王曉東

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

【關(guān)鍵詞】時空;時空數(shù)據(jù)庫;技術(shù)

一、引言

時空數(shù)據(jù)庫是時態(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)上增加時間要素而構(gòu)成的三維或四維數(shù)據(jù)庫，即包括時間與空間元素，主要用于存儲與管理位置或形狀隨時間而變化的各類空間對象。時空數(shù)據(jù)庫主要是針對對象的時空信息進(jìn)行分析處理，它通常涉及時空對象表達(dá)、時空數(shù)據(jù)建模、時空數(shù)據(jù)索引、時空數(shù)據(jù)查詢，以及時空數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)等幾個方面的研究內(nèi)容。

時空數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用非常廣泛，根據(jù)時空應(yīng)用所處理數(shù)據(jù)類型的不同，時空數(shù)據(jù)庫應(yīng)用范圍可以歸納為以下三類。（?。┨幚硪苿訉ο蟮膽?yīng)用，例如導(dǎo)航系統(tǒng)。（2）涉及空間對象定位的應(yīng)用，對象的特征與位置可能隨時間而變化，但卻不移動，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，污染既作為一個移動現(xiàn)象而被測量，同時它的特性和形狀又隨時間而變化。

二、建模

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

時空數(shù)據(jù)模型是指建立時空對象的數(shù)據(jù)模型，通常有兩種建模方法。一種是在時態(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)庫中加入時間屬性與操作。時空數(shù)據(jù)模型主要有快照模型、時空復(fù)合模型、基于事件模型、三域模型，以及基于對象模型等，在實際應(yīng)用中需要根據(jù)情況，選擇合適的時空數(shù)據(jù)模型。

移動對象是指隨時間而連續(xù)變化的空間對象，它主要可以分為移動點和移動區(qū)域。由于移動對象的位置隨時間的變化而連續(xù)變化，所以對行動對象進(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對象的運動信息，但是由于計算機不易存儲和操作無窮多個移動點，因此不易實現(xiàn)。離散模型通過以近似值描述移動對象的運動信息來實現(xiàn)，考慮到計算機系統(tǒng)的資源是有限的，因此用離散的概念對一個系統(tǒng)建模是非常必要的。

三、索引

時空數(shù)據(jù)索引的主要目的是對時空數(shù)據(jù)建立各種索引機制，以便有效地訪問這些數(shù)據(jù)，它是時空數(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。

索引過去是對歷史的時空數(shù)據(jù)進(jìn)行索引，該類最常用索引方法有以下三種。（?。┗诂F(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，加入時間要素來實現(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空間，它將時間與空間分開進(jìn)行處理，其目的是保持所有空間數(shù)據(jù)在一個時間實例內(nèi)有效，而最終目的是為每一個時間實例構(gòu)建一棵獨立的R-tree。（3）面向跡線的索引。它優(yōu)先考慮對象的跡線，而其他屬性次之。

索引現(xiàn)在主要是關(guān)注對象的歷史與現(xiàn)在的信息。由于以前的時空索引技術(shù)假定所有對象的運動都是事先知道的，這樣就只需要存儲封閉的移動對象軌跡，而不存儲當(dāng)前位置，所以無法對移動對象的當(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)變化時才在數(shù)據(jù)庫中更新此信息。2+3R-tree用于索引移動對象的現(xiàn)在與過去信息，該方法包括兩棵R-tree，一棵索引現(xiàn)在的二維對象，另一棵索引歷史的三維軌跡。LUR-tree方法僅僅考慮對象的當(dāng)前位置，而不存儲歷史的數(shù)據(jù)，其目的是要實現(xiàn)在頻繁處理移動對象的更新時，不降低R-tree的索引性能。

索引將來主要是關(guān)注對象的現(xiàn)在與將來的信息，目前該類時空數(shù)據(jù)索引方法有PMR-quadtree和TPR-tree。PMR-quadtree用來索引移動對象將來軌跡，并在R-tree中引入?yún)?shù)化界限矩形的思想。TPR-tree用來支持對任意維空間對象的索引。隨后很多研究者對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則解決了移動對象的運動信息長時間不能更新的問題。

四、查詢

時空數(shù)據(jù)查詢目前常用的方法主要有窗口查詢、運動對象最近鄰居查詢，以及TP查詢與LB查詢。窗口查詢針對時間序列，有兩種基本查詢方式，一種是前向查詢，另一種是反向查詢。時間序列是指按時間順序排列的一系列觀測數(shù)據(jù)，現(xiàn)實生活中人們通常只對某一段時間內(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間區(qū)間。這樣一來，時間序列窗口查詢就成為反向查詢與正向查詢的合成。

運動對象最近鄰居查詢是時空數(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)報等領(lǐng)域有著廣泛的需求。根據(jù)實際情況，如果允許不考慮被研究對象的形狀，該對象可以看作點。運動對象最近鄰居查詢實際上是運動點的最近鄰居點查詢，涉及到度量時空關(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LB查詢可能既返回一個離旅游者最近的賓館，又返回一個使該賓館保持最近的有效范圍。

五、結(jié)語

時空數(shù)據(jù)庫已經(jīng)成為了數(shù)據(jù)庫中一個重要的研究領(lǐng)域，尤其是時空應(yīng)用的不斷出現(xiàn)，時空數(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空數(shù)據(jù)庫在處理時空信息方面有著強大的能力，并且許多研究者正在逐步將其研究成果轉(zhuǎn)化為實用的時空數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

【參考文獻(xiàn)】

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