時(shí)空數(shù)據(jù)模型(數(shù)據(jù)庫(kù))

時(shí)間：2022-11-09 22:30:02 | 來(lái)源：信息時(shí)代

時(shí)間：2022-11-09 22:30:02 來(lái)源：信息時(shí)代

    時(shí)空數(shù)據(jù)模型 : 描述現(xiàn)實(shí)世界中的時(shí)空對(duì)象、時(shí)空對(duì)象間的時(shí)空聯(lián)系以及語(yǔ)義約束的模型。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型一樣,時(shí)空數(shù)據(jù)模型同樣也分為語(yǔ)義型和結(jié)構(gòu)型兩種。時(shí)空語(yǔ)義模型側(cè)重于時(shí)空語(yǔ)義的表達(dá),以用戶的觀點(diǎn)描述現(xiàn)實(shí)世界中的時(shí)空對(duì)象及對(duì)象間的時(shí)空聯(lián)系。因此時(shí)空語(yǔ)義模型的抽象程度較高,對(duì)模型中的要素的描述也沒(méi)有嚴(yán)格的形式化定義,一般獨(dú)立于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。而結(jié)構(gòu)型時(shí)空數(shù)據(jù)模型則直接面向時(shí)空數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu),有著嚴(yán)格的形式化定義。通常的時(shí)空數(shù)據(jù)模型指結(jié)構(gòu)型時(shí)空數(shù)據(jù)模型。
時(shí)空數(shù)據(jù)模型是時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)中研究最集中的領(lǐng)域。自20世紀(jì)90年代開(kāi)始,已經(jīng)提出了多種不同的模型。這些模型大致可分為五類:
1.基于版本的時(shí)空數(shù)據(jù)模型
基于版本的時(shí)空數(shù)據(jù)模型的核心思想是通過(guò)記錄空間對(duì)象在不同時(shí)間里的狀態(tài)來(lái)記錄空間數(shù)據(jù)隨時(shí)間而發(fā)生的時(shí)空變化。目前提出的基于版本的時(shí)空數(shù)據(jù)模型包括: 時(shí)空快照模型(spatiotemporal snapshot model)、基態(tài)修正模型(base state and amendment model)、時(shí)空立方體模型(spatiotemporal cube model)、時(shí)空復(fù)合模型(spatiotemporal composite model)和時(shí)空對(duì)象模型(spatiotemporal object model)。時(shí)空快照模型采用數(shù)據(jù)庫(kù)版本技術(shù),將版本時(shí)間標(biāo)記在全局狀態(tài)上,以一系列的數(shù)據(jù)庫(kù)快照來(lái)表示空間對(duì)象隨時(shí)間而發(fā)生的演變,其中每個(gè)快照記錄了當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)?；鶓B(tài)修正模型以一個(gè)原始的數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)(快照)為基礎(chǔ)狀態(tài),通過(guò)記錄每一次相對(duì)基態(tài)的狀態(tài)變化來(lái)表示時(shí)空對(duì)象的時(shí)空變化。該模型將版本時(shí)間標(biāo)記在兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)的變化差值上,即只在數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),才做一次版本,并且做版本時(shí)只記錄當(dāng)前狀態(tài)與基態(tài)之間的差值。時(shí)空立方體模型以二維空間和一維時(shí)間構(gòu)成的三維立方體來(lái)表示時(shí)空數(shù)據(jù)。該模型采用了對(duì)象版本技術(shù),將版本時(shí)間標(biāo)記在空間坐標(biāo)點(diǎn)上,當(dāng)空間對(duì)象的空間坐標(biāo)點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)就增長(zhǎng)立方體。時(shí)空復(fù)合模型結(jié)合了數(shù)據(jù)庫(kù)版本和對(duì)象版本的特點(diǎn),它將版本時(shí)間標(biāo)記在人為組合的一個(gè)時(shí)空復(fù)合體上。一個(gè)時(shí)空復(fù)合體是空間同構(gòu)、時(shí)態(tài)一致的若干空間對(duì)象的組合。時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)表示為時(shí)空復(fù)合體的集合,每個(gè)時(shí)空復(fù)合體的變化單獨(dú)表示,并且每當(dāng)一個(gè)時(shí)空復(fù)合體發(fā)生變化時(shí),就產(chǎn)生一個(gè)新的時(shí)空復(fù)合體。因此時(shí)空復(fù)合模型的版本粒度介于時(shí)空快照模型和時(shí)空立方體模型之間,它以時(shí)空復(fù)合體為版本單位,從而可以有效回答針對(duì)時(shí)空復(fù)合體的時(shí)空變化查詢(例如,學(xué)校校區(qū)的變化)。時(shí)空對(duì)象模型以面向?qū)ο蠹夹g(shù)為基礎(chǔ),將時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)表示為一個(gè)時(shí)空對(duì)象集合,每個(gè)時(shí)空對(duì)象包含若干個(gè)時(shí)空原子(spatiotemporal atoms)。一個(gè)時(shí)空原子是時(shí)空對(duì)象的部分空間屬性,這些空間屬性在一個(gè)最長(zhǎng)時(shí)間里保持不變。盡管時(shí)空原子本身不表示任何時(shí)空變化,但將一個(gè)時(shí)空對(duì)象的時(shí)空原子投影到時(shí)間維或空間維上就可以得到該時(shí)空對(duì)象在不同時(shí)間里的狀態(tài),因而可以表示時(shí)空對(duì)象的狀態(tài)和變化。
2. 基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型
基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型源于時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)模型。在時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)管理中,人們已經(jīng)提出了按時(shí)間序列表示時(shí)態(tài)信息的模型。將這一思想應(yīng)用到時(shí)空數(shù)據(jù)建模上,就產(chǎn)生了基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。
一個(gè)事件(event)是一個(gè)發(fā)生在某個(gè)確定時(shí)刻的事實(shí)?；谑录臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型的基本思想就是將空間對(duì)象的時(shí)空變化表示為一個(gè)個(gè)的事件,每一事件記錄了空間對(duì)象的一次狀態(tài)變化,即事件對(duì)應(yīng)著時(shí)空變化。與基于版本的時(shí)空數(shù)據(jù)模型相比,基于事件的模型以顯式的方式表達(dá)時(shí)空變化。在基于版本的時(shí)空數(shù)據(jù)模型中,版本本身并不表示變化,時(shí)空變化是通過(guò)版本間的比較來(lái)表示的。而在基于事件的模型中,每次事件即是一次變化,并且還可以同時(shí)記錄變化的前后關(guān)聯(lián)狀態(tài)等信息。在基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型中,關(guān)鍵在于如何有效、合理地定義和表示事件。
3.基于約束數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)空數(shù)據(jù)模型
基于約束數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)空數(shù)據(jù)模型是20世紀(jì)90年代提出的一種新型數(shù)據(jù)庫(kù)。約束數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)“廣義元組(generalized tuple)”對(duì)傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了擴(kuò)充。約束關(guān)系R中的一個(gè)約束元組是定義在一個(gè)變量集上的約束合取式。例如,定義在變量集{x,y}上的約束元組可以是“((1<x<3)∧(2<y<5))”,這對(duì)應(yīng)于二維平面上的一個(gè)矩形區(qū)域。由于每個(gè)約束元組可以描述一個(gè)可能是無(wú)限的點(diǎn)集,因此約束數(shù)據(jù)模型可以用約束的形式來(lái)表示時(shí)空數(shù)據(jù)等多維信息。
基于約束數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)空數(shù)據(jù)模型的最大優(yōu)點(diǎn)是其在傳統(tǒng)關(guān)系代數(shù)操作上的封閉性很容易證明。因而這種時(shí)空數(shù)據(jù)模型仍可以采用關(guān)系代數(shù)或關(guān)系演算作為數(shù)據(jù)操作。根據(jù)約束數(shù)據(jù)庫(kù)的思想,人們提出了若干時(shí)空數(shù)據(jù)模型。如“參數(shù)化二維Spaghetti”(parametric 2-Spaghetti)模型、“參數(shù)化矩形”(parametric rectangle)模型等。這些時(shí)空數(shù)據(jù)模型在不同程度上利用了約束數(shù)據(jù)庫(kù)的某些特性。
與其他模型相比,基于約束數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)空數(shù)據(jù)模型具有較強(qiáng)的表達(dá)能力。該模型不僅可以表達(dá)連續(xù)型變化,而且當(dāng)約束表達(dá)式退化為常量時(shí),還可以表達(dá)基于版本的時(shí)空數(shù)據(jù)模型的語(yǔ)義。基于約束數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)空數(shù)據(jù)模型對(duì)于一些特定的應(yīng)用,例如海上航行管理、車輛交通管理等較容易計(jì)算約束表達(dá)式的移動(dòng)應(yīng)用具有較好的適用性。
4.基于數(shù)據(jù)類型的時(shí)空數(shù)據(jù)模型
基于數(shù)據(jù)類型的時(shí)空數(shù)據(jù)模型是以數(shù)據(jù)類型來(lái)表示時(shí)空數(shù)據(jù)。這類模型由一個(gè)時(shí)空數(shù)據(jù)類型的集合以及數(shù)據(jù)類型上的操作集組成?；跀?shù)據(jù)類型的時(shí)空數(shù)據(jù)模型的最大優(yōu)點(diǎn)是可以和對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(object-relational DBMS,ORDBMS)以及SQL語(yǔ)言無(wú)縫結(jié)合。ORDBMS提供了數(shù)據(jù)類型和操作的擴(kuò)展能力,而且擴(kuò)展的類型和操作可以直接在SQL中使用。因此,基于數(shù)據(jù)類型的時(shí)空數(shù)據(jù)模型的實(shí)現(xiàn)具有很好的前景。
5.面向移動(dòng)對(duì)象的時(shí)空數(shù)據(jù)模型
移動(dòng)對(duì)象是一類特殊的具有明顯特征的時(shí)空對(duì)象,這些對(duì)象的位置隨時(shí)間變化,但它們的形狀不隨時(shí)間而變化。例如海上航行的船只、公路上行駛的車輛等。因此,在時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)中可以將移動(dòng)對(duì)象的空間數(shù)據(jù)抽象為0維的點(diǎn)。由于空間數(shù)據(jù)都抽象成點(diǎn),因此面向移動(dòng)對(duì)象的時(shí)空數(shù)據(jù)模型就避開(kāi)了其他的時(shí)空數(shù)據(jù)模型中的一些難點(diǎn)問(wèn)題,集中處理時(shí)空對(duì)象位置的變化,即移動(dòng)。正是因?yàn)檫@一特殊性,所以面向移動(dòng)對(duì)象的時(shí)空數(shù)據(jù)模型在表達(dá)時(shí)空對(duì)象位置的連續(xù)時(shí)空變化(移動(dòng))時(shí)取得了較大的成功,因?yàn)辄c(diǎn)的連續(xù)變化比區(qū)域的連續(xù)變化建模要容易得多。目前,該模型除了研究移動(dòng)對(duì)象的連續(xù)位置變化外,還引發(fā)了一些其他問(wèn)題的研究,例如,移動(dòng)對(duì)象的未來(lái)位置查詢、移動(dòng)對(duì)象的變化概率等。由上可知,面向移動(dòng)對(duì)象的時(shí)空數(shù)據(jù)模型可以滿足一些特殊的應(yīng)用要求,并且在表達(dá)空間位置的連續(xù)變化、針對(duì)移動(dòng)對(duì)象的查詢和索引等方面有一定的優(yōu)勢(shì),也為時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的研究開(kāi)辟了一個(gè)新的途徑。