3.3時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)計(jì)算機(jī)學(xué)院趙傳申3.3時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)計(jì)算機(jī)學(xué)院趙傳申1內(nèi)容目錄3.3.1空間數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)介3.3.2時(shí)空數(shù)據(jù)建模3.3.3時(shí)空數(shù)據(jù)索引3.3.4時(shí)空數(shù)據(jù)查詢3.3.5時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用內(nèi)容目錄3.3.1空間數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)介2概述-時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的產(chǎn)生伴隨著信息化革命的深入發(fā)展，新的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展同新世紀(jì)的腳步發(fā)展形影不離。在當(dāng)今強(qiáng)勁發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)世界，無(wú)線技術(shù)與定位技術(shù)相互結(jié)合，共同發(fā)展，使現(xiàn)在的應(yīng)用程序能夠處理移動(dòng)的對(duì)象的位置數(shù)據(jù)，此如車輛、無(wú)線設(shè)備的用戶、海上運(yùn)輸?shù)?。也有其他的一些非時(shí)空對(duì)象應(yīng)用程序依靠無(wú)線定位技術(shù)來(lái)取樣一些連續(xù)的、多維的變量信息。這類應(yīng)用程序都建立在大量時(shí)空對(duì)象信息的收集的基礎(chǔ)之上，于是空間一時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)(簡(jiǎn)稱時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù))就產(chǎn)生了。時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)管理大量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)象，在現(xiàn)在出現(xiàn)的大量處理動(dòng)態(tài)對(duì)象的應(yīng)用程序中越來(lái)越重要(比如，交通控制、氣象監(jiān)測(cè)、移動(dòng)計(jì)算等)。概述-時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的產(chǎn)生伴隨著信息化革命的深入發(fā)展，3概念時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)(Spatio-TemporalDataBases,STDB)在二十世紀(jì)八十年代末開始受到人們的重視。時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)是時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)(TemporalDataBases,TDB)與空間數(shù)據(jù)庫(kù)(SpatialDataBases,SDB)的統(tǒng)一體，即包括時(shí)間與空間要素，主要用于存儲(chǔ)與管理位置或形狀隨時(shí)間而變化的各類空間對(duì)象。概念時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)(Spatio-TemporalDataBa4研究?jī)?nèi)容時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的研究?jī)?nèi)容相當(dāng)豐富，主要涉及時(shí)空對(duì)象表達(dá)、時(shí)空數(shù)據(jù)建模、時(shí)空數(shù)據(jù)索引、時(shí)空數(shù)據(jù)查詢、時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)等，同時(shí)時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)原型系統(tǒng)、時(shí)空推理、時(shí)空查詢代價(jià)模型等也為時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的研究帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)主要是針對(duì)對(duì)象的時(shí)空信息進(jìn)行分析處理，它通常涉及時(shí)空對(duì)象表達(dá)、時(shí)空數(shù)據(jù)建模、時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)、時(shí)空數(shù)據(jù)查詢和時(shí)空數(shù)據(jù)索引等幾個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容。研究?jī)?nèi)容時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的研究?jī)?nèi)容相當(dāng)豐富，主要涉及時(shí)空對(duì)象表達(dá)、5空間數(shù)據(jù)庫(kù)事物都有其時(shí)間和空間屬性，一般數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)間和空間屬性都是隱含的（存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)表的一些列中）一些應(yīng)用中，事物的空間信息需要成為人們的主要查詢對(duì)象和處理內(nèi)容。事物的空間信息，即事物在某個(gè)空間框架（例如地球表面）中的位置信息。如天文探測(cè)，GIS,城市規(guī)劃等?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)事物都有其時(shí)間和空間屬性，一般數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)間和空間屬性6面向這類應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)必需在常規(guī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加空間數(shù)據(jù)類型及其相關(guān)操作，提供空間素材及面向空間應(yīng)用的交互式圖形界面，這樣的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)稱為空間數(shù)據(jù)庫(kù)。另外一些應(yīng)用中，盡管數(shù)據(jù)本身不是空間數(shù)據(jù)類型，但卻可以作為多維空間問(wèn)題進(jìn)行處理。例如多屬性查詢->多維空間的搜索，應(yīng)用空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，特別是空間索引技術(shù)。面向這類應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)必需在常規(guī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加空間數(shù)據(jù)7空間數(shù)據(jù)特征數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)龐雜簡(jiǎn)單的點(diǎn)、線空間對(duì)象，常常以集合為單位進(jìn)行使用?？臻g事物結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜。不規(guī)則的多維空間物體、分子結(jié)構(gòu)空間對(duì)象間的關(guān)系大多與應(yīng)用有關(guān)，例如相交、平行、鄰近、包含、覆蓋、相切等難以定義空間順序查詢過(guò)程復(fù)雜空間數(shù)據(jù)特征數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)龐雜8空間數(shù)據(jù)類型點(diǎn)（Point）點(diǎn)只表示其空間位置線（Line）線不僅表示在線上各點(diǎn)在空間的位置，而且還有長(zhǎng)度，即表示其在空間的延伸范圍。區(qū)域（Region）區(qū)域不但有位置，而且有面積、周長(zhǎng)等參數(shù)，以表示其覆蓋范圍。劃分（Partition）一個(gè)區(qū)域分成若干分區(qū)。如果這些分區(qū)互不相交，但其并集覆蓋該區(qū)域，則此分區(qū)的集合就稱為該區(qū)域的一個(gè)劃分。網(wǎng)絡(luò)（Network）網(wǎng)絡(luò)是由若干點(diǎn)和一些點(diǎn)與點(diǎn)之間的連線組成?？臻g數(shù)據(jù)類型點(diǎn)（Point）點(diǎn)只表示其空間位置9空間數(shù)據(jù)類型的層次關(guān)系空間數(shù)據(jù)類型的層次關(guān)系10空間數(shù)據(jù)操作空間數(shù)據(jù)謂詞兩個(gè)同類型空間數(shù)據(jù)是否相等（=或≠）空間數(shù)據(jù)SDT是否在區(qū)域RG中(INSIDE)兩個(gè)大小非零的空間數(shù)據(jù)是否相交（INTERSECTS）兩個(gè)區(qū)域是否鄰接（IS-NEIGHBOR-OF）空間數(shù)據(jù)操作空間數(shù)據(jù)謂詞11空間數(shù)據(jù)操作(續(xù))空間數(shù)據(jù)的基本操作相交（線與線、線與區(qū)域、區(qū)域與區(qū)域）（Intersection）重疊(Overlap)中心點(diǎn)（Center）求線段或者區(qū)域的幾何中心點(diǎn)數(shù)值計(jì)算（兩點(diǎn)間距離、兩空間圖形的最大距離、最小距離、多點(diǎn)的直徑、線的長(zhǎng)度、區(qū)域的周長(zhǎng)）空間數(shù)據(jù)操作(續(xù))空間數(shù)據(jù)的基本操作12空間數(shù)據(jù)操作(續(xù))空間關(guān)系判斷一維空間中線段的關(guān)系

二維空間中邊平行于坐標(biāo)軸矩形間的關(guān)系?？臻g數(shù)據(jù)操作(續(xù))空間關(guān)系判斷13空間數(shù)據(jù)操作(續(xù))空間關(guān)系代數(shù)運(yùn)算空間選擇空間連接空間數(shù)據(jù)操作(續(xù))空間關(guān)系代數(shù)運(yùn)算14空間數(shù)據(jù)操作(續(xù))空間數(shù)據(jù)查詢語(yǔ)言空間數(shù)據(jù)操作(續(xù))空間數(shù)據(jù)查詢語(yǔ)言153.3.2時(shí)空數(shù)據(jù)建模時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)解析ppt課件16時(shí)空變化的分類（1）基于屬性建模屬性突然變化屬性漸進(jìn)變化（2）基于位置建模位置突然變化位置漸進(jìn)變化（3）同時(shí)基于屬性與位置建模屬性和位置突然變化屬性和位置漸進(jìn)變化屬性突然變化而位置漸進(jìn)變化屬性漸進(jìn)變化而位置突然變化時(shí)空變化的分類（1）基于屬性建模17時(shí)空數(shù)據(jù)模型時(shí)空概念模型時(shí)空概念模型主要是用來(lái)構(gòu)建對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行抽象描述所必需的符號(hào)與形式化表示，它是時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的一個(gè)重要步驟。下面歸納幾種時(shí)空概念模型。1)擴(kuò)展現(xiàn)有傳統(tǒng)概念模型。2)基于現(xiàn)有的時(shí)空概念模型。時(shí)空數(shù)據(jù)模型時(shí)空概念模型18時(shí)空數(shù)據(jù)模型（續(xù)）時(shí)空數(shù)據(jù)模型是指建立時(shí)空對(duì)象的數(shù)據(jù)模型。一般地，可以通過(guò)時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)或空間數(shù)據(jù)庫(kù)擴(kuò)展來(lái)對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。1)在時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中加入空間屬性與空間操作來(lái)進(jìn)行時(shí)空建模。2)在空間數(shù)據(jù)庫(kù)中加入時(shí)間屬性與時(shí)間操作來(lái)進(jìn)行時(shí)空建模。時(shí)空數(shù)據(jù)模型（續(xù)）時(shí)空數(shù)據(jù)模型是指建立時(shí)空對(duì)象的數(shù)據(jù)模19時(shí)空數(shù)據(jù)模型（續(xù)）時(shí)空數(shù)據(jù)模型（續(xù)）20時(shí)空數(shù)據(jù)模型（續(xù)）移動(dòng)對(duì)象模型移動(dòng)對(duì)象指隨時(shí)間而連續(xù)變化的空間對(duì)象。分為移動(dòng)點(diǎn)和移動(dòng)區(qū)域。連續(xù)模型離散模型時(shí)空數(shù)據(jù)模型（續(xù)）移動(dòng)對(duì)象模型21時(shí)空數(shù)據(jù)索引索引過(guò)去（1）基于現(xiàn)有的空間索引：將現(xiàn)有的空間索引方法的基礎(chǔ)上加入時(shí)間要素。（2）基于重疊與多版本結(jié)構(gòu)索引：將時(shí)間和空間分開來(lái)進(jìn)行處理（3）面向跡線的索引：優(yōu)先考慮對(duì)象的跡線，而其他屬性次之。索引現(xiàn)在：關(guān)注對(duì)象歷史與現(xiàn)在的信息索引將來(lái)：關(guān)注對(duì)象的現(xiàn)在與將來(lái)的信息。時(shí)空索引技術(shù)是時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的研究熱點(diǎn)時(shí)空數(shù)據(jù)索引索引過(guò)去22時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)查詢窗口查詢:

前向查詢：查找在t時(shí)刻或時(shí)間區(qū)間[t’,t”]內(nèi)v的取值，用傳統(tǒng)方法解決。

反向查詢：在時(shí)間序列中查找等于值c或值域范圍[c1<v<c2]的時(shí)間點(diǎn)，也叫值查詢?，F(xiàn)實(shí)生活種植對(duì)某一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的事件感興趣，即許多反向查詢僅涉及一段時(shí)間區(qū)間，而不是整個(gè)時(shí)間區(qū)間，這樣時(shí)間序列窗口查詢就成為反向查詢與正向查詢的合成。時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)查詢窗口查詢:23時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)查詢（續(xù)）運(yùn)動(dòng)對(duì)象最近鄰查詢最近鄰居（NearestNeighbor,NN）：對(duì)于給定對(duì)象q和對(duì)象集P={p1,p2…,pm}(m≥1),求滿足|q,pi|(pi屬于P)最小的pi.q和pi都是靜止的。將研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)擴(kuò)展為靜止的或運(yùn)動(dòng)的，就成為運(yùn)動(dòng)對(duì)象最近鄰查詢給定查詢對(duì)象q及它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向）和初始位置，求對(duì)象q從起始位置s運(yùn)動(dòng)到終止位置e的過(guò)程中對(duì)象q的一系列最近鄰居的對(duì)象集合P={p1,p2…,pm}(m≥1)。運(yùn)動(dòng)對(duì)象最近鄰查詢是時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵技術(shù)，在智能導(dǎo)航、現(xiàn)代通信、交通控制、氣象預(yù)報(bào)等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的需求

時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)查詢（續(xù)）運(yùn)動(dòng)對(duì)象最近鄰查詢24時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)查詢（續(xù)）TP查詢對(duì)于與預(yù)測(cè)性時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)(PredictiveSpatioTemporalDatabase)，Tao與Papadias指出由于對(duì)象的運(yùn)動(dòng)型可能使傳統(tǒng)查詢結(jié)果對(duì)于時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)而言是不夠的。提出了TP查詢(Time-parameterized),返回結(jié)果R及其失效時(shí)間T以及在T后的記過(guò)變化。擴(kuò)展到連續(xù)查詢，連續(xù)跟蹤查詢結(jié)果直到結(jié)果變化滿足某個(gè)條件為止。LB查詢LB(Location-based)查詢，即可得到查詢結(jié)果又可得到查詢的有效區(qū)域。時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)查詢（續(xù)）TP查詢25應(yīng)用時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用非常廣泛，根據(jù)時(shí)空應(yīng)用所處理數(shù)據(jù)類型的不同，將時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用主要?dú)w納為如下三類。1)處理時(shí)空對(duì)象的應(yīng)用，