3.3-时空数据库技术解析

3.3时空数据库技术计算机学院赵传申内容目录3.3.1空间数据库简介3.3.2时空数据建模3.3.3时空数据索引3.3.4时空数据查询3.3.5时空数据库应用概述-时空数据库的产生伴随着信息化革命的深入发展，新的科学技术的发展同新世纪的脚步发展形影不离。在当今强劲发展的互联网世界，无线技术与定位技术相互结合，共同发展，使现在的应用程序能够处理移动的对象的位置数据，此如车辆、无线设备的用户、海上运输等。也有其他的一些非时空对象应用程序依靠无线定位技术来取样一些连续的、多维的变量信息。这类应用程序都建立在大量时空对象信息的收集的基础之上，于是空间一时间数据库(简称时空数据库)就产生了。时空数据库用来管理大量动态数据对象，在现在出现的大量处理动态对象的应用程序中越来越重要(比如，交通控制、气象监测、移动计算等)。概念时空数据库(Spatio-TemporalDataBases,STDB)在二十世纪八十年代末开始受到人们的重视。时空数据库是时态数据库(TemporalDataBases,TDB)与空间数据库(SpatialDataBases,SDB)的统一体，即包括时间与空间要素，主要用于存储与管理位置或形状随时间而变化的各类空间对象。研究内容时空数据库的研究内容相当丰富，主要涉及时空对象表达、时空数据建模、时空数据索引、时空数据查询、时空数据库体系结构等，同时时空数据库原型系统、时空推理、时空查询代价模型等也为时空数据库的研究带来了一定的挑战。时空数据库主要是针对对象的时空信息进行分析处理，它通常涉及时空对象表达、时空数据建模、时空数据库体系结构、时空数据查询和时空数据索引等几个方面的研究内容。空间数据库事物都有其时间和空间属性，一般数据库时间和空间属性都是隐含的（存储在数据表的一些列中）一些应用中，事物的空间信息需要成为人们的主要查询对象和处理内容。事物的空间信息，即事物在某个空间框架（例如地球表面）中的位置信息。如天文探测，GIS,城市规划等。面向这类应用的数据库系统必需在常规系统的基础上，增加空间数据类型及其相关操作，提供空间素材及面向空间应用的交互式图形界面，这样的数据库系统称为空间数据库。另外一些应用中，尽管数据本身不是空间数据类型，但却可以作为多维空间问题进行处理。例如多属性查询-多维空间的搜索，应用空间数据库技术，特别是空间索引技术。空间数据特征数据结构庞杂–简单的点、线空间对象，常常以集合为单位进行使用。–空间事物结构极其复杂。不规则的多维空间物体、分子结构–空间对象间的关系大多与应用有关，例如相交、平行、邻近、包含、覆盖、相切等难以定义空间顺序查询过程复杂空间数据类型点（Point）点只表示其空间位置线（Line）线不仅表示在线上各点在空间的位置，而且还有长度，即表示其在空间的延伸范围。区域（Region）区域不但有位置，而且有面积、周长等参数，以表示其覆盖范围。划分（Partition）一个区域分成若干分区。如果这些分区互不相交，但其并集覆盖该区域，则此分区的集合就称为该区域的一个划分。网络（Network）网络是由若干点和一些点与点之间的连线组成。空间数据类型的层次关系SDT空间数据类型的层次关系ADTZSNZSPTLNRGCDTNTWPTN空间数据操作空间数据谓词两个同类型空间数据是否相等（=或≠）空间数据SDT是否在区域RG中(INSIDE)两个大小非零的空间数据是否相交（INTERSECTS）两个区域是否邻接（IS-NEIGHBOR-OF）空间数据操作(续)空间数据的基本操作相交（线与线、线与区域、区域与区域）（Intersection）重叠(Overlap)中心点（Center）求线段或者区域的几何中心点数值计算（两点间距离、两空间图形的最大距离、最小距离、多点的直径、线的长度、区域的周长）空间数据操作(续)空间关系判断一维空间中线段的关系二维空间中边平行于坐标轴矩形间的关系。空间数据操作(续)空间关系代数运算空间选择空间连接空间数据操作(续)空间数据查询语言3.3.2时空数据建模时空变化的分类（1）基于属性建模属性突然变化属性渐进变化（2）基于位置建模位置突然变化位置渐进变化（3）同时基于属性与位置建模属性和位置突然变化属性和位置渐进变化属性突然变化而位置渐进变化属性渐进变化而位置突然变化时空数据模型时空概念模型时空概念模型主要是用来构建对空间对象进行抽象描述所必需的符号与形式化表示，它是时空数据库系统应用开发的一个重要步骤。下面归纳几种时空概念模型。1)扩展现有传统概念模型。2)基于现有的时空概念模型。时空数据模型（续）时空数据模型是指建立时空对象的数据模型。一般地，可以通过时态数据库或空间数据库扩展来对时空数据进行建模。1)在时态数据库中加入空间属性与空间操作来进行时空建模。2)在空间数据库中加入时间属性与时间操作来进行时空建模。时空数据模型（续）时空数据模型（续）移动对象模型移动对象指随时间而连续变化的空间对象。分为移动点和移动区域。连续模型离散模型时空数据索引索引过去（1）基于现有的空间索引：将现有的空间索引方法的基础上加入时间要素。（2）基于重叠与多版本结构索引：将时间和空间分开来进行处理（3）面向迹线的索引：优先考虑对象的迹线，而其他属性次之。索引现在：关注对象历史与现在的信息索引将来：关注对象的现在与将来的信息。时空索引技术是时空数据库的研究热点时空数据库查询窗口查询:前向查询：查找在t时刻或时间区间[t’,t”]内v的取值，用传统方法解决。反向查询：在时间序列中查找等于值c或值域范围[c1vc2]的时间点，也叫值查询。现实生活种植对某一段时间内发生的事件感兴趣，即许多反向查询仅涉及一段时间区间，而不是整个时间区间，这样时间序列窗口查询就成为反向查询与正向查询的合成。时空数据库查询（续）运动对象最近邻查询最近邻居（NearestNeighbor,NN）：对于给定对象q和对象集P={p1,p2…,pm}(m≥1),求满足|q,pi|(pi属于P)最小的pi.q和pi都是静止的。将研究对象的运动状态扩展为静止的或运动的，就成为运动对象最近邻查询给定查询对象q及它的运动状态（运动速度和运动方向）和初始位置，求对象q从起始位置s运动到终止位置e的过程中对象q的一系列最近邻居的对象集合P={p1,p2…,pm}(m≥1)。运动对象最近邻查询是时空数据库的关键技术，在智能导航、现代通信、交通控制、气象预报等各个领域都有广泛的需求时空数据库查询（续）TP查询对于与预测性时空数据库(PredictiveSpatioTemporalDatabase)，Tao与Papadias指出由于对象的运动型可能使传统查询结果对于时空数据库而言是不够的。提出了TP查询(Time-parameterized),返回结果R及其失效时间T以及在T后的记过变化。扩展到连续查询，连续跟踪查询结果直到结果变化满足某个条件为止。LB查询LB(Location-based)查询，即可得到查询结果又可得到查询的有效区域。应用时空数据库的应用非常广泛，根据时空应用所处理数据类型的不同，将时空数据库应用主要归纳为如下三类。1)处理时空对象的应用，如导航系统。2)涉及到空间对象定位的应用，对象的特征与位置可能随时间而变化，但却不移动，如在土地信息系统中，土地随形状的变化而改变位置.3)结合上述两种情况的应用，如在生态环境应用中，污染既作为一个移动现象而被测量，同时它的特性和形状又随时间而变化。时空数据库一节结束谢谢！