Μοντέλα Χώρου-Χρόνου για την περιγραφή Γεωγραφικών Φαινομένων σε Χωρικές Πληροφοριακές Υποδομές

Abstract

Η σύνθετη φύση του Χρόνου και της Μεταβολής συνεχίζουν να καθιστούν το σχεδιασμό χώρο-χρονικών μοντέλων ως ένα σύνθετο ζήτημα, αν και έχουν πραγματοποιηθεί σημαντικές ερευνητικές εξελίξεις. Παράλληλα, η σύγχρονη τάση στην καταγραφή των γεωγραφικών φαινομένων επιβάλει την συνεκτική και ευρέως προσπελάσιμη περιγραφή τους υπό τη μορφή Υποδομών Χωρικών Πληροφοριών (Spatial Data Infrastructures – SDIs). Σκοπός της παρούσας Διατριβής είναι η διερεύνηση της επέκτασης των Εννοιολογικών Μοντέλων που προδιαγράφονται σε Υποδομές Χωρικών Πληροφοριών, έτσι ώστε να αποδίδουν τη Χώρο-Χρονική συμπεριφορά των Οντοτήτων, και να δίνουν τη δυνατότητα εκτέλεση εργασιών Χώρο-Χρονικής Ανάλυσης. Συγκεκριμένα, δόθηκε έμφαση στην επέκταση του Γενικευμένου Εννοιολογικού Μοντέλου που εφαρμόζεται στην Ευρωπαϊκή Υποδομή Χωρικών Πληροφοριών (INSPIRE), ώστε να συμπληρωθεί με ένα Base Model, το οποίο να μπορεί να χρησιμοποιεί επικουρικά κατά τη σύνταξη των εξειδικευμένων Μοντέλων Δεδομένων (Application Schemas) των 34 Θεματικών Επιπέδων της Οδηγίας. Αν και το Γενικευμένο Εννοιολογικό Μοντέλο του INSPIRE προβλέπει χαρακτηριστικά και UML στερεότυπα για την καταγραφή της χρονικής πληροφορίας, δεν διαθέτει πλήρες Base Model για απόδοση των αντικειμένων ως χώρο-χρονικά. Στην παρούσα διατριβή, αφενός τεκμηριώνονται και αξιολογούνται τα μοντέλα χωρικής αναπαράστασης που υιοθετούνται από τα διεθνή πρότυπα και τις σύγχρονες Χωρικές Υποδομές, και αφετέρου, εισάγονται έννοιες σε ένα μοντέλο το οποίο να είναι ικανό να αντιμετωπίσει χρονικά ζητήματα. Ο στόχος είναι να τυποποιηθούν αυτές οι έννοιες σε ένα ενοποιημένο μοντέλο βάσης δεδομένων, ικανό να διαχειρίζεται όχι μόνο χωρικά ζητήματα, αλλά και τη μεταβολή των φαινομένων. Από την ανάλυση των εξειδικευμένων Application Schemas του INSPIRE εντοπίζονται βασικές απαιτήσεις χώρο-χρονικής ανάλυσης σε εφαρμογές. Αφού διερευνάται η αποτελεσματικότητα των διαθέσιμων δυνατοτήτων αναπαράστασης των χρονικών ιδιοτήτων της Οδηγίας για να αντιμετωπιστούν οι απαιτήσεις αυτές, καθορίζεται η έννοια των Χώρο-Χρονικών Μονάδων (Spatiotemporal Units - STUs) και περιγράφεται η επέκταση του ΓΕΜ του INSPIRE ώστε να συμπεριλάβει την Ταυτότητα και τη Χρονική Μεταβολή. Τα STUs μπορούν να υποβληθούν σε 4 μοναδιαίες μεταβολές, και αυτό αξιοποιείται για να συστηματοποιηθεί ο τρόπος εντοπισμού των ευρύτερων Μεταβολών στα application schemas. Έχοντας ορίσει τις Χώρο-Χρονικές Μονάδες, εξετάζεται η συνεισφορά του προτεινόμενου μοντέλου, με το πώς μπορούν εξυπηρετήσουν τα STUs τις διαδικασίες χώρο-χρονικής Ανάλυσης μέσω των δεδομένων ενός SDI. Ανάγονται οι χρονικές ιδιότητες με τρόπο όμοιο με των χωρικών, ώστε να εκφραστούν έννοιες όπως η Κλίμακα, η Ακρίβεια, η Οπτικοποίηση, και η Γενίκευση, και εξετάζεται ο βαθμός συνεισφοράς των Χώρο-Χρονικών Μονάδων. Ειδικά για την περίπτωση της Χώρο-Χρονικής Εννοιολογικής Γενίκευσης, καθορίζονται τέσσερεις (4) τελεστές, οι οποίοι περιγράφουν πως μπορεί να αλλάξει η χρονική κλίμακα των δεδομένων για ανάγκες ανάλυσης. Τέλος, το προτεινόμενο μοντέλο αξιοποιείται και αξιολογείται σε επίπεδο συγκεκριμένων εφαρμογών, καθώς δοκιμάζεται η υιοθέτηση των STUs ως τύπων αντικειμένων σε ισχύοντα application schemas του INSPIRE

The complex nature of Time and Change continues to render spatiotemporal modeling a complex issue, although there have been significant research developments. Moreover, the current trend in geographical phenomena representation, calls for a coherent and widely accessible description of their characteristics in the form of Spatial Data Infrastructures (SDIs). The purpose of this Ph.D. thesis is to research possible extensions of the conceptual models specified in Spatial Data Infrastructures, in order to better describe the spatiotemporal behavior of entities, and to enable Spatiotemporal Analysis procedures. In particular, emphasis was placed on expanding the Generic Conceptual Model (GCM) specified by the European SDI (INSPIRE), in order to present a Base Model, which can be used in a complementary way for the development of specialized Application Schemas regarding the 34 Themes of the Directive. Though the Generic Conceptual Model of INSPIRE provides feature types and UML stereotypes suitable for temporal information, there is no Base Model to fully describe objects in space and time. The thesis starts with an overview and evaluation of recent spatiotemporal models and views adopted by International Standards and modern SDIs, aiming to specify fundamental concepts for a model that will be able to deal with all temporal issues. The goal is to formalize these concepts into a unified conceptual model, able to manage not only spatial issues, but also the Change of phenomena. By analyzing the INSPIRE Themes’ Application Schemas, key requirements are identified, concerning spatiotemporal analysis in related applications. First, the effectiveness of the available capabilities in INSPIRE GCM is investigated, in order to address these requirements. Then, the concept of Spatiotemporal Units (STUs) is defined, as an extension of INSPIRE GCM to facilitate Object Identity and Change representation. The STUs can undergo four basic changes, a fact that is utilized to systematically identify whether broader Object changes are Essential or not. Having defined the Spatiotemporal Unit, the thesis continues with further research on the proposed model, to examine how the STUs serve spatiotemporal analysis procedures on SDI data sets. Traditionally spatial concepts, such as scale, accuracy, visualization and generalization, are regarded by a spatiotemporal point of view, to examine the contribution of Spatiotemporal Units can make. Especially in the case of spatiotemporal Generalization, four (4) semantic operators are defined, which describe how to facilitate temporal scale change, to serve spatiotemporal analysis needs. Finally, the proposed model is utilized and evaluated in terms of practical applications, by testing the use of STU feature types in existing INSPIRE application schemas.