时间：2022-11-11 08:30:01 | 来源：信息时代
时间：2022-11-11 08:30:01 来源：信息时代
时空数据库管理系统 : 一种能有效组织、管理和处理随时间变化的空间数据的数据库管理系统,具有如下功能:
(1)是一个数据库管理系统,包括传统数据库所具有的功能。
(2)应具有处理时空数据的时空数据类型和查询语言。
(3)应能支持时空索引和有效的时空连接(JION)操作。
由于一个时空对象涉及到空间、时态和传统的属性信息,时空数据库管理系统的研究涉及计算机科学、地理学、数学等学科。
以前,空间数据库和时态数据库是两个不同的分支,空间数据库重点研究空间数据的表示、存储、处理与查询等,而时态数据库重点研究如何表示和处理数据库中随时间变化的数据,通常是传统数据。目前人们已意识到应该集成时间和空间,研究时空数据库,因为大量的应用涉及到时空数据。
一个空间点可能随时间而改变它的位置,为了完整地反映该点的信息,数据库中应该存储该点的全部历史信息,这个空间对象就是一个移动的点。同理,一个区域也可能随时间移动、扩大或缩小。时空数据库管理系统实际上就是能够处理时空对象的数据库管理系统。要能够有效地表示、管理和处理时空对象的空间、时态和属性信息三者之间的复杂关系,传统的数据库技术已不能满足其需求,需要研究时空数据库的数据模型、存储结构、索引方法、查询语言、用户接口,尤其是时空拓扑分析操作和算法等。
国外学者从20世纪90年代初、中期开始在数据库、多媒体数据库、GIS、计算几何等领域进行了移动空间对象的研究。其方法主要采用快照(snapshot),即把时空数据表示成一系列的快照,大多数研究的重点是扩充空间模型或时态模型来表示和处理时间数据或空间数据。
在时空数据库研究领域中,最著名的研究项目当属欧盟的CHOROCHRONOS项目。该项目是从1996年5月开始的一项研究时空数据库的项目,它由希腊、德国、丹麦、英国、瑞士、奥地利、意大利等国的一些大学从事GIS、空间数据库、时态数据库等方面的研究组构成,目的是从不同的方面和领域研究时空数据库,提高欧盟研究时空数据库的能力。主要研究内容包括: 时间、空间数据的机理、结构和表示方法,数据模型和查询语言,用于时空信息的可视化界面,存储结构,索引技术,查询处理,以及时空数据库的系统结构。该项目发表的65篇论文在理解时空应用的需求、数据模型、索引结构、查询处理、系统结构等方面促进了该领域研究的发展。
在时态数据库中引入SDT(空间数据类型)是一种简单的方法,称之为SDT-TDB(具有空间数据类型的时态数据库)。这种方法自然而合理,即时间属性由系统定义和维护,具有SDT类型的属性由用户定义,实际上是把时态数据库和空间数据库的技术进行简单的集成。SDT-TDB可以有效地表示与处理与时间有关的空间对象,但难以处理任何移动的空间对象,如描述森林中某处火灾是如何发展的(火灾区域可能随时间扩大、缩小和移动)。同时,对诸如“某国历史上曾经达到的最大版图是什么”的这类查询,SDT-TDB是低效的,因为不管在关系DBMS还是在对象-关系DBMS平台上,必须首先查询出描述该实体的所有元组或对象,然后再把操作应用于该元组或对象集合上。除此以外,定义元组或对象集合上的操作并把它们集成到查询语言中处理也是困难的。
参照空间数据库,对随时间变化或移动的空间对象可表示为: (points,t)、(lines,t)和(regions,t)。一个移动点则由一系列的偶对(Pi,Ti)构成,每个偶对表示在某个瞬间或某个时间区间Ti该移动点所处的坐标位置Pi,随着时间的变化该移动点就表示一条或多条轨迹线。与SDT-TDB不同的是:对某一移动点mp,在不同的时间它可能有不同的坐标位置,所有这些坐标值和时间值都作为移动对象mp的值,将全部存储在mp中,这就为设计能有效地存取移动空间数据和支持移动空间对象分析操作的数据结构和算法提供了保证。如在医学应用中,病人的癌症区域随着时间变化可能扩大或缩小。如仅把在不同时刻的癌症区域作为不同的实体,则必须借助于应用程序才能求诸如癌症区域的变化率等。但把癌症区域定义为时空对象后,不同时刻的癌症区域就作为一个整体,通过求移动区域变化率的操作即可求解癌症区域的变化率。
在时空数据库中,引入mpoints(移动点)、mlines(移动线)和mregions(移动区域)能够描述各种移动空间对象,还必须引入新的与时态有关的数据类型才能支持一些操作。如求两架飞机(对应两个移动点)航线间的距离,其结果不是一个实数,而是一组具有时间的实数,反映了两架飞机在不同的时刻所对应的距离。用mpoints表示飞机航线,具有更丰富的语义,能够支持更多的操作。为了表示和处理移动空间数据,除了mpoints、mlines和mregions外还需要什么数据类型,需研究时空数据的各种分析操作来决定。
与传统数据处理不同,对时空对象的处理主要是拓扑分析操作,时空对象的离散化表示和数据结构直接关系到时空拓扑分析操作算法的实现。
目前,时空数据库管理系统的实现方法主要有三种:
(1)直接在关系DBMS之上加一个处理时空数据的模块——时空支持层,把时空数据分解成元组直接存储在关系中。缺点是系统必须在时空支持层处理时空数据,这意味着首先需把关系中的元组数据转换成时空数据,导致系统的低效率,也制约了复杂时空操作的实现。
(2)任一个时空对象由两部分组成,其时空信息存储在时空子系统中,属性信息存储在关系数据库中,时空数据和属性数据通过系统内部的指针联系。优点是由于存在两个存储管理器,避免了把时空数据直接存储在关系中,对时空数据可以采用合适的数据结构和算法,以提高系统的效率。缺点是一个查询必须分解成两部分由关系DBMS和时空子系统分别处理属性数据和时空数据,影响系统的查询效率,也导致难以进行全局查询优化。
(3)基于可扩充数据库的方法,方法是运用可扩充DBMS(OODBMS或O-R DBMS)的可扩充性建立一个能够支持时空数据类型和时空拓扑分析操作的ADT机制,与可扩充DBMS集成为时空DBMS。这种方法具有如下的优点: ①由于可扩充DBMS的可扩充性,在DBMS中可直接定义时空数据类型和时空拓扑分析操作,并能达到无缝集成;②时空DBMS能够像处理DBMS固有数据类型(如String)一样来处理时空数据类型(如mregions);③对时空数据类型的操作与对固有数据类型的操作一样,即求两个mregions的并和求两个String的并在原理上是一样的; ④由于将时空子系统集成进可扩充DBMS中,DBMS能够直接存取和处理存储在时空子系统中的时空数据; ⑤根据应用的需要,利用其可扩充性来增加新的时空分析操作; ⑥缩短了研制周期。
目前,时空DBMS仍处于研究阶段,主要集中在时空数据模型、时空索引机制、时空查询处理、时空拓扑分析操作与算法、不确定时空对象处理技术等方面。尽管目前已有几种时空DBMS原型系统,如ParaDB、STDB等,但是这些系统只能处理某类时空对象,且通过一些前提简化了实际情况,距离真正意义上的时空DBMS还很远。
时空数据库管理系统的应用领域非常广泛,在军事、国防、航空航天、地理、农业、环境、市政、交通等方面应用前景广阔。
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