（计算机软件与理论专业论文）时空数据库若干关键技术研究.pdf

摘要 ￥5 7 8 9 85 随着g i r l 、c a d 、移动计算和多媒体数据库的不断发展，对于同时支持时间和空间 的数据建模和时空数据库系统的研究正在逐步深入。时空数据库是包括时问和空间要 素在内的数据库系统，它处理随时问变化的空问对象。时间和空间维的加入大大丰富了 数据j 苹的内容，它方面增加了数据库管理的复杂性：另一方面，海量的数据为空间 和时问分析提供了极其广阔的舞台。时空数据库在土地利用、房地产、交通、环境、 能源、军事等方面有着广泛的应用。作者着重研究了时空数据库的几个关键技术问题。 具体研究内容包括：时空数据模型、基于对象行为特征的时空拓扑模型、拓扑规则系 统、时空方位处理、空问数据索引和分史存储以及时空数据库实现等问题；研究的成 果为国产达梦数据库系统提供时空数据管理方面的技术支持。 提出了一种具有集成特点的时空数据模型。该模型在分析s q l 9 9 和o p e n g i s 等标 准在时空处理方面支持不足的基础上，采用了面向对象的方法分别扩展了空间数据对 象和时态数据对象，时空对象则是空间对象和时态对象的聚集，空间对象的变化由对 象的行为进行描述并以不同的版本表现出来。此外，通过量词符号在时域上的限制对 时空模型巾对象的时空运算、度量运算、时空拓扑和时空方位关系等四种基本关系进 行了语义扩展，在形式上将时态和空间谓词语义统一起来。这种模型克服了时空数据 模型在集成性方面缺乏系统研究的缺点，能够更好地适应时空信息系统的应用需求。 为了使所提出的时空模型能够处理因空间对象变化导致空间关系变化的问题，作 为对时空模型进一步深入研究和补充，在分析时空对象的行为特征的基础上，提出了 基于对象行为的时空拓扑模型。该模型描述了时空对象的当前空间拓扑集合、历史拓 扑集合以及变化的行为特征等信息；通过对象邻域计算以及时空拓扑分解和重构算法， 可将空问拓扑关系的变化沉淀到当前关系中，系统在时间维上仅仅处理当前的拓扑且 不需要更多的额外存储空间。这种模型对于描述时空拓扑提供了一种可行的觯决方案。 针对当前空间数据库和g i s 应用都没有提供完备的空间关系一致性的处理方法， 使得二者之问存在数据一致性维护方面的尴尬局面的现状，研究了对时空分析和表达 具有重要影响的时空拓扑1 致性的问题。通过对空问数据的拓扑致性问题进行研究， 分析了空问拓扑语义规则，扩展和改进了s s e r v i g n e 等人的拓扑约束模型，提出了+ 种全新的空问拓扑规则t r 模型。该模型无需存储所有拓扑关系，而是定义拓扑规则和 零扩j 囊弱患 拶， 约束表达式进行拓扑。致性维护；作为进步研究，采用版本化技术将这利处理策略 扩展到时空系统t j 得到时空拓扑规则s t r 模型，以处坪和维护时空系统小的时空拓扑 敛性。 时空模型中另外一个重要的问题是时空方位关系处理问题。方位查询是时空数据 库经常使用的查询条件，因此，时空数据库有必要提供方位查询和推理的机制。在分 析现有方位关系研究的基础上，以e g e n h o f e r 的9 交模型和方位关系矩阵为摹础，提 出了埽十改进的方位处理方法。该方法充分考虑到方位关系的语义对称性特点，以逆 向方位矩阵和方位面积占优的策略，完善并扩展了9 种基本空间方位关系谓侧和时空 方位关系谓词，并在传统的方位谓铡中增加了力位环绕的判断和处理方法。通过谓词 的扩展，使空问方位关系能得到更加精确地描述。作为空间拓扑关系的延伸，分析了 方位关系与空间拓扑关系的关系。 时空索引是实现时空数据模型的一个基本问题，时空数据的复杂性决定了时空索 引结构的复杂性。提出了种采用改进通用搜索树i g i s t 来建立空间数据索引的方法。 该方法改进了g i s t 方法中插入和删除中结点的分裂和合并的策略，将相邻结点之间的 分裂合并推广到多个结点，并且增加了数据装村的算法，该算法在空间利用率和查询 性能方面与g i s t 相比有较大提高。此外，考虑到时空系统r p 数据的变化特征，采用了 空问数据的分史存储策略，分析并给出了数据迁移的算法。利用空间索引结构并结合扩 充的时空元数据机制和分史存储技术，给出了时空数据模型实现中处理时空查询的时 空索引处理机制和策略。 最后，设计并实现了个扩展的时空数据库处理引擎的原型系统。该系统在总体 上采川了三层体系结构，包括应用程序和进行数据管理的时空数据库管理器，为应用 开发提供各种数据提供、数据分析和数据表现等服务功能的中问件以及底层扩展的时 空数据库管理系统。在此基础上，通过扩展元数据机制实现了一个基于国产数据库 d m 3 的时空数据库管理引擎s d xf o rd m 3 ，并在该原型系统上给出了扩展的时空算 子、时空拓扑维护和处理、数据迁移以及时空查询等方面的实验结果。 关键词：时空数据库；数据模型；拓扑关系：拓扑规则；方位关系；通用搜索树；分 史存储 i i a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fg i s ，c a d ，m o b i l ec o m p u t i n ga n dm u l t i m e d i ad a t a b a s e s ， s p a t i o t e m p o r a ld a t a b a s e sh a v eb e e nt h e f o c u so fc o n s i d e r a b l er e s e a r c ha c t i v i t i e so v e ra s i g n i f i c a n tp e r i o d s p a t i o t e m p o r a ld a t a b a s ec o n s i s t s o ft e m p o r a la n ds p a t i a le l e m e n t s i t d e a l sw i t hg e o m e t r i e sc h a n g i n go v e rt i m e t i m ea n ds p a c ed e e p l ye n r i c ht h ec o n t e n t so f d a t a b a s es y s t e m s t h e yi n c r e a s et h ec o m p l e x i t yo fd a t am a n a g e m e n t ；o nt h eo t h e r h a n d ，i ti s t h em e t r od a t at h a tp r o v i d e saw i d ea n di n c r e a s i n gr a n g eo fd a t a b a s ea p p l i c a t i o n sf o rs p a t i a l a n dt e m p o r a la n a l y s i sa n dr e a s o n i n g ，e s p e c i a l l y ，t h i se f f o r th a sl e a dt oi m p o r t a n ta d v a n c e s f o r s p a t i a l i n f o n n a t i o nt h a t c h a n g eu s u a l l y s p a t i o t e m p o r a ld a t a b a s e sn o wb e c o m e a n e n a b l i n gt e c h n o l o g yf o ri m p o r t a n ta p p l i c a t i o n ss u c ha sl a n du s e ，r e a le s t a t e ，t r a n s p o r t a t i o n ， e n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o n s y s t e m s ，e n e r g y r e s o u m ea n d m i l i t a r y s c i e n c ei nt h i s d i s s e r t a t i o nw ea d d r e s sr e s e a r c hi s s u e si n s p a t i o t e m p o r a ld a t a b a s e s t h em a i nc o n t e n t s i n c l u d es p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e l ，d a t am o d e lf o rs p a t i o t e m p o r a lt o p o l o g i c a lr e l a t i o n s h i p b a s e do nt h eb e h a v i o ro fs p a t i a lo b j e c t s ，t o p o l o g i c a lm l es y s t e m s ，h a n d l i n gs p a t i o t e m p o r a l d i r e c t i o n s ，s p a t i a li n d e x i n g ，s e g m e n t e ds t o r a g e a n d i m p l e m e n t a t i o n o fs p a t i o t e m p o r a l d a t a b a s es y s t e m s t h ep r o p o s e ds o l u t i o n sw i l l p r o v i d es u p p o r tf o rt h ed e v e l o p m e n to f s p a t i o t e m p o r a le n g i n ef o rd m 3 s i n c el o t so f s p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e l l a c ko f c o m p r e h e n s i v e n e s s ，t h ei n s u f f i c i e n c i e so f s u p p o r t i n gs p a t i o t e m p o r a ld a t ao fs q l 9 9a n do p e n g i ss t a n d a r d sa r ea n a l y z e d a p p l y i n g o b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d o l o g i e s ，a ni n t e g r a t e ds p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e li sp r o p o s e d t h e m o d e li n t e g r a t e sb o t h s p a t i a la n dt e m p o r a la b s t r a c td a t at y p e si ns q l 9 9 a n d o p e n g i s i n t h e m o d e l ，t h ec h a n g e so fs p a t i o t e m p o r a lo b j e c ta r ed e s c r i b e db yt h eb e h a v i o r so fo b j e c ta n d i n d i c a t e db yv e r s i o n so f o b j e c t s i ta l s oe x t e n d so t h e ro b j e c t st os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so f g e n e r a ls p a t i o t e m p o r a la p p l i c a t i o n s b a s e do n t h em o d e l ，s p a t i o t e m p o r a ls e m a n t i c ss u c ha s s p a t i o t e m p o r a lo p e r a t o r s ，s p a t i o t e m p o r a lm e t r i cr e l a t i o n s ，s p a t i o t e m p o r a lt o p o l o g i e sa n d d i r e c t i o n sa r ed i s c u s s e da n dau n i f i e ds p a t i a la n d t e m p o r a lp r e d i c a t e sp r o p o s e d ， b a s e do nt h e a n a l y s i s o ft h eb e h a v i o ro fs p a t i o t e m p o r a l o b j e c t ，a d a t am o d e lf o r s p a t i o t e m p o r a lt o p o l o g i c a lr e l a t i o n s h i pi sp r e s e n t e d d e p e n d i n go nt h ec o n c e p to fo b j e c t 1 1 i n e i g h b o r , a l g o r i t h m sf o rs p a t i o t e m p o r a lt o p o l o g yd e c o m p o s i t i o na n dr e c o n s t r u c t i o n a r e a l s op r o p o s e d u p o nt h em o d e la n da l g o r i t h m s ，u s e r sc a nt r a c en o to n l yt h eh i s t o r yo f o b j e c t i t s e l fb u ta l s ot h e r e l a t i o n s h i pa m o n go b j e c t s i nd i f f e r e n t p e r i o d b o t ht h e m o d e la n d a l g o r i t h m ss u p p l y av i a b l ew a yf o rd e s c r i b i n gs p a t i o t e m p o r a lt o p o l o g y t h ed i s s e r t a t i o n p r e s e n t s an o v e lv i e wo f s p a t i o t e m p o r a lt o p o l o g i c a lc o n s i s t e n c y c o n s i s t e n c yo fs p a t i o t e m p o r a ld a t a i sc r u c i a lf o re f f e c t i v ea n a l y s i sa n dp r e s e n t a t i o no f s p a t i o t e m p o r a ld a t a b a s e s h o w e v e r ，e x i s t i n gc o m m e r c i a ld b m s a n dg i s p a y l i t t l ea t t e n t i o n t os p a t i o t e m p o r a lt o p o l o g i c a lc o n s i s t e n c y t h i sp a p e rd e s c r i b e sam e t h o d o l o g yf o rs p a t i a l c o n s i s t e n c yi m p r o v e m e n t o f g e o g r a p h i c a ld a t as e t si nv e c t o rf o r m a t ar u l e - b a s e ds t r a t e g yi s p r o p o s e dt oh a n d l es p a t i a lt o p o l o g ys e m a n t i cc o n s i s t e n c y t h er u l e s a r eu s e dt og o v e r n t o p o l o g i c a lr e l a t i o n sb e t w e e np a i r so fo b j e c t sa sw e l la sm u l t i p l eo b j e c t si nd a t a b a s e sb y d e f i n i n gr u l e sa n dc o n s t r a i n te x p r e s s i o n s a sa f u r t h e rr e s e a r c h ，t h es t r a t e g yi se x t e n d e dt o s p a t i o t e m p o r a ls y s t e m sb yi n t r o d u c i n g v e r s i o n e dr u l e st om a i n t a i n s p a t i o t e m p o r a l c o n s i s t e n c y t h ep r o p o s e dt e c h n i q u e sd on o tn e e dt o s t o r ea l l t o p o l o g yr e l a t i o n s i nt h e s y s t e m s a u t o m a t e d a n ds e m i - a u t o m a t e d a p p r o a c h e s f o r a d j u s t m e n t o fi n c o n s i s t e n c i e s a m o n go b j e c t sa r ea l s op r o p o s e d t h en o v e l r u l e - b a s e dt o p o l o g i c a lm a n a g e m e n ti su s e f u lf o r d e t e c t i n gt o p o l o g y r e l a t i o ni nl o c a lr a n g e i ta l s oi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo f d a t aa n a l y s i s d i r e c t i o ni s f r e q u e n t l yu s e da s as e l e c t i o nc o n d i t i o ni ns p a t i o t e m p o r a lq u e r i e s i ti s i m p o r t a n tf o rs p a t i o t e m p o m l d a t a b a s e st op r o v i d eam e c h a n i s mf o rm o d e l i n ga n dp r o c e s s i n g d i r e c t i o nq u e r i e sa n dr e a s o n i n g d e p e n d i n go nt h ed i r e c t i o nr e l a t i o nm a t r i x ，a t li n v e r s e d i r e c t i o nr e l a t i o nm a t r i xa n dt h ec o n c e p to fd i r e c t i o np r e d o m i n a n c ea r ep r o p o s e dt oi m p r o v e t h ed e t e c t i o no fd i r e c t i o nr e l a t i o nb e t w e e no b j e c t s d i r e c t i o np r e d i c a t e so fs p a t i a la n d s p a t i o t e m p o r a ls y s t e m ss u c ha s “s u r r o u n d a n d “s u r r o u n d e d b y ”a r ea l s oe x t e n d e d t h e s e t e c h n i q u e sc a ni m p r o v e t h e v e r a c i t yo fd i r e c t i o nq u e r i e sa n dr e a s o n i n g a s af u r t h e r r e s e a r c h ，r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p a t i a lt o p o l o g ya n dd i r e c t i o na r ea n a l y z e d t h er e s e a r c h r e s u l t se n r i c ht h et h e o r yo fs p a t i o t e m p o r a ls y s t e m s a ni m p r o v e dg e n e r a l i z e ds e a r c ht r e eo ri g i s ti s p r o p o s e dt o i n d e x s p a t i a l d a t a t h e m e t h o di m p r o v e st h en o d es p l i ta n dn o d em e r g es t r a t e g i e si ng i s t ，i tu s e sm o r en o d e st h a n t h a to n l yt w on o d e su s e di ng i s td u r i n gt h et i m eo fn o d es p l i t t i n ga n dm e r g i n g i ta l s oh a s t h em e t h o do fp a c k i n gt r e e ，w h i c hi n c r e a s e st h es p e e do fb u i l d i n gt h et r e e e x p e r i m e n t i n d i c a t e si g i s ti sb e a e rt h a ng i s ti ns y s t e me f f i c i e n c ya n ds p a c eu t i l i z a t i o nr a t i o f u r t h e r m o r e ，s e g m e n t e ds t o r a g es t r a t e g i e sa n dd a t am i g r a t i o na l g o r i t h ma l s op r o p o s e dt om a n a g e s p a t i o t e m p o r a li n f o r m a t i o n b a s e do ns p a t i a li n d e x ，s e g m e n t e ds t o r a g ea n ds p a t i o t e m p o r a l m e t a d a t a ，s t r a t e g i e sa n dm e c h a n i s m sf o rs p a t i o t e m p o r a lq u e r yp r o p o s e d a sar e s u l to fa l lt h e s e p r o p o s e dt e c h n i q u e s ，t h ea r c h i t e c t u r eo fas p a t i o t e m p o r a lp r o t o t y p e i s d e s i g n e d t h ep r o t o t y p es y s t e mn a m e ds d xf o rd m 3i sa l s oi m p l e m e n t e db a s e do n d m 3a n dt h ep r o p o s e dt e c h n i q u e sa r et e s t e do ni t e x p e r i m e n t ss h o we x c e l l e n te f f i c i e n c y a n d p e r f o r m a n c ei nv i e wo f q u e f i e sa n dc o n s i s t e n c i e s k e y w o r d s ：s p a t i o t e m p o r a ld a t a b a s e s ；d a t am o d e l ；t o p o l o g i c a lr e l a t i o n ；t o p o l o g i c a lr u l e s ； d i r e c t i o nr e l a t i o n ；g e n e r a l i z e ds e a r c ht r e e ；s e g m e n t e ds t o r a g e v 1绪论 1 1 课题研究的背景、目的和意义 随着g i s 、c a d 、移动计算和多媒体数据库的不断发展，对于同时支持时间和空间 的数据建模和时空数据库系统的研究正在逐步深入。时问、空间和属性特征作为空间 文体特征的重要组成部分，为了准确地描述客观世界，必须建立能够表达时问、空间 和属性关系的时空信息系统，将空间数据、属性数据和时问特征紧密结合，并解决它 们之问的关系。因此，无论是在理论上还是实际应用中，人们都提出了将时间和空间 结合起来进行研究并运用到实践中的要求。 传统的空间数据库和时态数据库的研究基本上是处于相互独立的状态。空间数据 库的研究侧重于对数据库中对象的几何模型和空间查询方面的支持；时态数据库的 研究则丰要关注对于： 前信息和历史信息的处理和扩展，即有效时间和事务时间的表 达。1 。正是由于两者所处理的对象均具有空间和维的概念，在此基础上，集成两方面 的研究就变得很有必要，这就是时空数据库研究的任务和来源。随着“数字地球”的 概念的提出，对时空数据库系统的研究正成为数据库系统研究人员和地理信息系统研 究人员所共同关心的热点课题。 时空数据库是包括时问和空问要素在内的数据库系统，它处理随时问变化的空间 对象。其研究得益于空间数据库特别是地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m s ， g i s ) 的研究和广泛应用。早期的g i s 主要用于计算机辅助制图和简单的信息管理，进 入7 0 年代以后，由于计算机硬件和软件技术的飞速发展，促使地理信息系统朝实刚化 方向发展。据统计，在7 0 年代大约有3 0 0 多个系统投入使用。1 9 8 0 年美国地质测查 局出版的空问数据处理计算机软件报告，总结了1 9 7 9 年以前世界各国空问信息系 统的发展概况。这期问，g i s 技术已经受到政府部门、商业公司、大学和研究机构的普 遍重视，成为一个引人注目的领域。到8 0 年代，g i s 系统软件和应用软件已经从解决 基础设施规划( 如道路、输电线) 的单一应用领域转向更复杂的麻用领域，例如土地 的农业利，h 、城市化的发展、人口规划与安置等，地理因素成为投资决策中不可缺少 的依据。进入9 0 年代，随着地理信息产业的建立和数字化信息产晶在全球的普及，地 理信息系统已开始进入到各行各业，并开始着手构建数字地球的t 作，到1 9 9 5 年，市 场上有报价的软件已达上千种，并且涌现出一些有代表性的g i s 软件。“。与g i s 发展 息息相关的空问数据库研究同样取得了许多成果：提出了栅格、矢量和栅格与矢量混 台的数据模型“，采用了基于r 树、网格的索引算法“1 “1 ，扩展了点、线、多边形、 区域等多利，空问数据类型，发展了空问关系理论。 与空问数据库的研究和广泛应用相比，时态数据库的研究相对要晚，自1 9 8 4 年以 来，应人事、档案、病历、金融等领域对数据管理和分析的强烈要求，数据库专家开 始对数据的时态特征建模和管理进行了大量的研究。已经提出了关系表、元组和属性 字段时问标记的时态关系数据模型：提出了时亥t j ( i n s t a n t ) 、有效时间( v a l i dt i m e ) 、事务 时问( t r a n s a c t i o nt i m e ) 和双时态时问( b i t e m p o r a l ) 等时间标记概念；发展了相应的数据库 理论，包括时态关系代数与时态关系演算、时态关键字的定义、时态依赖、范式定义 与规范的时态关系分解原则，同时初步探讨了时态索引机制、时态数据存放策略和时 态查询语言等“。 尽管空问数据库和时态数据库研究在各自的领域内取得了巨大成就，然而，传统 的空问数据库和时态数据库在集成时空特征方面都缺乏有力的支持。空间数据库虽然 扩展了点、线、多边形和区域等概念，但是，对时态表达缺乏相应的语义表达和操作， 对空间数据引入时态特征进行描述后所带来的新问题缺乏深入的研究：时态数据库虽 然在时态表达力面比较灵活，然而对于表达空问变化方面的研究同样缺乏深入的研究， 更何况在市场上并没有。个具有通_ i = | 性的商业时态数据库出现。既然空间、时间和属 性是现实世界的仃何对象都具有的三个基本特征，抛弃任何个方面研究客观对象都 是不全面的，时空系统要能够回答空间现象的基本问题：在何时( w h e n ) 、何地( w h e r e ) 空问对象( w h a t ) 发生了什么样的变化以及如何变化( h o w ) 的。因此，吸收空间数据库和 时态数据库的研究成果，对时空信息的建模、存储、管理、分析和处理的集成研究成 为现代时空数据库研究的任务。本课题正是基于这种背景下开展起来的。 本课题研究内容得到了国家高技术发展研究计划( “8 6 3 ”计划) 产品研究项目一 一分布式多媒体数据库管理系统d m 3 以及面向网络海量空问信息的大型g i s 项日的子 课题达梦空间数据库研究的资助。课题研究的主要目的在于：跟踪国内外的发展 动向，立足技术创新产品跨越，研究时空数据库模型中的关键技术问题，包括时空数 据建模的理论与实践、时空信息系统中的元数据机制、时空信息系统的一致性维护方 法，特别是时空拓扑和方位关系的一致性研究、时空信息的索引与历史信息的迁移存 储策略和时空信息系统设计问题，为新代达梦数据库产品的时空信息处理引擎的研 制提供技术支持。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 空间数据库研究 空问数据库的研究是从地理信息系统开始的，与传统的数据库管理系统的主要区 别在于：空问数据库侧重研究空问数据存储和管理，它要提供对空问数据类型和查询 语言的支持，并且还要提供进行空问数据处理的索引机制和空间连接算法以便进行空 间奄询优化。空问数据库研究涉及空间数据建模、空间查询代数、空间数据的存储 索引、空间查询优化、空间关系分析、空问数据库体系结构等方面。 地理信息系统是指用各种现代化方法米采集、量测、分析、存储、管理、显示、 传播和应用与地理空问分布有关的数据的门综合和集成的信息科学和技术系统，是 测绘、遥感、计算机和应j j 数学以及各种应用学科的有机结合”。“。g i s 发展的1 个特 点在于它是从应用开始，在应用，l j 不断地丰富和完善g i s 理论。m a r b l e 等在1 9 8 4 年就 指出地理信息系统的发展应着重研究空间数据的算法，数据结构与模型以及数据库符 理系统等三个方面。1 9 9 8 年1 月3 1 日，美国副总统戈尔在“数字地球一认识2 1 世纪 我们这颗星球”的报告中提出了“数字地球”的概念“1 ，它勾画出了信息时代人类在 地球上生存、工作、学爿和生活的时代特征。从技术角度看，伴随着g i s 的发展，空间 数据库的研究同样取得了巨大的成功。 1 数据模型 在数据模型方面，提出了基于场( f i e l d b a s e d ) 的数据模型和基于对象( o b j e c t b a s e d ) 的数据模型，前者认为空间是连续的，所有空间对象的信息不过是空间变换函 数的集合，后者则认为，空间是离散的，所有的空间对象都是可以标识的。这两种不 同的出发点建立的模型就是栅格模型和矢量数据模型“1 。 矢量数据建模方面，当前采j j 较多的方法是采用基于离散几何对象建模方法，该 方法采_ | j 欧氏空问进行近似处理，将空间对象看作是由p o i n t 、l i n e 、r e g i o n 及其集合 对象构成，并由此扩充点、线、面等空问数据类型；为了便于系统实现，建立了空间 代数模型，该模型涉及空间数据类型的多种操作运算，如谓训操作、空间对象运算操 作、空间度量运算和空间对象集合运算等，这些模型巾著名的是基于r e a l m 模型“”建立 的r o s e 代数“，该模型具有结构简单、直观的特点。 另外种建模方法是基于组合拓扑方法进行建模，其基本概念包括甲纯形和简草 的复合形【”1 。该模型巾，每一个d 维单纯形是该维中最小的对象，如0 维单纯形是点， 一维单纯形是线段，2 维单纯形是三角形，三维单纯形是四面体。 还有。类数据模型建立在约束模型的基础上，这类模型认为空间对象不过是由空 问超平坷对空问划分而导致的结果，这些结果可以通过代数表达式组成的约束条件进 行表达，一般采j h 线性约束模型：约束数据库具有较好的形式化描述，便于进行空间 查询表达的扩展，典型的原型系统包括d a d a l e 1 。1 。在这些数据模型的基础上，提出 了扩展的空问查询语言s p a t i a ls q l “。 总的米看，建立空问代数需要考虑“：( 1 ) 扩展性。由于空间类型定义、操作与 应 j 密切相关，空间代数要便于用户扩展数据类型和相应的运算。( 2 ) 完全性。即是 否存在形式化的准则使得在某种程度上只需要一组操作集合便可以得到所有其他操 作，目前，拓扑关系可以做到，如：m e g e n h o f e r 提出的空间对象的4 一交模型和9 一交 模型“3 以及c l e m e n t i n i 。”扩展的基于维数的9 交模型。( 3 ) 是使用种数据类型还 是多利一数据类型? 一般说来，单数据类型容易获得运算上的完备，多种类型易于进 行有效的表达。( 4 ) 集合运算。 2 空间查询处理 空问查询处理方面，研究的内容涉及空间索引机制和查询代数。由于空问数据的 复杂性，空问索引研究主要有两类：点索弓i 和区域索引。 点索引采州近似方法表达空间数据，将空间数据映射到维空间中存储，该方法 适合进行的查询包括：范围查询、n n 查询和距离扫描查询；点索引结构有：z 一排序力 法，将d 维空问区域映射为2 d 维空间的点的变换方法：g r i df i l e ，k d 一树，k d b 一树，l s d 一 树以及h b 树等等。 基于区域方法的基本思想是利用近似方法逼近空间对象，一般采用空间对象的外 界矩形( m b r ) 进行逼近，适合的查询包括：相交查询和包含查询；矩形结构索引包括： r t r e e ，r - t r e e ，r o t r e e 等等”“1 。 此外，由于在应用中不断有新的数据类型和查询方式出现，若针对每一种新出现 的数据类型和查询方式都设计一种索引结构显然是不可取的，因此现代应用要求索引 结构具有定的可扩展性。通用搜索树( g e n e r a l i z e ds e a r c ht r e e ，g i s o 就是一种这样 的结构，g i s t 支持数据类型和查询谓侧的可扩展，g i s t 将索引项中的搜索码看作某利n 胃 词，它内置实现了索引树的维护方法( 如查询、插入和删除数据) ，用户只需实现搜索 码类和有关的六个方法便可实现一种具体的索引结构。利用g i s t 可以实现多利一树结构， 如b + 树、r 树、r d 树等。文献。”分别改进了g i s t ，使之支持多谓词索引和搜索策略的 可扩展性。著名的数据库系统p o s t g r e s 就是采用g i s t 实现了其一维索引和空问多维 索引功能。 其他方法包括四叉树、c e l l 树索引。不论哪种索引方式，从查询代数角度看都要 支持空问选择、空问连接、空间函数的应用和其他集合操作，这种查询要求导致空间 过滤和求精的查询处理策略”。，如：= 1 前商用的数据库o r a c l es p a t i a lc a r t r i d g e 、 d b 2 的s p a t i a le x t e n d e r 和i n f o r m i x 的d a t a b l a d e 都支持这种策略“”。 3 系统实现 在系统实现方面，文献 1 给出了实现空问数据库系统所要满足的基本条件。这些 条件包括表达空间数据类型的空间代数、空间原子操作、空间索引、空间存取方法、 查询过滤优化技术、空问连接算法、空间成本分析函数、空间选择连接的选择性估计、 优化器的扩展、包含空间数据类型的s q l 扩展、用户接口扩展等方面。 具体的实现体系结构则包括：( 1 ) r r d b m s + 文件结构。这种方式将空问实体的属 性州数据库系统进行管理而将空问信息以空问数据文件的方式进行存储。这种方式使 得g i s 在数据的安全性、一致性维护和数据共享方面表现不足，早期的g i s 如a r c i n f o 采用这科1 方案。( 2 ) 分层体系结构。这种结构将所有的空间处理操作放在d b m s 之上处 理，d b m s 只充：j 空间数据的存储器，这种方案使得系统整体性能受损：( 3 ) 对偶结构。 将空间数据和属性数据分离，二者建立种二元结构进行关联，这种方案使得查询必 须分解为空间查询和属性查询，并由两个d b m s 分别进行查询处理，系统无法建立全局 查询优化，目前许多主流g i s 支持这种方案。( 4 ) 集成结构。通过扩展关系数据库系 统使其支持空间数据的存储处理，这些扩展包括对象机制引入、用户自定义数据类型、 空问索引和查询优化等；这类系统的原型包括p o s t g r e s q l ”2 ”1 ，p r o b e ”“，e x o d u s 。“， s t a r b u r s t 。”1 等，商用产品包括o r a c l es p t i a lc a r t r i d g e ”、d b 2 的s p a t i a le x t e n d e r 。3 年h i n f o r m i x 的d a t a b l a d e 3 。 4 空间数据库的其他研究成果 空间数据库的其他研究成果包括三维g i s 、时态g i s 、空间元数据建立、空间数据 交换标准以及多元数据融合和互操作方面，这些成果表现在o p e n g i s 和s o l 9 9 的p a r t 3 侧。 日前，对已有空间数据库的研究成果需要进步进行的工作包括：改进空间索引 方法的并发控制策略、改进查询优化的成本模型和查询连接策略以提高性能，扩展已 有的空间处理方法支持空间方位和度量关系，扩展对网络数据模型的支持，加强对栅 格数据模型的研究。空间数据库研究另外的发展方向则是从二维静态向多维动态以及 网络方向发展。通过互联网发展w e b g i s ，以实现远程查询所需要的各种地理空间数据， 包括图形和图像数据，而且可以进行各种地理空间分析；通过空间数据仓库( s p a t i a l d a t aw a r e h o u s e ) 和空间数据挖掘( s p a t i a ld a t am i n i n g ) ，从空间数据库中自动发现知 识，用来支持遥感解译自动化和g i s 空间分析的智能化，为第四代g i s 。”提供相关技术 支持。 1 2 2 时态数据库研究 6 0 年代末期，人们已经开始认识到时态信息的重要性并展开了基础研究，自8 0 年代年以来，虑人事、档案、病历、金融等领域对数据管理和分析的强烈要求，数据 库专家开始对数据的时态特征建模和篱理进行了大量的研究。包括四个方面比较有代 表性的t 作。 1 提出了关于认知时问的各利慨念。j b e n z v i “在时态数据库研究中提出了时 1 4 区问的概念，引入了有效时问( v a l i d t i m e ) 和事务时间( t r a n s a c t i o n - t i m e ) 的双时 态( b i t e m p o r a l ) 的概念。有效时间是反映客观现象和事实的一种真实状态，这种状态 可以是已经过去的，也可以是现在的，还可以是将来的。这种状态