多维时空数据介绍（1）时空立方体创建及可视化

前言

时空立方体是Pro软件中用来表示时间与空间相结合的一类多维时空数据。使用时空立方体可以对时空数据进行可视化，并进行时间序列预测以及时空模式分析。

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操作平台：arcgis pro

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如何创建时空立方体？

构建时空立方体有三个方法，矢量数据分为两种情况，如果空间位置随时间变化，选择使用通过聚合点创建时空立方体；如果空间位置不随时间变化，选择通过已定义位置创建时空立方体；如果是栅格数据（多维栅格图层），选择使用通过多维栅格图层创建时空立方体。无论使用哪个工具构建，都需要首先生成NetCDF文件用于存储时空立方体，再加载并可视化时空立方体。

Pro中构建时空立方体的方法

这里我们依次解释一下工具中的参数以及时空立方体的概念。

1.通过聚合点创建时空立方体

如果数据是矢量点，且位置随着时间变化，例如犯罪事件、火灾、疾病客户的销售数据或者是交通事故等等，通常我们都在二维地图视图中将这些数据展点，并进行常见的空间统计及分析，从而探索位置接近的数据之间的相似性。但是如果想要分析或者预测事件的发展变化，就需要将时间因素考虑进来，时空立方体充分考虑到了这一点。

基于此需要在Z轴上使用时间维将数据拉开，再将数据聚合到一个个小的立方格中，小立方格中将会包含一定时间范围内在一定区域内的事件，这个时间范围就叫做时间步长间隔，区域就叫做距离间隔。

聚合点构建时空立方体

（1）时空立方体中的定义

小的立方格叫做条柱（bin）；同一区域不同时间的立方格集合叫做条柱时间序列（location）；不同区域同一时间的立方格集合叫做时间片（time slice）；条柱内的事件个数之和叫做计数（count）。立方体按照时间顺序，时间越早越靠下。

时空立方体中的定义

（2）趋势

时空立方体不仅可以统计条柱内的事件个数，还可以评估与时间相关的趋势。具体的实现思路是将第一个时间段的条柱值与第二个时间段的条柱值进行比较。如果前者小于后者，则结果为 +1。如果前者大于后者，则结果为 -1。如果二者相等，则结果为 0。对每对时间段的比较结果进行求和。预期的总和为 0，表示随着时间的推移，值中不存在趋势。计算条柱值的方差，将关联数、时间段数、观察的总和与预期总和 (0) 进行比较，以确定差异是否具有统计显著性。每个条柱时间序列的趋势将被记录为 z 得分和 p 值。p值越小越能表示趋势具有统计显著性。与 z 得分相关联的符号可确定趋势是条柱值随时间增加（正 z 得分）还是条柱值随时间减少（负 z 得分）。

趋势

（3）形状

通过聚合点创建时空立方体工具构建的时空立方体，除了条柱大小一致之外，条柱之间的距离也是相同的。条柱的形状除了可以是普通立方体，也叫作渔网，还可以是六边形或者自定义形状（例如行政区划等等）。

渔网六边形自定义形状

（4）汇总属性

在条柱中，除了统计事件数量之外，还可以汇总其他的属性，统计计算其平均值、总和、最大、最小值、标准差及中值。

对于包含其他汇总信息的时空立方体而言，可能出现某些条柱为空的现象。表示可能在这个位置的时间段并没有发生事件或者属性值本身为空。Pro在分析的时候会默认排除这些要素，这将会给最终结果的展示带来问题。所以需要对空条柱进行填充。

填充的方法包括设置0值-用零填充空立方图格

设置0值

空间相邻要素- 使用空间相邻要素平均值填充空立方图格

空间相邻要素

时空相邻要素-用时空相邻要素平均值填充空立方图格

时空相邻要素

时间趋势-使用一元样条插值算法填充空立方图格

时间趋势

（5）时间步长对齐

还有一个重要的参数是时间步长对齐，它是指构建立方体时间轴时，以哪个时间节点作为起点。时间步长对齐可以分为开始时间、结束时间和参考时间三种情况。我们以时间跨度从2018年3月22日到2018年4月16日的数据为例解释一下，假设时间步长间隔是3天。

结束时间是指以4月16日为节点启动，并以3天的时间增量向前开始聚合。第一个时间步长中三天中有两天是不存在数据的。

结束时间

开始时间是指以3月22日为节点启动，并以3天的时间增量向后开始聚合。

最后一个时间步长中，三天中有两天不存在数据。

开始时间

参考时间则是指时间步长与指定的特定日期/时间对齐。

往往我们在设置时间步长对齐时，会出现在开始或结束处将存在一个不具有跨越整个时间跨度内数据的时间步长，这可能会使结果产生偏差，像上述例子一样三天中有两天不存在数据的情况，叫做时间偏差，其值为66%。

通过聚合点创建时空立方体工具运行完成之后，将生成NetCDF文件，文件中的立方体变量为计数（count）。例如某区域一小时内发生的车祸数量。如果选择了汇总字段，立方体变量也包括汇总字段。例如某区域内一小时内车祸受伤的人数。

2.通过已定义位置创建时空立方体

如果数据是矢量，且位置不随着时间变化，例如监测站、气象站点、行政区划面等等，可以通过已定义位置创建时空立方体。

位置不随着时间变化的数据，分两种情况，一种是位置要素重复，且在要素中存储随着时间变化的属性。，另一种是位置要素不重复，在关联表中存储随时间变化的属性。

通过已定义位置构建的时空立方体，其条柱的形状跟输入要素的形状一致，如果输入是气象点，则生成的立方体为渔网形状的条柱，但与之前聚合点创建的时空立方体紧密相连不同，只在气象点的位置上有立方体，。如果输入是行政区划面，则生成的立方体形状与行政区划面类似。

通过已定义位置创建时空立方体

与聚合点创建时空立方体工具相比，通过已定义位置创建的时空立方体有如下不同：

（1）包含位置ID参数

用来表示每个唯一位置的 ID 编号

（2）没有对形状的设置

默认与要素的形状相同。

（3）包含变量字段

时空立方体中随时间变化的属性值字段，该字段必须为数值字段。

其他的参数概念相同。

通过已定义位置创建时空立方体工具运行完成之后，将生成NetCDF文件，文件中的立方体变量为变量字段。例如监测站点的监测值字段。

3.通过多维栅格图层创建时空立方体

通过多维栅格图层创建时空立方体的工具参数更为简单，前提是多维栅格图层需要有时间维。多维栅格图层的构建方法我们将在多维时空数据系列文章3中介绍，这里的参数只包括填充空立方图格的方法，与之前的矢量数据创建时空立方体的选项是相同的，就不再赘述。其生成的立方体的时间间隔与多维栅格图层的时间间隔相同。立方体的距离间隔与多维栅格图层的像元大小对应。

通过多维栅格图层创建时空立方体

通过多维栅格图层创建时空立方体工具运行完成之后，将生成NetCDF文件，文件中的立方体变量为栅格属性。例如PM2.5、温度等等。

4.注意事项

无论使用哪种方法创建时空立方体，有几个前提需要注意：

（1）时间步长间隔至少是10，数据过少，时空立方体创建的意义不大。

（2）输入数据坐标系应该为投影坐标系，方便后续测量距离，数据聚合等操作。

以上三个工具最终生成的结果都是NetCDF的文件，要想浏览生成的结果，就需要对时空立方体进行可视化。

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时空立方体的可视化

Pro中支持以 2D 和 3D 形式可视化存储在时空立方体中的变量。其目的是了解立方体的结构、立方体聚合过程的工作原理以及立方体聚合过程如何随着时间的推移使模式显示在感兴趣的特定位置。在Pro中不仅可以展示创建的时空立方体，还可以显示时空模式挖掘分析后的结果，其本质上是时空立方体基于变量生成的不同主题。可视化的工具分别是在 2D 模式下显示时空立方体和在 3D 模式下显示时空立方体。

不同方法生成的时空立方体在2D 和 3D视图中能够展示的主题是不同的。我们具体展开来说一下

先来看在 2D 模式下显示时空立方体。

1. 2D 模式下显示时空立方体

2D 模式下，用于显示时空立方体工具中的输入参数必须是上述三种创建时空立方体工具中生成的NetCDF文件，或者是上述NetCDF文件做过时空模式挖掘分析后的结果（做完分析的结果以主题的方式保存在原NetCDF文件或者以主题的方式存储在新的NetCDF文件）。

在2D模式下显示时空立方体工具

立方体变量是指创建立方体时选择的信息。对应于上述三个工具创建的变量。

显示主题参数则是显示所选立方体要展示的内容。可以是创建的时空立方体，也可以是做完分析的结果主题（例如完成新兴热点分析的结果）。

如果是聚合点创建的时空立方体，常见的立方体变量参数选择计数（count）。带有数据的位置（立方体变量有数据的位置）和趋势（显示值随时间推移而增大或减小的位置）主题将始终可用。估算的条柱数量和从分析中排除的位置主题仅适用于在立方体创建过程中包含的汇总字段。输出的结果是二维面数据，形状可能是渔网、六边形网格、定义形状。

聚合点创建的时空立方体使用二维趋势主题展示

如果是已定义位置创建的时空立方体，常见的立方体变量参数选择变量。趋势和估算的立方图格数量（填充的空立柱数量）主题将适用于在立方体创建过程中包含的汇总字段或变量。输出的结果是二维数据，形状可能是点或者定义的形状。

已定义位置创建的时空立方体使用二维趋势主题展示

如果是多维栅格图层创建的时空立方体，常见立方体变量参数选择栅格属性。带有数据的位置、趋势、估算的立方图格数量和从分析中排除的位置（与带有数据的位置相反）主题都将可用。输出的结果是二维面数据，形状是与像元大小对应的均匀渔网。

多维栅格图层创建的时空立方体使用二维趋势主题展示

其中，带有数据的位置主题使用统一的符号显示有数据的位置，效果一般，一般也不推荐使用。可以选择趋势主题展示。

其他的主题类似，这里就不再赘述。

2. 3D 模式下显示时空立方体

参数与2D 模式下显示时空立方体相同。

主要包括立方体变量和显示主题两部分。变量与2D 模式的一致。显示主题的数量要比2D 模式少。

在3D模式下显示时空立方体工具

默认显示值主题，它表示立方体变量的数值。

估算立方图格主题，则与2D模式中的估算的条柱数量使用情况相同，都会在立方体创建过程中包含的汇总字段时出现。

如果是聚合点创建的时空立方体，常见立方体变量参数选择计数（count）。值主题将始终可用。值主题表示条柱内出现的事件计数。输出的结果本质是三维点数据，其默认形状可能是立方体、中心六边形、定义形状体。这与创建立方体时的设置一致。

聚合点创建的时空立方体使用三维值主题展示

如果是已定义位置创建的时空立方体，常见立方体变量参数选择变量。值主题将始终可用。值主题表示条柱内的变量值。输出的结果本质是三维点数据，其默认形状可能是立方体或者定义形状体。这与创建立方体时的设置一致。

已定义位置创建的时空立方体使用三维值主题展示

如果是多维栅格图层创建的时空立方体，常见立方体变量参数选择栅格属性。值主题将始终可用。值主题表示条柱内的像元值。输出的结果本质是三维点数据，其默认形状是立方体。

多维栅格图层创建的时空立方体使用三维值主题展示

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