時空數(shù)據(jù)庫(數(shù)據(jù)庫)

時間：2022-11-11 04:30:01 | 來源：信息時代

時間：2022-11-11 04:30:01 來源：信息時代

    時空數(shù)據(jù)庫 : 以有效支持時空數(shù)據(jù)管理為目標的一種專業(yè)數(shù)據(jù)庫,在交通管理、城市規(guī)劃、森林火災(zāi)監(jiān)測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著時空數(shù)據(jù)的復(fù)雜應(yīng)用不斷涌現(xiàn),時空數(shù)據(jù)的管理問題越來越突出,時空數(shù)據(jù)庫已成為近年來國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫技術(shù)研究的熱點問題。
時空數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)生與時態(tài)數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫的研究密不可分。過去認為,時態(tài)數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫是兩個相互獨立、毫不相關(guān)的研究領(lǐng)域,但自20世紀90年代開始,時態(tài)數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫的研究者逐漸認識到各自研究領(lǐng)域里存在的一些問題以及兩者之間存在的聯(lián)系,開始探索將這兩種數(shù)據(jù)庫有效結(jié)合的相關(guān)技術(shù)。G..Langran于1992年撰寫了關(guān)于時空數(shù)據(jù)庫的第一本專著Time in Geographic Information System,為時空數(shù)據(jù)庫研究的進一步推進做出了重要貢獻。
一般認為,時空數(shù)據(jù)庫就是支持空間、時態(tài)和時空概念,并可以同時體現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間特性和時間特性的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。更簡單地講,時空數(shù)據(jù)庫就是支持空間對象隨時間而發(fā)生變化的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)?？臻g對象隨時間而發(fā)生的變化在時空數(shù)據(jù)庫里稱為時空變化(spatiotemporal changes)?？臻g對象隨時間連續(xù)變化稱為連續(xù)時空變化,而離散時空變化則指空間對象的時空變化是間隔的。具有時空變化的空間對象稱為時空對象。時空對象隨時間而變化的空間數(shù)據(jù)稱為時空數(shù)據(jù)。對時空數(shù)據(jù)的管理能力是時空數(shù)據(jù)庫與時態(tài)數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫的主要區(qū)別。
時空數(shù)據(jù)的管理不是空間數(shù)據(jù)管理和時態(tài)數(shù)據(jù)管理的簡單組合。如果給每個隨時間變化的空間數(shù)據(jù)附上一個時態(tài)數(shù)據(jù),相當(dāng)于空間數(shù)據(jù)版本化。這樣只能獲得每一版本時刻的時空對象快照,從而只能表示離散時空變化。而且這種方法也會導(dǎo)致大量的冗余數(shù)據(jù)。因此真正實現(xiàn)時空數(shù)據(jù)管理還要探尋新的技術(shù)與實現(xiàn)途徑。
時空數(shù)據(jù)庫管理的主要問題有:
(1)時空語義: 指時空數(shù)據(jù)和時空變化的語義,它是構(gòu)建時空數(shù)據(jù)模型和時空數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。時空語義主要回答“什么是時空數(shù)據(jù)”以及“什么是時空對象”等問題,由此產(chǎn)生了一些新的研究問題,如時空本體(spatiotemporal ontology)。目前對時空語義的研究存在的主要問題是缺乏一個能完整描述時空對象和時空變化的系統(tǒng)框架。
(2)時空數(shù)據(jù)模型:是描述現(xiàn)實世界中的時空對象、時空對象間的時空聯(lián)系以及語義約束的模型。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型一樣,時空數(shù)據(jù)模型同樣也分為語義型(或稱概念型)和結(jié)構(gòu)型兩種。時空語義模型側(cè)重于時空語義的表達,以用戶的觀點描述現(xiàn)實世界中的時空對象及對象間的時空聯(lián)系。因此時空語義模型的抽象程度較高,對模型要素的描述也沒有嚴格的形式化定義,一般獨立于計算機系統(tǒng)。在建模層次上,時空語義模型與傳統(tǒng)的實體一聯(lián)系(E-R)模型是一致的。目前,基于E-R模型的時空語義建模也是建立時空語義模型的主要手段之一,另外的技術(shù)包括基于UML(unified modeling language)的時空語義建模、基于OMT(object modeling technology)的時空語義建模等。結(jié)構(gòu)型時空數(shù)據(jù)模型則直接面向時空數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu),有著嚴格的形式化定義(以便在計算機系統(tǒng)中實現(xiàn))。通常,時空數(shù)據(jù)模型指的是結(jié)構(gòu)型時空數(shù)據(jù)模型。
(3)時空查詢語言: 與時空數(shù)據(jù)模型密不可分。每一種時空數(shù)據(jù)模型一般都伴隨有自己的查詢語言。現(xiàn)有的時空查詢語言基本上分為兩類:基于SQL的時空查詢語言和基于OQL(object query language)的時空查詢語言?；赟QL的時空查詢語言通常使用在基于數(shù)據(jù)類型的時空數(shù)據(jù)庫中。由于SQL3提供了抽象數(shù)據(jù)類型的擴展能力,因此基于數(shù)據(jù)類型的時空數(shù)據(jù)模型可以和SQL3有效結(jié)合。OQL是ODMG提出的面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的查詢語言,近年來也提出了一些以O(shè)DMG對象模型為基礎(chǔ)的時空數(shù)據(jù)模型和時空查詢語言。
(4)時空索引:在時空數(shù)據(jù)庫中,歷史數(shù)據(jù)通常不刪除,而每當(dāng)數(shù)據(jù)變更時增加新的數(shù)據(jù)記錄或更新原有記錄,因此時空數(shù)據(jù)一般都具有海量特性。查詢海量的時空數(shù)據(jù),如果沒有高效的索引支持其效率將會非常低,因此時空索引也是時空數(shù)據(jù)庫研究中的關(guān)鍵問題之一。
時空索引的主要目標是實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)和未來數(shù)據(jù)的高效查詢。由于查詢是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用中的主要操作,因此盡管索引帶來了索引維護的額外代價,但對于總體性能而言仍是值得的。
對于歷史數(shù)據(jù)的查詢,目前采用的索引方法有:①簡化時間維的方法,如RT-樹、3DR-樹、STR-樹等; ②基于重疊和多版本結(jié)構(gòu)的索引,如MR-樹、HR-樹、MV3R-樹等; ③面向軌跡的索引,如TB-樹、SETI、SEB-樹等。
對于未來數(shù)據(jù)的查詢,即預(yù)言未來時空狀態(tài),通常假設(shè)除了知道當(dāng)前位置,也知道移動對象的速度。在給定當(dāng)前運動位置的情況下,可以獲得在未來一個時間戳滿足一定空間條件的對象。這類索引技術(shù)有TPR-樹、TPR*-樹等。
(5)時空數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu):時空數(shù)據(jù)庫研究的以往工作大都集中于時空數(shù)據(jù)模型和時空數(shù)據(jù)庫語言方面,真正實現(xiàn)的時空數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)還很少。到目前為止提出了多種時空數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的實現(xiàn)結(jié)構(gòu),其中代表性的是層次型結(jié)構(gòu)和擴展型結(jié)構(gòu)。層次型結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之上附加一個時空層,通過時空層來完成對時空數(shù)據(jù)的操作。時空層承擔(dān)時空數(shù)據(jù)庫語言與SQL間的翻譯、時空查詢優(yōu)化等幾乎所有與時空數(shù)據(jù)管理相關(guān)的工作,因此易成為應(yīng)用開發(fā)的瓶頸。擴展型結(jié)構(gòu)是在對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之上進行基于內(nèi)核的時空擴展,包括時空數(shù)據(jù)類型、時空操作以及時空索引的擴展。
隨著對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)的不斷發(fā)展,主流數(shù)據(jù)庫商品已逐步提供了對象擴展功能,如Oracle的Cartridge技術(shù)、Informix的DataBlade技術(shù)以及DB2的Extender技術(shù)等。部分廠家還開始實踐數(shù)據(jù)庫的時態(tài)、空間以及時空擴展。例如: Informix研制了用于金融領(lǐng)域時態(tài)數(shù)據(jù)建模的時間序列分析模塊“timeseries datablade”和二維空間數(shù)據(jù)管理模塊“spatial datablade”,而Oracle公司也提供了空間數(shù)據(jù)管理擴展模塊“Oracle spatial”以及時間序列分析模塊“Oracle timeseries” 。
(6)時空數(shù)據(jù)庫應(yīng)用:時空數(shù)據(jù)庫支持以時空對象及時空對象間聯(lián)系為核心的復(fù)雜應(yīng)用。根據(jù)所涉及的時空對象的類型,時空數(shù)據(jù)庫應(yīng)用可分為以下三類: ①涉及連續(xù)移動的時空對象的應(yīng)用。在這種應(yīng)用中,時空對象的位置隨時間而連續(xù)變化,但幾何形狀不變。與交通相關(guān)的時空數(shù)據(jù)庫應(yīng)用可歸為這類應(yīng)用,包括車輛交通管理、輪船航行管理、飛機航線管理以及一些軍事應(yīng)用(如對航母監(jiān)視)等。②涉及離散變化的時空對象的應(yīng)用。這種應(yīng)用所涉及的時空對象有一個空間位置,并且它們的空間屬性,如形狀和位置都可能隨時間離散變化。這類應(yīng)用包括地籍管理、城市區(qū)劃管理、地表植被變化監(jiān)測、疾病傳染區(qū)域的監(jiān)測等。③涉及連續(xù)移動并且形狀也同時變化的時空對象的應(yīng)用。這類應(yīng)用一般與環(huán)境相關(guān),例如風(fēng)暴監(jiān)視與預(yù)測、森林火災(zāi)監(jiān)控、海上石油污染監(jiān)控、種群的遷移、生物信息處理應(yīng)用等。