我国是世界上自然灾害最严重的国家之一，而在各类自然灾害中，70％以上是天气气候灾害。为了减轻天气气候灾害造成的损失，急需研究和开发面向气象应用的时态GIS，以搭建气象防灾减灾决策支持业务的基础平台。时态GIS是GIS未来发展的必然趋势，而时空数据模型始终是发展时态GIS的主要技术瓶颈之一。 本文结合气象应用的实际，从地理空间认知原理和地理时空表达方法入手，提出了一种新的时空数据建模策略，称为基于位形分离的时空数据建模，可简称为位形分离建模(PSSM)。位形分离建模的基本思想是：将一个地理实体看成三维空间中的一个运动对象，其位置和形状之间往往没有内在的、本质的、必然的联系，因而可以将它们分离表达、独立模拟；地理实体的位置和形状随时间而发生的各种变化通常有着不同的诱因和驱动力，因而有着不同的物理机制、代表不同的物理意义并遵循不同的物理规律，所以只有将它们分别建模才能很好地揭示一个复杂运动变化过程中所隐含的物理实质与内在规律，从而更好地回溯过去和预测未来。位形分离建模的基本原理和实施步骤是：首先，将地理实体的空间属性划分为定位属性和定形属性两部分，前者代表空间属性的运动分量，用一个固定在地理实体上随地理实体一起运动的局地坐标系来表示，后者代表空间属性的形变分量，用局地坐标系中的局地坐标来表示；然后，将定位属性进一步划分为位置和方向两部分，前者描述地理实体的平移运动，用局地坐标系的原点表示，后者描述其旋转运动，用局地坐标系中各坐标轴的方向来表示；第三步，把地理实体的时态属性以时间戳的形式加在其空间位置上，称之为时空位置(Spatio—Temporal Position)，它代表地理实体在四维时空中的定位；按时间先后顺序排列的时空位置点序列称为时空迹线(Spatio—TemporalTrace)，它是地理实体在四维时空中的运动轨迹，同时也是时空插值、分析、推理与预测的基础；最后，对地理实体的平移、旋转、变形(含比例缩放)和非空间属性变化分别进行模拟，它们的组合即构成了对一个完整的时空动态过程的模拟。这种模拟策略的实质是把时空模拟分解成了“定位(Positioning)”、“定向(Orientating)”、“定形(Shaping)”和“定性(Attributing)”四个方面，从而大大降低了时空模拟的复杂度，而且整个模拟过程物理意义清晰，逻辑分明，既有利于构建时空语义丰富的时空数据模型，又有利于减少时空数据库中的数据冗余。将地理实体的位置和形状进行分离的依据，是本文提出的一种新的地理空间认知原理，称之为位形分离认知原理，它是本文的理论基石。位形分离认知原理可以表述为：人们在对动态地理实体和动态地理现象进行认知时，按照人类对动态过程的认知机理以及人类的认知习惯，通常会将它的位置和形状视为独立的空间属性，而将其位置和形状的变化分割开来考虑，并把其平移、旋转、变形(含比例缩放)以及非空间属性的变化等按照常识和经验即可准确理解的运动变化分量当作一些独立无关的时态事件来理解，而把它们叠加的综合效果作为对整个动态过程的认知结果。 本文认为，要很好地模拟现实世界就必须在数据模型中清晰地表达各种运动和变化的物理意义以及它们彼此之间的各种逻辑关系和因果联系。传统地理信息系统以静态的眼光看待世界，把地理实体的空间属性信息笼统地表达为一组空间坐标，这种模拟方案自然无法显式地表达地理信息的时空语义。要做到这一点就必须抛弃传统的做法，即改用动态的眼光来看待现实世界，以动态的认知原理来指导对现实世界的建模。把地理实体的空间属性信息分离表达为定位数据和定形数据两部分，同时相应地把它的空间属性变化分解为位置变化和形状变化两部分，符合动态认知原理的本质要求，这种模拟策略是突破时空动态模拟技术瓶颈的有效途径。制约着当前时空数据建模技术质的飞跃的理论局限性存在于现行的地理空间认知原理和与之相联系的地理表达方法之中。本文提出了一种将地理实体的空间属性进行分解表达的新的地理表达方法，称之为空间属性分解表达法(SDR)，它是构建时空数据模型的基础。所谓空间属性分解，是指将地理实体的空间属性分解为位置、方向、比例和形状的过程。在传统GIS所采用的表达法中，空间属性被笼统地表达为一组空间坐标，因而它无法揭示地理实体随时间运动变化的本质规律。本文用面向对象的方法设计并实现了一种语义丰富、物理意义清晰且数据冗余度低的时空数据模型。在深入研究该模型实现的关键技术的基础上，还进一步研制了一个基于该时空数据模型的时态GIS原型系统，从而验证了本文提出的理论原理和技术方法的有效性与实用性。