Modèle de base de données spatio-temporelles

Un modèle de base de données (ou modèle de données) est un ensemble de concepts et de règles permettant de décrire les structures et les caractéristiques d’intérêt par rapport au monde réel considéré. Il permet de spécifier les propriétés structurelles d’une base de don- nées et, de façon idéale, doit fournir un langage permettant à l’utilisateur et au concepteur de la base de données d’exprimer leurs besoins tout en permettant leur implémentation [Worboys et al., 1990]. Ce langage permet de formuler des requêtes. Il doit être générique, complet, correct, extensible, et fournir un ensemble d’opérateurs.

D’après [Abraham and Roddick, 1999], l’utilisateur de données spatio-temporelles veut obtenir des réponses à des requêtes sur l’état de la base de données à différents instants, la localisation d’objets et de phénomènes, leur histoire, l’occurence d’événements, etc. Ces requêtes sont de trois types : spatiales (localisation, propriétés, et relations), temporelles (temps, propriétés, et relations) et spatio-temporelles (comportement et relations). Les requêtes spatio-temporelles sont classées en trois catégories : les requêtes simples (état d’une entité à un instant), les requêtes sur des durées spatio-temporelles ("qu’arrive-t-il à tel objet sur telle période ?"), et les requêtes de comportement (vitesse d’un objet, vitesse maximale, distance parcourue, expansion maximale, etc).

Il existe différents modèles de base de données, allant du plus simple, permettant de répondre à des requêtes concernant exclusivement les données stockées [Langran and Chris- man, 1988] à d’autres, plus complexes, permettant de répondre à des requêtes nécessitant des raisonnements ou des combinaisons des objets stockés.

Figure 2.1 – Typologie des processus spatio-temporels proposée dans [Claramunt and Thériault, 1995]

Fusion Divition

Figure 2.2 – Six changements proposés par le modèle de graphe d’histoire de [Renolen, 1996]. Les objets statiques sont représentés par des rectangles de longueur liée à la durée (un état instantané de durée nulle sera représenté par un carré), et les événements sont re- présentés par des ellipses de longueur liée à la durée (un cercle correspond à un changement soudain). Ces objets constituent les nœuds du graphe d’histoire, et les arcs représentent des relations de succession. Ce modèle considère six types de changements correspondant à différentes contraintes de cardinalité.

Nous avons vu qu’il existe différents types de changements : les événements, et les processus. Certains modèles proposent de modéliser les événements comme des entités à part entière [Peuquet, 1994, Peuquet and Duan, 1995, Frank, 1994, Langran, 1992, Reno- len, 1996]. Cette modélisation permet d’une part de répondre facilement à des requêtes concernant des événements, et d’autre part d’accéder à l’histoire de la scène en rejouant successivement les différents événements. [Frank, 1994] propose aussi une modélisation par événements, et les événements qu’il considère sont de type apparition et disparition de frontières. Les événements considérés par [Langran, 1992] sont des cartes d’amendements. [Renolen, 1996] propose un modèle, le graphe d’histoire permettant de prendre en compte à la fois des événements instantanés, des changements progressifs et des états d’objets. On peut ainsi décrire quatre types de changements : les processus, les états statiques, les événements instantanés, et les événements qui durent. Le graphe d’histoire de la base de données est une représentation graphique de ces changements (voir figure 2.2). Ce modèle permet donc de gérer à la fois des événements et des états. De plus, le temps est décrit de façon à la fois continue et discrète et les changements considérés incluent les déplacements. Enfin, les relations temporelles sont explicites et le modèle répondra donc rapidement à des requêtes temporelles.

L’un des principaux défis pour les bases de données spatio-temporelles est de capturer la persistence d’un objet de façon à pouvoir répondre à des requêtes concernant les évolutions d’un objet. Cependant, au cours du temps, les attributs spatiaux et thématiques d’un objet peuvent évoluer. En conséquence, les identifiants changent, et leur persistance est difficile à capturer.

L’information temporelle a été incorporée aux GIS en ajoutant un attribut temporel aux couches thématiques [Armstrong, 1988], aux attributs [Langran and Chrisman, 1988, Langran, 1992], et aux objets spatiaux [Worboys, 1992]. [Worboys, 1992] considère une par- tition de l’espace spatio-temporel par des cylindres spatio-temporels dont la section peut

changer brutalement. Cette représentation présente une cohérence temporelle contraire- ment au modèle composite espace-temps (STC) de [Langran and Chrisman, 1988] ou au modèle snapshot de [Armstrong, 1988] de sorte que des requêtes concernant les évolutions d’un objet particulier peuvent être traitées. Cependant, comme le note [Yuan, 1999], la cohérence temporelle étant liée à une position spatiale, les requêtes de types mouvement ne peuvent être prises en compte. De plus, les requêtes temporelles sont restreintes aux entités possédant un attribut temporel de sorte que des requêtes simplement temporelles ou simplement spatiales sont plus compliquées.

L’identifiant des objets dépend du point de vue. Ainsi, on peut s’intéresser aux chan- gements thématiques ou aux changements spatiaux en une position spatiale fixée, mais aussi aux changements thématiques ou spatiaux d’une entité. [Yuan, 1999] propose donc de séparer les trois aspects présents dans une base de données spatio-temporelle : le temps, l’espace, et la thématique de façon à pouvoir s’intéresser aux changements de l’un, les autres étant fixés, ou aux changements de plusieurs d’entre-eux simultanément. Le modèle proposé est un graphe constitué de trois types d’objets, spatiaux, sémantiques, et tempo- rels, et d’un arbre représentant les relations d’aggrégation des différents objets spatiaux de façon à connaître la persistence des objets spatiaux. Les objets temporels ont des attributs permettant de caractériser des processus, par exemple une transformation, de sorte que les changements brutaux ne soient possibles que par les liens dans le graphe.

[Güting et al., 2000] propose un modèle permettant de prendre en compte les évolutions continues d’objets, et particulièrement les déplacements. Il propose pour cela une générali- sation des types de données spatiales à la dimension temporelle. Il définit ainsi le type réel mobile, point mobile, ligne mobile et région mobile. Pour chacun de ces types, il définit des opérations, et un langage de requête associé. On peut ainsi tester les instants pour lesquels un point mobile est à l’intérieur d’une région mobile, ou encore calculer la distance entre deux points mobiles (qui est un réel mobile). Dans ce cas, le temps est modélisé comme une part intégrante des objets.