時空數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(數(shù)據(jù)庫)

時間：2022-11-11 08:30:01 | 來源：信息時代

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    時空數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) : 一種能有效組織、管理和處理隨時間變化的空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),具有如下功能:
(1)是一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),包括傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫所具有的功能。
(2)應(yīng)具有處理時空數(shù)據(jù)的時空數(shù)據(jù)類型和查詢語言。
(3)應(yīng)能支持時空索引和有效的時空連接(JION)操作。
由于一個時空對象涉及到空間、時態(tài)和傳統(tǒng)的屬性信息,時空數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的研究涉及計算機科學(xué)、地理學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科。
以前,空間數(shù)據(jù)庫和時態(tài)數(shù)據(jù)庫是兩個不同的分支,空間數(shù)據(jù)庫重點研究空間數(shù)據(jù)的表示、存儲、處理與查詢等,而時態(tài)數(shù)據(jù)庫重點研究如何表示和處理數(shù)據(jù)庫中隨時間變化的數(shù)據(jù),通常是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)。目前人們已意識到應(yīng)該集成時間和空間,研究時空數(shù)據(jù)庫,因為大量的應(yīng)用涉及到時空數(shù)據(jù)。
一個空間點可能隨時間而改變它的位置,為了完整地反映該點的信息,數(shù)據(jù)庫中應(yīng)該存儲該點的全部歷史信息,這個空間對象就是一個移動的點。同理,一個區(qū)域也可能隨時間移動、擴大或縮小。時空數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實際上就是能夠處理時空對象的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。要能夠有效地表示、管理和處理時空對象的空間、時態(tài)和屬性信息三者之間的復(fù)雜關(guān)系,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)已不能滿足其需求,需要研究時空數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型、存儲結(jié)構(gòu)、索引方法、查詢語言、用戶接口,尤其是時空拓?fù)浞治霾僮骱退惴ǖ取?br>國外學(xué)者從20世紀(jì)90年代初、中期開始在數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫、GIS、計算幾何等領(lǐng)域進行了移動空間對象的研究。其方法主要采用快照(snapshot),即把時空數(shù)據(jù)表示成一系列的快照,大多數(shù)研究的重點是擴充空間模型或時態(tài)模型來表示和處理時間數(shù)據(jù)或空間數(shù)據(jù)。
在時空數(shù)據(jù)庫研究領(lǐng)域中,最著名的研究項目當(dāng)屬歐盟的CHOROCHRONOS項目。該項目是從1996年5月開始的一項研究時空數(shù)據(jù)庫的項目,它由希臘、德國、丹麥、英國、瑞士、奧地利、意大利等國的一些大學(xué)從事GIS、空間數(shù)據(jù)庫、時態(tài)數(shù)據(jù)庫等方面的研究組構(gòu)成,目的是從不同的方面和領(lǐng)域研究時空數(shù)據(jù)庫,提高歐盟研究時空數(shù)據(jù)庫的能力。主要研究內(nèi)容包括: 時間、空間數(shù)據(jù)的機理、結(jié)構(gòu)和表示方法,數(shù)據(jù)模型和查詢語言,用于時空信息的可視化界面,存儲結(jié)構(gòu),索引技術(shù),查詢處理,以及時空數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該項目發(fā)表的65篇論文在理解時空應(yīng)用的需求、數(shù)據(jù)模型、索引結(jié)構(gòu)、查詢處理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面促進了該領(lǐng)域研究的發(fā)展。
在時態(tài)數(shù)據(jù)庫中引入SDT(空間數(shù)據(jù)類型)是一種簡單的方法,稱之為SDT-TDB(具有空間數(shù)據(jù)類型的時態(tài)數(shù)據(jù)庫)。這種方法自然而合理,即時間屬性由系統(tǒng)定義和維護,具有SDT類型的屬性由用戶定義,實際上是把時態(tài)數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫的技術(shù)進行簡單的集成。SDT-TDB可以有效地表示與處理與時間有關(guān)的空間對象,但難以處理任何移動的空間對象,如描述森林中某處火災(zāi)是如何發(fā)展的(火災(zāi)區(qū)域可能隨時間擴大、縮小和移動)。同時,對諸如“某國歷史上曾經(jīng)達(dá)到的最大版圖是什么”的這類查詢,SDT-TDB是低效的,因為不管在關(guān)系DBMS還是在對象-關(guān)系DBMS平臺上,必須首先查詢出描述該實體的所有元組或?qū)ο?然后再把操作應(yīng)用于該元組或?qū)ο蠹仙?。除此以?定義元組或?qū)ο蠹仙系牟僮鞑阉鼈兗傻讲樵冋Z言中處理也是困難的。
參照空間數(shù)據(jù)庫,對隨時間變化或移動的空間對象可表示為: (points,t)、(lines,t)和(regions,t)。一個移動點則由一系列的偶對(P_i,T_i)構(gòu)成,每個偶對表示在某個瞬間或某個時間區(qū)間T_i該移動點所處的坐標(biāo)位置P_i,隨著時間的變化該移動點就表示一條或多條軌跡線。與SDT-TDB不同的是:對某一移動點mp,在不同的時間它可能有不同的坐標(biāo)位置,所有這些坐標(biāo)值和時間值都作為移動對象mp的值,將全部存儲在mp中,這就為設(shè)計能有效地存取移動空間數(shù)據(jù)和支持移動空間對象分析操作的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法提供了保證。如在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中,病人的癌癥區(qū)域隨著時間變化可能擴大或縮小。如僅把在不同時刻的癌癥區(qū)域作為不同的實體,則必須借助于應(yīng)用程序才能求諸如癌癥區(qū)域的變化率等。但把癌癥區(qū)域定義為時空對象后,不同時刻的癌癥區(qū)域就作為一個整體,通過求移動區(qū)域變化率的操作即可求解癌癥區(qū)域的變化率。
在時空數(shù)據(jù)庫中,引入mpoints(移動點)、mlines(移動線)和mregions(移動區(qū)域)能夠描述各種移動空間對象,還必須引入新的與時態(tài)有關(guān)的數(shù)據(jù)類型才能支持一些操作。如求兩架飛機(對應(yīng)兩個移動點)航線間的距離,其結(jié)果不是一個實數(shù),而是一組具有時間的實數(shù),反映了兩架飛機在不同的時刻所對應(yīng)的距離。用mpoints表示飛機航線,具有更豐富的語義,能夠支持更多的操作。為了表示和處理移動空間數(shù)據(jù),除了mpoints、mlines和mregions外還需要什么數(shù)據(jù)類型,需研究時空數(shù)據(jù)的各種分析操作來決定。
與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理不同,對時空對象的處理主要是拓?fù)浞治霾僮?時空對象的離散化表示和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到時空拓?fù)浞治霾僮魉惴ǖ膶崿F(xiàn)。
目前,時空數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方法主要有三種:
(1)直接在關(guān)系DBMS之上加一個處理時空數(shù)據(jù)的模塊——時空支持層,把時空數(shù)據(jù)分解成元組直接存儲在關(guān)系中。缺點是系統(tǒng)必須在時空支持層處理時空數(shù)據(jù),這意味著首先需把關(guān)系中的元組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成時空數(shù)據(jù),導(dǎo)致系統(tǒng)的低效率,也制約了復(fù)雜時空操作的實現(xiàn)。
(2)任一個時空對象由兩部分組成,其時空信息存儲在時空子系統(tǒng)中,屬性信息存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中,時空數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)內(nèi)部的指針聯(lián)系。優(yōu)點是由于存在兩個存儲管理器,避免了把時空數(shù)據(jù)直接存儲在關(guān)系中,對時空數(shù)據(jù)可以采用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法,以提高系統(tǒng)的效率。缺點是一個查詢必須分解成兩部分由關(guān)系DBMS和時空子系統(tǒng)分別處理屬性數(shù)據(jù)和時空數(shù)據(jù),影響系統(tǒng)的查詢效率,也導(dǎo)致難以進行全局查詢優(yōu)化。
(3)基于可擴充數(shù)據(jù)庫的方法,方法是運用可擴充DBMS(OODBMS或O-R DBMS)的可擴充性建立一個能夠支持時空數(shù)據(jù)類型和時空拓?fù)浞治霾僮鞯腁DT機制,與可擴充DBMS集成為時空DBMS。這種方法具有如下的優(yōu)點: ①由于可擴充DBMS的可擴充性,在DBMS中可直接定義時空數(shù)據(jù)類型和時空拓?fù)浞治霾僮?并能達(dá)到無縫集成;②時空DBMS能夠像處理DBMS固有數(shù)據(jù)類型(如String)一樣來處理時空數(shù)據(jù)類型(如mregions);③對時空數(shù)據(jù)類型的操作與對固有數(shù)據(jù)類型的操作一樣,即求兩個mregions的并和求兩個String的并在原理上是一樣的; ④由于將時空子系統(tǒng)集成進可擴充DBMS中,DBMS能夠直接存取和處理存儲在時空子系統(tǒng)中的時空數(shù)據(jù); ⑤根據(jù)應(yīng)用的需要,利用其可擴充性來增加新的時空分析操作; ⑥縮短了研制周期。
目前,時空DBMS仍處于研究階段,主要集中在時空數(shù)據(jù)模型、時空索引機制、時空查詢處理、時空拓?fù)浞治霾僮髋c算法、不確定時空對象處理技術(shù)等方面。盡管目前已有幾種時空DBMS原型系統(tǒng),如ParaDB、STDB等,但是這些系統(tǒng)只能處理某類時空對象,且通過一些前提簡化了實際情況,距離真正意義上的時空DBMS還很遠(yuǎn)。
時空數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,在軍事、國防、航空航天、地理、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、市政、交通等方面應(yīng)用前景廣闊。