時(shí)空數(shù)據(jù)庫技術(shù)漫談

王曉東

【摘 要】任何事物都有其時(shí)間和空間特性，時(shí)空數(shù)據(jù)庫是包含時(shí)間和空間要素在內(nèi)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。本文介紹了時(shí)空數(shù)據(jù)庫的基本概念和應(yīng)用，以及時(shí)空數(shù)據(jù)的建模、索引和查詢技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】時(shí)空;時(shí)空數(shù)據(jù)庫;技術(shù)

一、引言

時(shí)空數(shù)據(jù)庫是時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一體，它是在空間數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上增加時(shí)間要素而構(gòu)成的三維或四維數(shù)據(jù)庫，即包括時(shí)間與空間元素，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。時(shí)空數(shù)據(jù)庫主要是針對(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)索引、時(shí)空數(shù)據(jù)查詢，以及時(shí)空數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面的研究內(nèi)容。

時(shí)空數(shù)據(jù)庫的應(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，時(shí)空數(shù)據(jù)庫應(yīng)用范圍可以歸納為以下三類。（！）處理移動(dòng)對(duì)象的應(yīng)用，例如導(dǎo)航系統(tǒng)。（2）涉及空間對(duì)象定位的應(yīng)用，對(duì)象的特征與位置可能隨時(shí)間而變化，但卻不移動(dòng)，例如在土地信息系統(tǒng)中，土地隨形狀的變化而改變位置。（3）結(jié)合上述兩種情況的應(yīng)用，例如在生態(tài)環(huán)境應(yīng)用中，污染既作為一個(gè)移動(dòng)現(xiàn)象而被測(cè)量，同時(shí)它的特性和形狀又隨時(shí)間而變化。

二、建模

時(shí)空數(shù)據(jù)建模主要是建立空間對(duì)象的數(shù)據(jù)模型，以便于對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行索引和查詢等操作。時(shí)空變化有六種類型，分別是屬性變化、靜態(tài)空間分布、靜態(tài)時(shí)間變化、動(dòng)態(tài)空間變化、過程轉(zhuǎn)換和實(shí)體運(yùn)動(dòng)。針對(duì)上述幾種時(shí)空變化，可以進(jìn)行建模，有基于屬性建模，也可以基于位置建模，還可以同時(shí)基于屬性與位置建模。時(shí)空概念模型主要是用來構(gòu)建對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行抽象描述所必需符號(hào)與形式化表示，可以將傳統(tǒng)概念模型擴(kuò)展成時(shí)空概念模型，也可以在原有時(shí)空概念模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新的時(shí)空概念模型。

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，通常有兩種建模方法。一種是在時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫中加入空間屬性與操作，另一種是在空間數(shù)據(jù)庫中加入時(shí)間屬性與操作。時(shí)空數(shù)據(jù)模型主要有快照模型、時(shí)空復(fù)合模型、基于事件模型、三域模型，以及基于對(duì)象模型等，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)情況，選擇合適的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。

移動(dòng)對(duì)象是指隨時(shí)間而連續(xù)變化的空間對(duì)象，它主要可以分為移動(dòng)點(diǎn)和移動(dòng)區(qū)域。由于移動(dòng)對(duì)象的位置隨時(shí)間的變化而連續(xù)變化，所以對(duì)行動(dòng)對(duì)象進(jìn)行建模就必須既要考慮連續(xù)模型，又要考慮離散模型。連續(xù)模型可以精確地描述移動(dòng)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)信息，但是由于計(jì)算機(jī)不易存儲(chǔ)和操作無窮多個(gè)移動(dòng)點(diǎn)，因此不易實(shí)現(xiàn)。離散模型通過以近似值描述移動(dòng)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)信息來實(shí)現(xiàn)，考慮到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源是有限的，因此用離散的概念對(duì)一個(gè)系統(tǒng)建模是非常必要的。

三、索引

時(shí)空數(shù)據(jù)索引的主要目的是對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)建立各種索引機(jī)制，以便有效地訪問這些數(shù)據(jù)，它是時(shí)空數(shù)據(jù)庫研究領(lǐng)域最活躍的研究方向之一。根據(jù)所處理數(shù)據(jù)信息的不同，索引方法可以分為三類，分別是索引過去、索引現(xiàn)在以及索引將來。

索引過去是對(duì)歷史的時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行索引，該類最常用索引方法有以下三種。（！）基于現(xiàn)有的空間索引。它是在現(xiàn)有的空間索引方法的基礎(chǔ)上，加入時(shí)間要素來實(shí)現(xiàn)。（2）基于重疊與多版本結(jié)構(gòu)索引。該方法需要有大量存儲(chǔ)空間，它將時(shí)間與空間分開進(jìn)行處理，其目的是保持所有空間數(shù)據(jù)在一個(gè)時(shí)間實(shí)例內(nèi)有效，而最終目的是為每一個(gè)時(shí)間實(shí)例構(gòu)建一棵獨(dú)立的R-tree。（3）面向跡線的索引。它優(yōu)先考慮對(duì)象的跡線，而其他屬性次之。

索引現(xiàn)在主要是關(guān)注對(duì)象的歷史與現(xiàn)在的信息。由于以前的時(shí)空索引技術(shù)假定所有對(duì)象的運(yùn)動(dòng)都是事先知道的，這樣就只需要存儲(chǔ)封閉的移動(dòng)對(duì)象軌跡，而不存儲(chǔ)當(dāng)前位置，所以無法對(duì)移動(dòng)對(duì)象的當(dāng)前位置進(jìn)行索引。索引現(xiàn)在的方法主要有散列法、2+3R-tree方法，以及LUR-tree方法。散列法僅僅保存對(duì)象的當(dāng)前信息，它將空間分成可重疊的分區(qū)，并且只有當(dāng)分區(qū)變化時(shí)才在數(shù)據(jù)庫中更新此信息。2+3R-tree用于索引移動(dòng)對(duì)象的現(xiàn)在與過去信息，該方法包括兩棵R-tree，一棵索引現(xiàn)在的二維對(duì)象，另一棵索引歷史的三維軌跡。LUR-tree方法僅僅考慮對(duì)象的當(dāng)前位置，而不存儲(chǔ)歷史的數(shù)據(jù)，其目的是要實(shí)現(xiàn)在頻繁處理移動(dòng)對(duì)象的更新時(shí)，不降低R-tree的索引性能。

索引將來主要是關(guān)注對(duì)象的現(xiàn)在與將來的信息，目前該類時(shí)空數(shù)據(jù)索引方法有PMR-quadtree和TPR-tree。PMR-quadtree用來索引移動(dòng)對(duì)象將來軌跡，并在R-tree中引入?yún)?shù)化界限矩形的思想。TPR-tree用來支持對(duì)任意維空間對(duì)象的索引。隨后很多研究者對(duì)TPR-tree進(jìn)行了改進(jìn)，例如TPR*-tree引入新的插入與刪除算法，STAR-tree引入自調(diào)整概念，RED-tree則解決了移動(dòng)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)信息長時(shí)間不能更新的問題。

四、查詢

時(shí)空數(shù)據(jù)查詢目前常用的方法主要有窗口查詢、運(yùn)動(dòng)對(duì)象最近鄰居查詢，以及TP查詢與LB查詢。窗口查詢針對(duì)時(shí)間序列，有兩種基本查詢方式，一種是前向查詢，另一種是反向查詢。時(shí)間序列是指按時(shí)間順序排列的一系列觀測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)實(shí)生活中人們通常只對(duì)某一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的事件感興趣，即有許多反向查詢僅涉及某一段時(shí)間區(qū)間。這樣一來，時(shí)間序列窗口查詢就成為反向查詢與正向查詢的合成。

運(yùn)動(dòng)對(duì)象最近鄰居查詢是時(shí)空數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵技術(shù)，它在智能導(dǎo)航、現(xiàn)代通信、交通控制和氣象預(yù)報(bào)等領(lǐng)域有著廣泛的需求。根據(jù)實(shí)際情況，如果允許不考慮被研究對(duì)象的形狀，該對(duì)象可以看作點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)對(duì)象最近鄰居查詢實(shí)際上是運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的最近鄰居點(diǎn)查詢，涉及到度量時(shí)空關(guān)系。

TP查詢可應(yīng)用于任何傳統(tǒng)查詢方法，并且查詢結(jié)果不僅返回由一般傳統(tǒng)查詢得到的結(jié)果，而且也返回該結(jié)果的失效時(shí)間T，以及在T后的結(jié)果變化。LB查詢可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的WQ查詢和KNN查詢，并且既可得到查詢結(jié)果，又可得到查詢的有效區(qū)域。例如一個(gè)LB查詢可能既返回一個(gè)離旅游者最近的賓館，又返回一個(gè)使該賓館保持最近的有效范圍。

五、結(jié)語

時(shí)空數(shù)據(jù)庫已經(jīng)成為了數(shù)據(jù)庫中一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，尤其是時(shí)空應(yīng)用的不斷出現(xiàn)，時(shí)空數(shù)據(jù)庫在GIS、多媒體應(yīng)用、導(dǎo)航系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和智能交通系統(tǒng)等方面的廣泛應(yīng)用前景，引起了廣大科技人員的濃厚興趣。近年來的許多研究成果更是證明了時(shí)空數(shù)據(jù)庫在處理時(shí)空信息方面有著強(qiáng)大的能力，并且許多研究者正在逐步將其研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)用的時(shí)空數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 湯庸. 高級(jí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社， 2008.