پایگاه داده زمانی توضیح می دهد. بخش 4 در مورد ساختار داده سه بعدی برای پیاده سازی زمانی بحث کرد. در پایان این مقاله به بحث و جمع بندی برای پیاده سازی اشیاء زمانی سه بعدی در GeO پرداخته شده است.

2. اشیاء زمانی سه بعدی

اشیاء زمانی سه بعدی یا اجسام سه بعدی متحرک را می توان به عنوان اجسامی که در دو بعد مختلف درگیر هستند طبقه بندی کرد. بعد اول بعد مکانی و بعد دیگر بعد زمانی است. بعد فضایی بُعدی است که موقعیت یا مکان جسم سه بعدی را در دنیای واقعی به هم مرتبط می کند. در حالی که تغییراتی که بر روی شی 3 بعدی با توجه به یک بازه زمانی خاص که به عنوان بعد زمانی تعیین می شود رخ می دهد. برای ابعاد فضایی، 2D اطلاعات مربوط به سطوح مسطح را نشان می دهد در حالی که 2.5D و 3D نمایش کامل اجسام فضایی را نشان می دهد. علاوه بر این، مدل داده های سه بعدی فقط شرایط توپوگرافی استاتیک را توصیف می کند [ 25 ]. تغییرات در وضعیت زمانی را می توان از چندین جنبه مشاهده کرد [ 26]. شاید تغییرات در تغییر ویژگی در طول زمان (δz / δt)، ویژگی ها در طول مکان (δz / δx) یا تغییر فضایی در طول زمان (δx / δt) تغییر کند.

2.1. ویژگی های شی سه بعدی متحرک

تقاضا برای مدیریت 3 بعدی زمانی در حال افزایش است [ 25 ]. در فضای اقلیدسی یا صفحه سه بعدی اقلیدسی پیوند بین محورهای x، y و z به درستی تنظیم شده است. با این حال، معرفی عناصر زمانی در محور مستلزم تحقیقات تخصصی و بیشتر است. گودچایلد، یوان و کووا [ 15 ] ویژگی های معمول مشاهده شده ژئو اشیاء را در طول زمان، بر اساس سه شرط توضیح می دهند ( شکل 2 ).

ویژگی های شی که گفته می شود پویا هستند می توانند به چندین شکل باشند [ 27 ]:

• اشیاء متحرک – اشیایی را می توان ایجاد و از بین برد که آزادانه حرکت کنند و ویژگی ها را تغییر دهند [ 26 ].

• فیلدهای پویا – هر نقطه فضا-زمان برای هر تعداد فیلد مقداری دارد.

• اشیاء الاستیک ایستا – اشیایی را می توان ایجاد و از بین برد که دارای وسعت و ویژگی های پویا هستند [ 28 ].

• اجسام الاستیک متحرک – اشیاء را می توان ایجاد کرد، از بین برد، حرکت کرد و وسعت را تغییر داد.

• اجسام الاستیک متحرک با تغییرات داخلی – ترکیبی از میدان‌ها و اجسام پویا [ 15 ].

• ترکیبی – هر ترکیبی از دیدگاه های کاربر قبلی.

شکل 2 . تنوع زمانی در ژئواشیاء [ 15 ].

در ISO، طبقه بندی حرکت دارای ویژگی های زیر است [ 30 ]:

• ویژگی در هر دامنه ای که از فضایی تشکیل شده است حرکت می کند.

• این ویژگی ممکن است در یک مسیر برنامه ریزی شده حرکت کند، اما ممکن است از مسیر برنامه ریزی شده منحرف شود.

یک حرکت ممکن است تحت تأثیر نیروهای فیزیکی، مانند نیروهای مداری، گرانشی یا اینرسی باشد.

• حرکت یک ویژگی ممکن است بر ویژگی های دیگر تأثیر بگذارد یا تحت تأثیر قرار گیرد، به عنوان مثال:

◦ ویژگی متحرک ممکن است یک مسیر از پیش تعریف شده (به عنوان مثال، جاده) را دنبال کند و ممکن است مسیرها را در نقاط شناخته شده تغییر دهد (مانند ایستگاه های اتوبوس، ایستگاه های بین راه).

◦ دو یا چند ویژگی متحرک ممکن است با هم “کشیده شوند” یا از هم جدا شوند (مثلاً شکارچی طعمه را تشخیص داده و ردیابی می کند، گروه های پناهنده به نیروها می پیوندند).

◦ دو یا چند ویژگی متحرک ممکن است برای حفظ یک رابطه فضایی معین برای مدتی محدود شوند (مانند تراکتور و تریلر، کاروان).

این استاندارد بین المللی یک روش استاندارد را برای توصیف هندسه یک ویژگی که به عنوان یک جسم صلب حرکت می کند، تعریف می کند. تبدیل اشیاء سه بعدی ( شکل 3 ) ، مانند مقیاس بندی، ترجمه، چرخش و انعکاس در R3 در ماتریس های R3 موجود ترجمه شده است [ 29 ]. با این حال، فقط برای اشیاء ثابت و فیزیکی بدون تغییر مفید است. برای سایر ویژگی های زمانی ذکر شده، تحقیقات بیشتری برای فرآیند نگاشت اشیاء سه بعدی در GIS مورد نیاز است.

رویکردها در مدل‌سازی اشیاء زمانی سه بعدی از طریق انیمیشن، شبیه‌سازی یا روش نشان دادن زمان است [14،31]. نتیجه رضایت بخش است. فقط از جنبه GIS فقط برای اهداف تجسم خوب است. تغییرات زمانی می تواند به شکل پایگاه داده، هندسه یا تغییرات گرافیکی باشد و اکثر روش های توصیف شده بر اساس تغییرات گرافیکی هستند. یک ساختار پایگاه داده برای اشیاء زمانی سه بعدی برای تجزیه و تحلیل GIS مورد نیاز است. بر اساس رویکردهای موجود که قبلا ذکر شد، هر انیمیشن یا شبیه سازی اشیاء سه بعدی باید جدا از بسته موجود در GIS انجام شود. بسیاری از کاربردهای اطلاعات جغرافیایی، بعد زمانی و بعد سوم (عمودی) فضایی را به دلیل خود فناوری GIS نادیده می‌گیرند که محدودیت‌هایی را برای این ابعاد ایجاد می‌کند [ 15 ].

2.2. اشیاء سه بعدی زمانی در هستی شناسی اطلاعات جغرافیایی (GeO)

هستی شناسی اطلاعات جغرافیایی (GeO) از دیدگاه طبقه بندی موجودیت اطلاعات جغرافیایی ضروری است. فرآیند GeO در ابتدای GIS به خوبی پرداخته نشده است و مشکل در تعیین مدل داده به دلیل محدود بودن به فروشندگان به وجود می آید. اکنون اجرای هستی شناسی در وب مورد توجه قرار گرفته است [ 32 ]. گرنون و اسمیت [ 33 ] نیز هستی شناسی رسمی پایه (BFO) را در هستی شناسی SNAP بیان می کنند.

هستی شناسی روابط بین موجودات را توصیف می کند. برای اجسام متحرک، Goodchild، Yuan و Cova [ 15 ] آن را به اجسام صلب و کشسان دسته بندی می کنند ( شکل 4 ). اما از سوی دیگر، رویه ای برای ایجاد اشیاء سه بعدی جدید در محیط پویا سه بعدی GIS باید در نظر گرفته شود. یوسف، اوزنیر اوجانگ و عبدالرحمن [ 34 ]

بر محاسبه حجم‌های سه بعدی در رواناب شهری تأکید می‌کند و حرکت آب از منابع مختلف آب را در نظر می‌گیرد و این برخورد شکل جدیدی به وجود می‌آورد و در نهایت منجر به افزایش حجم آب می‌شود ( شکل 5 ). این را می توان از مفهوم رویکرد متابول [ 34 ] مشاهده کرد.

شکل 3 . چرخش محور دلخواه در R3 [ 29 ] .

شکل 4 . عناصر اساسی تئوری، هشت نوع شیء جغرافیایی پویا [ 15 ].

(الف) (ب)

شکل 5 . مدلسازی VSG پویا سه بعدی برای جریان زمینی و جریان کانال باز که در (الف) 1 ساعت تجسم شده است. (ب) 6 ساعت؛ ج) 12 ساعت؛ (د) داده های بارندگی 18 ساعت [ 34 ].

3. مدیریت داده های زمانی

3.1. پایگاه داده زمانی

شیء پویا جسمی است که در بازه زمانی تغییر می کند. فاصله زمانی نیاز به مدیریت عنصر زمانی دارد. در این بخش مفاهیم اصلی پایگاه داده های زمانی را معرفی می کنیم. سپس توضیحی در مورد دو بعد زمانی اصلی در نظر گرفته شده در این زمینه: زمان معتبر و زمان معامله. ذخیره و مدیریت اطلاعاتی که دارای چندین جنبه زمانی است به طور گسترده در حوزه تحقیقاتی پایگاه های داده زمانی مورد بررسی قرار گرفته است [35،36]. مطالعه ابعاد زمانی داده ها با کار زیاد بر روی تعریف الحاقات زمانی-گرا مدل رابطه ای آغاز شد.

3.2. زمان اعتبار و معامله

دو طبقه بندی اساسی در بعد زمانی وجود دارد. اولین مورد که زمان تراکنش نامیده می شود، به لحظاتی اشاره دارد که در آن یک واقعیت وارد یا از پایگاه داده حذف می شود. دومی که زمان معتبر نامیده می‌شود، مربوط به زمانی است که در آن واقعیت در واقعیت مدل‌سازی‌شده صادق است. زمان های معتبر و تراکنش به طور گسترده به عنوان دو بعد زمانی اساسی پایگاه های داده زمانی شناخته می شوند [ 37 ]. علاوه بر این، یک اصطلاح تلفیقی در مورد پایگاه های داده زمانی وجود دارد که با زمان های معتبر و/یا معاملات سروکار دارند [ 38]. زمان‌های معتبر و تراکنش به این صورت تعریف می‌شوند: زمان معتبر: زمان معتبر (VT) یک واقعیت زمانی است که واقعیت در واقعیت مدل‌سازی شده صادق است و زمان معامله: زمان معامله (TT) یک واقعیت زمانی است که واقعیت در پایگاه داده جاری است و ممکن است بازیابی شود. زمان معتبر معمولا توسط کاربران پایگاه داده ارائه می شود، در حالی که زمان تراکنش توسط سیستم تولید و عرضه می شود.

3.3. طبقه بندی پایگاه داده زمانی

طبقه‌بندی به‌طور گسترده‌ای پذیرفته‌شده از زمان‌های معتبر و معاملات در سال‌های گذشته در ادبیات ارائه شده است [39،40]. بر اساس طبقه‌بندی، کلاس‌هایی وجود دارند که احتمالاً از داده‌های بعد زمانی پشتیبانی می‌کنند. پایگاه داده های اسنپ شات تنها وضعیت فعلی دنیای مدل شده را نشان می دهد. با استفاده از زمان مشخص شده توسط کاربر در بعد زمانی پایگاه داده می توان به آن دست یافت. سیستم پایگاه داده هیچ اطلاعاتی در مورد معناشناسی زمان پشتیبانی نمی کند، بلکه فقط دامنه زمانی را پشتیبانی می کند.

پایگاه داده های زمان معتبر مانند پایگاه های داده تاریخی هستند. فقط از زمان معتبر پشتیبانی می کند و تاریخچه به روز رسانی پایگاه داده مدیریت نمی شود. به عنوان مثال، درج و حذف داده ها ثبت نمی شود. فقط ابعاد زمانی واقعیات مدل شده در نظر گرفته می شود. به عنوان یک قیاس، می‌تواند فقط فواصل زمانی را برای رویدادهای زمانی نشان دهد، در حالی که نمی‌توان ردی از زمانی که کاربران یا پرسنل داده‌ها را وارد یا از پایگاه داده حذف کردند، نگه داشت.

از سوی دیگر، در پایگاه‌های داده زمان تراکنش، فقط زمان تراکنش پشتیبانی می‌شود: کاربران می‌توانند ردیابی عملیات به‌روزرسانی انجام‌شده در پایگاه داده را حفظ کنند، اما قادر به نمایش ابعاد زمانی حقایق ارائه‌شده نیستند. از مثال قبلی، پایگاه‌های اطلاعاتی زمان تراکنش فقط زمان‌هایی را که کاربران یا پرسنل داده‌ها را وارد یا حذف می‌کنند اجازه می‌دهند: سیستم قادر به پشتیبانی از نمایش فواصل در طول رویدادهای زمانی نیست.

در همین حال پایگاه داده دو زمانی از تراکنش و زمان معتبر پشتیبانی می کند. این سیستم قادر است هم زمان در بازه زمانی و هم زمانی که کاربران یا پرسنل وارد پایگاه داده یا حذف شده اند را پشتیبانی کند.

قبل از مدلسازی زمانی، انتخاب پایگاه داده زمانی باید برای رسیدن به هدف انجام شود. بر اساس تحقیقات قبلی، یک پایگاه داده فوری ساده ترین روش برای پیاده سازی است. با این حال، نقطه ضعف پایگاه داده عکس فوری مسئله ذخیره سازی است. همه رویدادهای جدید باید در پایگاه داده قرار داده شوند. علاوه بر این، این رویکرد منجر به افزونگی داده ها شد. هر شی موجود در یک رویداد تغییر کند، یک رکورد جدید ثبت می شود و این باعث افزایش تعداد رکوردهای همان شی در پایگاه داده می شود.

برای پایگاه داده زمان معتبر و زمان تراکنش، به اهداف برنامه بستگی دارد. همانطور که قبلا توضیح داده شد، مزایا و محدودیت هایی برای هر دو نوع پایگاه داده وجود دارد. اگر زمان معتبر حیاتی است، می توان از پایگاه داده زمان معتبر استفاده کرد. با این حال، برای برنامه های کاربردی تراکنش مبتنی بر اهمیت معاملات آنی، بنابراین پایگاه داده زمان تراکنش قادر به ثبت تمام معاملات تجاری انجام شده است. با این حال، اگر هر دو معیار در پایگاه داده مورد نیاز باشد، انتخاب مناسب پایگاه های داده دو زمانی است.

4. ساختار داده سه بعدی

ساختار داده های سه بعدی یکی از عناصر کلیدی است که باید در اجرای داده های سه بعدی برای موقعیت های زمانی برجسته شود. انواع ساختارهای داده سه بعدی وجود دارد که هنوز در مرحله تحقیقات فضایی هستند. این ساختارهای داده برای حل مشکلات موجود در ساختار داده معرفی شدند. این بخش به برخی تحقیقات قبلی در مورد ساختار داده های سه بعدی در یک محیط زمانی نگاه می کند. ساختار ساختار داده نمودار Voronoi، نمودار Voronoi 3D جنبشی و ساختار داده Dual HalfEdge است.

مصطفوی، بنی و گاوریلووا [ 41 ] نمودار ورونوی را به عنوان یک مدل فضایی بسیار قدرتمند پیشنهاد کردند و آن را در مطالعات موردی مختلف (مانند شبیه‌سازی گاز و شبیه‌سازی جزر و مد جهانی) آزمایش کردند و در مقایسه با سایر مدل‌های فضایی موجود برای نمایش دینامیکی فضایی و پیش بینی رفتار پویا (شکل 6 و 7). مزایای نمودار ورونوی برای شبیه سازی میدان زمانی بیان شده در این تحقیق:

• نمودار Voronoi یک مدل داده بسیار جالب است که می تواند به راحتی با پیکربندی موجودیت های فضایی دو بعدی و سه بعدی در فضا سازگار شود.

• این اجازه می دهد تا تعریف روشنی از روابط فضایی بین اشیاء در فضاهای دو بعدی و سه بعدی ارائه شود.

• یک مش و شبکه زیرین تطبیقی ​​برای اهداف geosimulation ارائه می دهد.

• عملیات دینامیکی و جنبشی نمودار Voronoi به خوبی برای اهداف شبیه سازی که کارایی و تعامل سیستم شبیه سازی را افزایش می دهد، تطبیق داده شده است.

لدوکس [ 42 ] استفاده از روش لاگرانژ آزاد (FLM) را بر اساس نمودار ورونوی برای مدل‌سازی جریان سیال در سه بعدی (مانند حرکت آب‌های زیرزمینی یا توده‌های آلودگی در اقیانوس) ذکر کرد. این تکنیک به نمودار ورونوی سه بعدی جنبشی نیاز دارد، که یک نمودار ورونوی است که نقاط اجازه دارند آزادانه در فضا حرکت کنند ( شکل 8 ).

با این حال، محدودیت هایی در استفاده از نمودار ورونوی 3 بعدی جنبشی وجود دارد. این دارای پیچیدگی های متعددی است که ممکن است کاربرد نمودار Voronoi را برای اهداف شبیه سازی محدود کند.

(الف) (ب)

شکل 6 . (الف) شبیه سازی دینامیک گاز با استفاده از نمودار ورونوی جنبشی سه بعدی. (ب) سلول Voronoi و تعاملات آن با همسایگانش [ 41 ].

شکل 7 . شبیه سازی جزر و مد جهانی با استفاده از نمودار ورونوی جنبشی: (الف) حالت اولیه. (ب) نتایج پس از یک زمان شبیه سازی معین [ 41 ].

(الف) (ب)

شکل 8 . (الف) نمودار ورونوی مجموعه ای از نقاط در صفحه. نقطه p هفت سلول مجاور دارد. (ب) دو سلول Voronoi مجاور یکدیگر در R3 [ 42 ] .

• نمودار ورونوی از نظر پیچیدگی اجرای آن در دنیای واقعی دارای محدودیت است. زمانی که شامل اشیاء فضایی سه بعدی پیچیده (یعنی پاره خط ها و چندضلعی ها و همچنین حجم ها در فضای سه بعدی) باشد، دشوارتر می شود. امروزه طرح‌های معماری پیچیده‌تر هستند و نیاز به مدل‌سازی دقیق برای یکپارچگی داده‌ها دارند.

• مصطفوی، بنی و هینس مالت [ 16 ] در مقاله خود تأکید می کنند که مسائل مربوط به اجرای نمودار ورونوی به موارد پیچیده و انحطاط مربوط به اجرای نمودار ورونوی مربوط می شود که در برخی موارد استحکام آن را محدود می کند.

• یکی دیگر از محدودیت های کاربرد نمودار ورونوی بیشتر مربوط به کارتل شدن پدیده های دنیای واقعی با استفاده از نمودار ورونوی است. اگر تفکیک مکانی و زمانی گسسته‌سازی پدیده‌های دینامیکی و تعیین مقادیر اولیه و شرایط مرزی به درستی انجام نشود، نتایج فرآیند شبیه‌سازی ممکن است متفاوت باشد و غیرقابل قبول باشد.

در همین حال Boguslawski، Gold و Ledoux [ 43 ] یک ساختار داده توپولوژیکی جدید را ارائه کردند ( شکل 9 )، نیمه لبه دوگانه (DHE)، که توپولوژی ساختمان های سه بعدی و زمین اطراف را نشان می دهد. این بر اساس ایده ذخیره همزمان یک نمودار در فضای سه بعدی و نمودار دوگانه آن است.

DHE از نیم لبه ها برای نشان دادن هر چند وجهی استفاده می کند. این شامل جفت نیمه لبه است، یکی در فضای اولیه (he) و دیگری در فضای دوگانه (he.D). هر دو فضای اولیه و دوگانه با هم مرتبط هستند. سایر عناصر مهم در ساختار داده پایه اشاره گرها هستند. برای هر نیم یال نشانگرهای خود را تشکیل می دهد: به یک راس (he.V); به نیم لبه جفت شده که طرف مقابل لبه را تشکیل می دهد (he.S)؛ به نیمه یال بعدی در اطراف راس مرتبط (he.N V )؛ و به نیمه لبه بعدی در اطراف صورت خود (he.N F ). قسمت اولیه شامل یک اشاره گر حلقه در اطراف صفحه یک سلول واحد و قسمت دوگانه شامل یک اشاره گر در اطراف صورت در فضای دوگانه است. پیشنهاد شده

شکل 9 . ساختار داده مبتنی بر اشاره گر DHE. گراف اولیه (خطوط جامد) به طور دائم با نمودار دوگانه (خطوط چین) متصل است. او – نیمه لبه اصلی; S، N V ، N F ، D، V- اشاره گر [ 43 ].

عملگرهای نوع اویلر برای ساخت تدریجی مدل‌های سه بعدی برای افزودن لبه‌ها، چهره‌ها و حجم‌ها به مدل و به‌روزرسانی ساختار دوگانه به طور همزمان هستند. سپس ساختار داده جدید با مدل های CityGML آزمایش می شود ( شکل 1 0 ). این تکنیک می تواند پرس و جوی مهم را مدیریت کند و نزدیک ترین نقطه (خروجی بیرونی به یک اتاق معین) را پیدا کند.

برای این ساختارهای داده محدودیت هایی وجود دارد. اشیاء فضایی سه بعدی برای CityGML معمولاً طراحی یکنواختی دارند و ایجاد روابط بین اشیاء درگیر نسبتاً آسان است. با این حال، وقتی صحبت از اشیاء فضایی پیچیده مانند ترکیبی از اشیاء چندگانه و غیر منیفولد به میان می‌آید، ساختار داده‌ای جدید یا بهبود یافته برای حفظ رابطه توپولوژی شی مورد نیاز است. محدودیت های متعددی در CityGML وجود دارد، اما ساختار داده DHE یک مقدار تحلیلی جدید به برنامه CityGML اضافه می کند.

5. بحث و جمع بندی

بحث‌های بخش‌های قبلی به تشریح تحقیقات دیگر در حوزه GIS سه بعدی، رابطه زمانی بین موجودیت‌ها، ساختار داده‌های سه بعدی و توپولوژی می‌پردازد. در زمینه اشیاء سه بعدی زمانی که در بخش 2 مورد بحث قرار گرفت، رویکردها در مدل سازی اشیاء سه بعدی زمانی از طریق انیمیشن، شبیه سازی یا روش نشان دادن زمان است. این بر اساس تجسم گرافیکی است.

علاوه بر این، بیشتر تحقیقات بر نحوه نمایش داده ها در هستی شناسی اطلاعات جغرافیایی زمانی (رابطه اشیاء پویا همانطور که در دنیای واقعی وجود دارند) تمرکز نکردند. روش مورد استفاده، بازیابی داده ها از داده های جدولی و سپس انجام شبیه سازی گرافیکی است. علاوه بر این، داده های جدید باید برای هر وقوع رویداد جدید ثبت شوند. این منجر به افزونگی داده‌ها شد و هر بار که داده‌های جدید در دسترس بود، شبیه‌سازی انجام می‌شد.

بررسی ساختار داده های سه بعدی موجود نشان می دهد که بیشتر ساختار داده بر حفظ توپولوژیکی آن متمرکز شده است

شکل 1 0. مدل یک خانه بازسازی شده از فرمت CityGML با استفاده از ساختار داده DHE [43].

روابط بین اشیاء (یعنی رابطه توپولوژی بین لبه ها، راس ها، منحنی ها و سطوح). این نوع ساختار داده برای اجرای یک شی 3 بعدی زمانی کافی نیست. یک شی 3 بعدی زمانی شامل یک رابطه بین موجودات، مانند هندسه شی و توپولوژی مجاور آن است. تحقیقات بیشتر باید بر روی هندسه شی در سطح ساختار داده متمرکز شود. علاوه بر این، داده های زمانی باید شامل یک عنصر زمانی در پیاده سازی پایگاه داده باشند تا وقایع رخ داده را بتوان در یک پایگاه داده ساختاریافته تعریف شده ثبت کرد. انتخاب پایگاه داده (پایگاه‌های اطلاعاتی زمان معتبر، پایگاه‌داده‌های زمان تراکنش یا پایگاه‌های اطلاعاتی دوزمانی) می‌تواند برای مشاهده مزایا و محدودیت‌ها در اجرای پایگاه‌داده فضایی سه‌بعدی برای یک شی زمانی تأیید شود.

از آنجایی که رابطه داده های سه بعدی واقعی در دنیای واقعی پیچیده است، ساختار داده باید برای اشیاء پیچیده سه بعدی پیاده سازی شود. تحقیقات فعلی اجرای ساختارهای داده را بر اساس یک شی یکنواخت و کمتر مطالعه برای شی پیچیده و همچنین ترکیبی از اشیاء یکنواخت با اشیاء پیچیده را مشاهده می کند. رابطه بین این اشیاء در مدیریت این اشیاء زمانی برای تحلیل فضایی مورد نیاز است.

به عنوان نتیجه گیری، نیاز به مطالعات بیشتر در مدیریت داده های مکانی زمانی سه بعدی وجود دارد. همانطور که توسط نویسندگان بیان شده است، مسائلی از سناریوهای موجود وجود دارد و باید مورد مطالعه قرار گیرد. علاوه بر این، مدیریت اشیاء سه بعدی زمانی در بسیاری از زمینه های دیگر مانند در زمینه هایی که نیاز به نظارت سه بعدی، برنامه ریزی سه بعدی، مدیریت بلایا و سایر زمینه های کاربردی حیاتی دارند، مفید است.6. تقدیر و تشکرUznir Ujang، مستعار عبدالرحمن بودجه عمده برای این تحقیق توسط وزارت آموزش عالی مالزی و تا حدی توسط هیئت نقشه برداران زمین مالزی تامین شده است.

منابع

  1. J. Behley و V. Steinhage، “نسل مدل های شهر سه بعدی با استفاده از ترکیب اطلاعات خاص دامنه”، در: M. Fritz, B. Schiele and JH Piater, Eds., Computer Vision Systems Proceedings, Springer-Verlag, Berlin, 2009 ، صص 164-173.
  2. B. Jin و F. Bian، “مطالعه روی تجسم مدل شهر سه بعدی بر اساس سرویس شبکه”، Jisuanji Gongcheng/ مهندسی کامپیوتر، جلد. 32، شماره 4، 1385، صص 217- 235.
  3. LF Liu و JY Fang، “رویکردی تسریع شده برای ایجاد شهرهای وب سه بعدی”، Ieee، نیویورک، 2009.
  4. M. Freitas، AA Sousa و A. Coelho، “ارزیابی ویژگی های تجسم در خدمات تلفن همراه مبتنی بر مکان سه بعدی”، Insticc-Inst Syst Technologies Information Control & Communication، Setubal، 2009.
  5. ZP Zhang، JT Fang و RH Jing، “تجسم تعاملی مدل های شهر سه بعدی بر اساس جریان تطبیقی ​​داده های 3D-GIS”، Ieee Computer Soc، Los Alamitos، 2009.
  6. M. Over, A. Schilling, S. Neubauer and A. Zipf, “Generating Web-based City Models 3D from OpenStreetMap: The Current Situation in Germany” Computers, Environment and Urban Systems, Vol. 34، شماره 6، 2010، صفحات 496-507. doi:10.1016/j.compenvurbsys.2010.05.001
  7. A. Toshev، P. Mordohai و B. Taskar، “تشخیص و تجزیه معماری در مقیاس شهر از داده های محدوده”، مجموعه مقالات بیست و سومین کنفرانس IEEE در مورد دید کامپیوتری و تشخیص الگو، CVPR 2010، سانفرانسیسکو، 13-18 ژوئن 1389، صص 398-405.
  8. N. Andrienko, G. Andrienko and P. Gatalsky, “Exploratory Spatio-Temporal Visualization: An Analytical Review,” Journal of Visual Languages ​​& Computing, Vol. 14، شماره 6، 1382، صص 503-541. doi:10.1016/S1045-926X(03)00046-6  [زمان(های استناد): 1]
  9. M. Erwig, R. Hartmut, M. Schneider and M. Vazirgiannis, “Spatio-Temporal Data Types: An Approach to Modeling and Querying Moving Objects in Databases,” GeoInformatica, Vol. 3، شماره 3، 1378، صص 269-296. doi:10.1023/A:1009805532638  [زمان(های استناد): 2]
  10. JA Entwistle، KJW McCaffrey و PW Abrahams، “تجسم سه بعدی (3D): کاربرد اسکن لیزری زمینی در بررسی شهرک های کشاورزی تاریخی اسکاتلند، مجله علوم باستان شناسی، جلد. 36، شماره 3، 1388، صص 860-866. doi:10.1016/j.jas.2008.11.018
  11. JO Lee، GC Yi، YS Kim و KJ We، “نقشه بندی طبقه بندی تالاب های سه بعدی منطقه Eulsukdo با استفاده از داده های LiDAR”، مجله انجمن کره ای نقشه برداری ژئودزی فتوگرامتری و کارتوگرافی، جلد. 27، شماره 6، 1388، صص 639-647.
  12. E. Ayhan، O. Erden و E. Gormus، “پایش سه بعدی توسعه شهری با استفاده از عکس های هوایی تصحیح شده و تصاویر ماهواره ای با وضوح بالا”، مانیتورینگ و ارزیابی محیطی، جلد. 147، شماره 1-3، 1387، صص 413-421. doi:10.1007/s10661-007-0129-x
  13. Z. Hong، N. Cong، L. Zhang و B. Ai، “پایش سه بعدی یخ برف در فلات چینگهای-تبت – موردی از گلاداندونگ”، دومین کنفرانس بین المللی مشاهده زمین برای تغییرات جهانی، چنگدو، 9 اکتبر 2009 ، صص 1-8.
  14. S. Nadi و RD Mahmoud، “مدلسازی فضایی-زمانی پدیده های دینامیکی در GIS”، ScanGIS’2003—مجموعه مقالات نهمین کنفرانس تحقیقاتی اسکاندیناوی در علم اطلاعات جغرافیایی، اسپو، 4-6 ژوئن 2003، صفحات 302-313.   [زمان(های استناد): 3]
  15. MF Goodchild، M. Yuan و TJ Cova، “Towards a General Theory of Geographic Representation in GIS” International Journal of Geographical Information Science, Vol. 21، شماره 3، 1386، صص 239-260.   [زمان(های) نقل قول: 7]
  16. MA مصطفوی، LH Beni و K. Hins-Mallet، “بازنمایی فرآیندهای فضایی پویا با استفاده از نمودارهای ورونوی: تحولات اخیر،” مجموعه مقالات ششمین سمپوزیوم بین المللی 2009 در نمودارهای ورونوی، کپنهاگ، 23-26 ژوئن 2009، 23-26 ژوئن 2009، صص.   [زمان(های استناد): 2]
  17. دبلیو آسودو و پی ماسوکا، «تکنیک‌های انیمیشن سری زمانی برای تجسم رشد شهری»، رایانه‌ها و علوم زمین، جلد. 23، شماره 4، 1376، صص 423-435. doi:10.1016/S0098-3004(97)00006-X   [زمان(های) نقل قول: 1]
  18. S. Nadi و MR Delavar, “Toward a General Spatio Temporal Database Structure for GIS Applications,” International Simposium on Spatio-Temporal Modeling, Spatial Reasoning, Spatial Reasoning, Analysis, Data Mining and Data Fusion, University Peking, Beijing, 2005, pp. -3.   [زمان(های استناد): 1]
  19. W.-J. گائو، جی.- ایکس. Zhang، Q. Yan و L. Pang، “مطالعه مدل داده های مکانی-زمانی و تکنیک تجسم”، سمپوزیوم بین المللی در مورد مدل سازی مکانی-زمانی، استدلال فضایی، تجزیه و تحلیل، داده کاوی و ترکیب داده ها (ISPRS)، دانشگاه پکن، پکن، 1384، ص 1-2.   [زمان(های استناد): 1]
  20. RN Çelik، NN Uluğtekin و C. Güney، “رویکرد پایگاه داده مرجع 4 بعدی جغرافیایی برای GIS”، هفته کاری FIG 2004، آتن، 22-27 مه 2004، صفحات 1-8.   [زمان(های استناد): 1]
  21. P.-P. دو، دبلیو.-پی. لی، اس.-ایکس. سانگ، L.-X. وانگ و X.-Z. ژو، “کاربرد مدل لایه مفهومی تجسم سه بعدی برای سیستم شاخص متان بستر زغال سنگ”، Procedia Earth and Planetary Science، جلد. 1، شماره 1، 1388، صص 977-981. doi:10.1016/j.proeps.2009.09.151
  22. H. Qu، J. Li and M. Pan، “مدلسازی زمین شناسی شهری سه بعدی و کاربردهای آن”، هجدهمین کنفرانس بین المللی ژئوانفورماتیک، پکن، 18-20 ژوئن، 2010، صفحات 1-6.
  23. Z. Xu, XF Wu, G. Zhu and H. Yan, “Modeling 3D of Ground Water Based on Volume Visualization Technology,” در X. Tang, Y. Liu, J. Zhang and W. Kainz, Eds., Advances in Spatio -تحلیل زمانی، گروه تیلور و فرانسیس، 2008، صص 163-168.
  24. X. Liu، W. Liu و J. Hu، “تجزیه و تحلیل و شبیه سازی دینامیکی غرقاب باران شهری”، ششمین سمپوزیوم بین المللی زمین دیجیتال: پردازش داده ها و کاربردها، پکن، 9-12 سپتامبر 2009، 7 ص.   [Citation Time( s): 1]
  25. A. عبدالرحمن و M. Pilouk، “مدل سازی داده های مکانی برای 3D GIS،” Springer، برلین، هایدلبرگ، 2008.   [Citation Time(s):2]
  26. CM Gold، “ساختارهای داده برای GIS پویا و چند بعدی”، چهارمین کارگاه ISPRS در مورد GIS پویا و چند بعدی، Pontypridd، 5-8 سپتامبر 2005، صفحات 36-41.   [زمان(های استناد): 2]
  27. TJ Cova، “Dynamic GIS: In Search of the Killer App”، 2006. https://ncg.nuim.ie/content/events/posters/cova-ngc-2006.pdf   [Citation Time(s):1]
  28. N. Käyhkö، N. Fagerholm، BS Asseid و AJ Mzee، “تغییرات پویای کاربری زمین و پوشش زمین و تاثیر آنها بر منابع جنگلی در روستای ساحلی ماتموه، زنگبار، تانزانیا”، سیاست کاربری زمین، جلد. 28، شماره 1، 1390، صص 26-37. doi:10.1016/j.landusepol.2010.04.006   [Citation Time(s):1]
  29. جی. وینس، “هندسه برای گرافیک کامپیوتری: فرمول ها، مثال ها و اثبات ها”، اسپرینگر، 2004.   [زمان(ها):2]
  30. IO f. S. ISO، “ISO/TC 211 اطلاعات جغرافیایی/ ژئوماتیک”، سازمان بین المللی استاندارد، سوئیس، 2009، صفحات 1-98.   [زمان(های استناد): 1]
  31. A. Stefanidis، K. Eickhorst، P. Agouris و P. Partsinevelos، “مدل سازی و مقایسه تغییر با استفاده از مارپیچ های فضایی-زمانی”، مجموعه مقالات یازدهمین سمپوزیوم بین المللی ACM در مورد پیشرفت در سیستم های اطلاعات جغرافیایی، نیواورلئان، 7-8 نوامبر 2003، . 86-93.
  32. G. Fu، C. Jones و A. Abdelmoty، “ساخت یک هستی شناسی جغرافیایی برای جستجوی فضایی هوشمند در وب”، مجموعه مقالات کنفرانس بین المللی IASTED در پایگاه های داده و برنامه ها، اینسبروک، 14-16 فوریه، 2005، صفحات 167-172 .   [زمان(های استناد): 1]
  33. پی. گرنون و بی. اسمیت، “SNAP و SPAN: به سوی هستی شناسی فضایی پویا”، شناخت فضایی و محاسبات: مجله بین رشته ای، جلد. 4، شماره 1، 1383، صص 69-104.   [زمان(های استناد): 1]
  34. I. Mohamad Yusoff، M. Uznir Ujang و A. Abdulrahman، “3D Volumetric Soft Geo-Objects for Dynamic Urban Runoff Modeling” در: T. Neutens and P. Maeyer, Eds., Developments in 3D Geo-Information Sciences, اسپرینگر، برلین، هایدلبرگ، 2010، ص 200-219.   [زمان(های استناد): 3]
  35. K. Ramamritham, SH Son and LC DiPippo, “RealTime Databases and Data Services,” Real-Time Systems, Vol. 28، شماره 2-3، 1383، صص 179-215. doi:10.1023/B:TIME.0000045317.37980.a5
  36. Y. Wu, S. Jajodia and X. Wang, “Temporal Database Bibliography Update,” Temporal Databases: Research and Practice, Vol. 1399، شماره 1، 1377، صص 338-366.
  37. N. Edelweiss, J. de Oliveira and B. Pernici, “An Object-Oriented Approach to a Temporal Query Language,” Database and Expert Systems Applications, Vol. 856، شماره 1، 1373، صص 225-235. doi:10.1007/3-540-58435-8_187   [زمان(های) نقل قول: 1]
  38. CS Jensen و RT Snodgrass، “Temporal Projection”، دایره المعارف سیستم های پایگاه داده، 2009، صفحات 3008-3008.   [زمان(های استناد): 1]
  39. K. Torp، CS Jensen و RT Snodgrass، «مهرگذاری زمانی مؤثر در پایگاه‌های داده»، مجله VLDB، جلد. 8، شماره 3-4، 2000، صص 267-288. doi: 10.1007/s007780050008
  40. H. Darwen، «پیشنهادهای زمان معتبر و زمان معاملات: جنبه‌های طراحی زبان»، پایگاه‌های داده زمانی: پژوهش و عمل، جلد. 1399، شماره 1، 1377، صص 195- 210.
  41. MA مصطفوی، LH Beni و M. Gavrilova، “3D Dynamic Scene Surveillance and Management Using 3D Kinetic Spatial Data Structure,” The International Conference on Advanced Geographic Information Systems & Web Services, GEOWS 2009, Cancun, 1-7 فوریه 2009, pp. 45-53.   [زمان(های استناد): 3]
  42. H. Ledoux, “The Kinetic 3D Voronoi Diagram: A Tool for Simulating Environmental Processes” در: P. Oosterom, S. Zlatanova, F. Penninga and EM Fendel, Eds., Advances in 3D Geoinformation Systems, Springer, Berlin, Heidelberg ، 1387، صص 361-380.   [زمان(های استناد): 2]
  43. P. Boguslawski، CM Gold و H. Ledoux، “مدل سازی و تجزیه و تحلیل ساختمان های سه بعدی با ساختار داده اولیه/دوگانه،” ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. 66، شماره 2، 1390، صص 188-197. doi:10.1016/j.isprsjprs.2010.11.003   [Citation Time(s):3]

مقالات داخلی و بین المللی

مطالب مرتبط ...

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید