第十章基于空间目标排序的索引方法
基于空间和属性数据的联合索引技术
＞． ２ ＞ 叶 子 节 点 ： Ｃ ＮＴ Ｌ Ｖ Ｌ ＜ ｌ Ｍ ＢＲ１ ＜ＯＩ ．Ｍ ＢＲ２ （ ＯＵ ， Ｅ Ｅ ， Ｏｉ
种空间索 引算法是基于空 间数据建立索引 ，如 Ｒ 树、四叉树 一 索引等索 引算法…。在现 实中，很多空问查询是基于空 间数
据和属性 数据 的联合查询 。空间数据库通常对空 间数据建立 空间索引 ，对属性数据建立传统索引 ，如 Ｂ 一 ＋树索引。 本文在 空问索 引基础上 ，改进空 间和属性数据 的联合索 引，以实现支持空问和属性 数据 的联合查询 。空间索 引技术 已被广泛应用于 空间数据库 中，索 引算法通过 目录控制减少
间和属性数据 的联合索 引技术 ，在索引 目录项中加入属性数据提高联合检索速度 。实验结果表 明，该技术对于属性与空 问位置有较高相关
度 的数据 ，具有较高查询效率 。
关健词 ：空 间索 引；联合索 引；空 间查询 ；Ｒ 树 －
Ｃｏ ｂ ｎ ｄ Ｉ ｄ ｘ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｓ ｄ ０ ｐ ｔａ ｎ ｔ ｉ ｕ ｅＤａ ａ ｍ ｉ ｅ ｎ ｅ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｂａ ｅ ｎ Ｓ ａ ｉ ｌ ｄ Ａｔｒｂ ｔ ｔ ａ
按空间 目标映射方法 ，空问索引技术可分为 ２大类，即 基于空间 目标排序的索引方法和专 门的空 间索 引方法 ， ｄ Ｍｋ 一 树、Ｒ 一 ＋树、Ｒ 树及 Ｒ 树变体是专 门空 间索引方法的代表 。 一 一 Ｒ 树是 Ｂ 树在多维空间 的扩展 ，对于 Ｒ 一 一 一 树，它 的结 构与 Ｒ 树类似 。对于一棵 Ｍ 阶的 Ｒ 树 ，其节点结构描述 一 一
中圈分类号：Ｐ９ Ｔ３３
基 于 空间和属 性数据 的联 合 索 引技术
彭勤 生 ，方金 云 ，张 娟
（． １ 中国科 学院计算技术研究所 ，北京 １ ０ ９ ；２ 中 国移动通信集团广东有限公司 ，广州 ５ ０ ７ ） ０１０ ． １０ ５
空间索引技术研究_熊才权
收稿日期:2010-01-25;修回日期:2010-04-10基金项目:湖北省自然科技基金(2007ABA025)作者简介:熊才权(1966-),男,湖北鄂州人,博士,教授,研究领域为人工智能、数据挖掘、空间数据库。
空间索引技术研究熊才权1,马乐乐1,孙贤斌2(1.湖北工业大学计算机学院,湖北武汉430068;2.湖北工业大学土木工程与建筑学院,湖北武汉430068)摘 要:空间索引可以提高空间数据库的操作效率,目前人们的研究工作更多地集中在空间数据的多维索引的研究上。
文中全面地总结了当前空间数据库领域中空间索引以及时空索引的研究进展,描述了R 树系列索引的构建思想,节点插入与分裂操作的不同。
通过实验深入分析了R 树以及R 树变体的磁盘访问率,插入,删除,更新的CPU 时间,验证了在数据激增的情况下,R 树系列索引的复杂性带来的重叠问题会指数递增。
由于R 树当前应用的深度和广度,研究基于R 树的高效时空高维索引技术是解决索引应用问题一个有效方法。
提出了索引性能改进的方向在于多种索引技术的结合,尤其是树形结构索引和网状结构索引的结合。
关键词:空间数据;R-tree;空间索引;高维索引;时空索引中图分类号:T P311 文献标识码:A 文章编号:1673-629X(2010)10-0219-05Research on the Technology of Spatial IndexXIONG Ca-i quan 1,MA Le -le 1,SU N Xian -bin 2(1.School of Computer ,Hubei U niversity of T echnolog y,W uhan 430068,China;2.School of Civil Engineering and Architecture,Hubei U niversity of T echnolog y,W uhan 430068,China)Abstract:Spatial index can improve operational efficiency of the spatial database.Research is now more focused on th e multi-dimensi onal spatial data research on the index.In thi s paper,a comprehensive summary of the current field of spati al database research space indexed and spatiotemporal i ndex by a number of experimental pop-depth analysis of the index structure,describes the construction thi n ki ng,node inserti on and split operation of the R tree index series,through experiments i n-depth analysis the CPU time w hich the R tree and R tree variants .s disk access,insert,delete,update.Verify the case of surge in the data,R tree fami ly index of overlap caused by the complexity of the problem exponenti ally.As the R tree depth and breadth of the current applicati on,it is an effective w ay to solve applica -tion problems of index that research on the efficient tree-based on R tree high di m ensional space-time techniques.Fi nally proposed to improve the performance of the directi on of the index is a combination of a variety of indexing techniques,i n particular,the index tree structure netw ork structure and the combination of the index.Key words:spatial data;R-tree;spatial index;high dimensional index;spatiotemporal index0 引 言空间数据库的概念是随着地理信息系统的发展而逐渐引起人们的重视的。
实用数据结构基础(第四版)课后习题
一、判断题（第一章绪论）1.数据元素是数据的最小单元。
答案：错误2.一个数据结构是由一个逻辑结构和这个逻辑结构上的基本运算集构成的整体。
答案：错误3.数据的存储结构是数据元素之间的逻辑关系和逻辑结构在计算机存储器内的映像。
答案：正确4.数据的逻辑结构是描述元素之间的逻辑关系，它是依赖于计算机的。
答案：错误5.用语句频度来表示算法的时间复杂度的最大好处是可以独立于计算机的软硬件，分析算法的时间答案：正确（第二章线性表）6.取顺序存储线性表的第i个元素的时间同i的大小有关。
答案：错误7.线性表链式存储的特点是可以用一组任意的存储单元存储表中的数据元素。
答案：正确8.线性链表的每一个节点都恰好包含一个指针域。
答案：错误9.顺序存储方式的优点的存储密度大，插入和删除效率不如练市存储方式好。
答案：正确10.插入和删除操作是数据结构中最基本的两种操作，所以这两种操作在数组中也经常使用。
答案：错误（第三章栈）11.栈是一种对进栈和出栈作了限制的线性表。
答案：错误12.在C（或C++）语言中设顺序栈的长度为MAXLEN，则top=MAXLEN表示栈满。
答案：错误13.链栈与顺序栈相比，其特点之一是通常不会出现满栈的情况。
答案：正确14.空栈就是所有元素都为0上的栈。
答案：错误15.将十进制数转换为二进制数是栈的典型应用之一。
答案：正确（第四章队列）16.队列式限制在两端进行操作的线性表。
答案：正确17.判断顺序队列为空的标准是头指针和尾指针都指向同一结点。
答案：错误18.在循环链列队中无溢出现像。
答案：错误19.在循环队列中，若尾指针rear大于头指针front，则元素个数为rear-front。
答案：正确20.顺序队列和循环队列关于队满和队空的判断条件是一样的。
答案：错误（第五章串）21.串是n个字母的有限序列。
答案：错误22.串的堆分配存储是一种动态存储结构。
答案：正确23.串的长度是指串中不同字符的个数。
数据结构(C语言版CHAP10
分组方法:选定一增量d,将间隔为d的记录作为一组 例 待排记录 49 38 65 97 76 13 27 49 55 04 d=5 d=3 49 13 13 13 04 38 27 27 04 13 65 49 49 49 27 97 55 55 38 38 76 04 04 27 49 13 27 49 49 38 65 49 38 65 49 55 65 49 55 65 55 97 97 97 76 04 76 76 76 97
10.1
概 述
排序也是数据处理中经常使用的一种操作.例 高考考生信息管理 系统提供了将考生按总分排序,按单科排序的功能; 1 排序定义 设R1 R2 R3 … Rn 是n个记录,k1,k2, k3 … kn为它们的关键字,排序 就是将记录按关键字递增(或递减)的次序排列起来. 2 分类 按记录的存放位置分类有 内排序:待排记录放在内存 外排序:待排记录放在外存 按排序原则分类(内排序) 插入排序 交换排7,76,13,27,49 是待排序列
稳性排序的应用: 例 股票交易系统 考虑一种股票交易(清华紫光)) 1)顾客输入:股东帐号,股票代码,申购价格,数量,股票交易系统 将用户申购请求插入申购队列队尾; 2)股票交易系统按如下原则交易: A)申购价高者先成交 B)申购价相同者按申购时间先后顺序成交 结束 第 5 页
76 38 49 65 97 76 13 27 49
L.r[5]复制为哨兵 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
76 38 49 65 97 97 13 27 49
L.r[0].key < L.r[4].key, L.r[4]记录后移 L.r[0].key≥ L.r[3].key 找到插入位置 插入! 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
3D GIS空间索引技术
3D GIS空间索引技术3DGIS是新一代GIS技术的重要分支，是进行全方位、多层次、多要素时空分析的基础，开发结构简单、功能完善的真3DGIS软件是当前GIS研究人员的重要目标。
3DGIS需要管理大量的三维空间对象，且常常需要根据空间位置对这些对象进行查询、检索和显示操作。
为了处理这类空间操作，传统的关系数据库搜索方法需要花费大量的磁盘访问时间和空间运算时间。
为了提高检索效率，传统的关系数据库一般都建立一系列的索引机制，如B+树等。
目前常用的索引机制多是一维索引，无法有效处理3DGIS空间数据库中的三维空间地理实体。
因此，必须为3DGIS空间数据库建立专门的索引机制——空间索引。
空间索引是指根据空间要素的地理位置、形状或空间对象之间的某种空间关系，按照一定规律排列的数据结构，它介于空间操作算法和空间对象之间，筛选、排除与特定的空间操作无关的空间对象。
空间索引机制是快速、高效地查询、检索和显示地理空间数据的基础，其性能优劣直接影响GIS空间数据库的性能，关系到3DGIS软件系统的整体运行状况。
一、三维空间索引简介3DGIS是2DGIS在三维空间内的延展，是布满整个三维空间内的GIS，它与2DGIS的差异主要体现在空间位置的确定、空间拓扑关系的描述与空间分析的延展方向上。
3DGIS将三维空间坐标（x，y，z）作为独立的参数来构建空间实体对象模型，能够实现空间实体的真三维可视化，以立体造型来展现空间地理现象，它不仅能够表达空间实体之间的平面关系，还能够表达其垂向关系，在此基础上进行复杂的三维空间分析与操作。
在GIS由二维扩充到三维后，其处理的空间对象也由二维空间中的“点、线、面”扩充到三维空间中的“点、线、面、体”。
2DGIS对平面空间的“有限-互斥-完整”剖分是基于面的划分，而3DGIS对三维空间的“有限-互斥-完整”剖分则是基于体的划分。
在3DGIS 空间数据库中，空间实体的表达形式复杂，各种空间操作不仅计算量大，而且多具有面向邻域的特点。
Spatial Index
四、空间检索
基于属性特征查询
关系数据库 + 条件查询
基于空间关系和属性特征的查询
空间扩展SQL查询语言 SELECT…FROM…WHERE
【空间数据库原理】 武汉大学资源与环境科学学院 地理信息科学系 蔡忠亮
Theory of Spatial Database
四、空间检索
空间实体间的关系检索
面与面 线与线 点与点 线与点 面与线 面与点
【空间数据库原理】 武汉大学资源与环境科学学院 地理信息科学系 蔡忠亮
Theory of Spatial Database
一、索引文件
除记录本身的主文件外，还利用索引法列出一个键 值K与其对应记录Rk的磁盘地址A(Rk)的索引表，即索引是 由关键字和指针组成的索引项构成。
索引区 1 2001 2 3005 ……
Theory of Spatial Database
3、四叉树索引
线性四叉树空间索引
分层四叉树空间索引
【空间数据库原理】 武汉大学资源与环境科学学院 地理信息科学系 蔡忠亮
Theory of Spatial Database
4、 R树
【空间数据库原理】 武汉大学资源与环境科学学院 地理信息科学系 蔡忠亮
数据区 x1,y1... x2,y2… ……
缓存
【空间数据库原理】 武汉大学资源与环境科学学院 地理信息科学系 蔡忠亮
Theory of Spatial Database
1、索引非顺序文件
定义
索引表中顺序列出所有可能的键值（稠密索引），利用二分查找法查 找所需键值，得到所需记录地址。该方法存取快，且无需记录顺序排列。
Theory of Spatial Database
空间数据库
PPT思考题：绪论：地理信息是描述地表形态及其所附的自然和人文地物特征和属性的总称。
地理空间是一个相对空间，是一个空间实体组合排列集，强调宏观的空间分布和空间实体间的相关关系。
空间数据是指带有空间坐标的数据（非结构化特征）。
1、什么是空间数据库？是以特定的信息结构和数据模型表达、存储和管理从地理空间中获取的某类空间信息，以满足不同用户对空间信息需求的数据库。
2、空间数据库系统包括哪几部分？（1）矢量地形图数据库（2）数字高程模型库（3）影像数据库（4）数字栅格地形图（5）专题数据（6）电子地图（7）元数据3、空间数据库主要作用有哪些？（1）海量数据的管理能力（2）空间分析功能（3）设计方式灵活，满足用户要求（4）支持网络功能4、当前空间数据库存在的主要问题是什么？空间数据的获取与处理空间数据组织空间数据库系统空间数据共享研究5、影响空间数据库发展的关键因素是哪几个?空间数据库的计算平台；空间数据模型；空间数据库的组织管理模式。
第二章空间现象计算机表达1、空间实体：具有确定的位置和形态特征并具有地理意义的地理空间的物体2、空间索引相关概念及其包括哪些索引方式？空间索引：依据空间对象所在位置及分布特征，按一定顺序编排的一种数据结构，且该数据结构包含有对象标识和定位这些对象的内容的信息空间数据索引：是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系，按一定顺序排列的一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息，如对象的标识、外接矩形及指向空间对象实体的指针空间检索: 给定查询条件，利用空间索引从数据库中找出符合条件的空间数据的一种操作索引方式：BSP树、K－D－B树、R树、R+树和CELL树3、数据挖掘，空间数据挖掘有哪些方法？数据挖掘：一般是指从大量的数据中通过算法搜索隐藏于其中信息的过程方法：分类、回归分析、聚类、关联规则、特征、变化和偏差分析、Web页挖掘等4、地理系统：是指各自然地理要素通过能量流、物质流和信息流的作用结合而成的，具有一定结构和功能的整体，即一个动态的多等级开放系统5、栅格结构与矢量结构的比较第三章空间数据的物理组织文件管理：文件系统把有关数据组织成为文件并予以命名分页技术：即把内、外存空间按同样大小分成若干页面系统缓冲区：是主存中特别指定的一块存储空间，以存放从外存读入内存的数据或从内存写进外存的数据缓冲区管理：就是将缓冲区分成若干块，系统用一个程序分配这些缓冲块，并采用分配算法使缓冲区的利用为最佳文件组织：就是按一定的逻辑结构把有关联的数据记录组织成为文件（称为逻辑文件），用体现这种逻辑结构的物理存储形式把文件中的数据存放到某种存储设备上，使之构成物理文件的机构动态存储管理：研究数据结构的空间分配、回收的方法，以满足某种结构对存储的不同要求流水文件：是一种最简单的文件组织方法，即按照数据到达文件的时间顺序依次连续地存储数据，对数据不分析、不规范，记录的类型既可相同，也可不同索引文件：将每页的最后一个单词与页号列表，那么查单词可先查表（称为索引表），等确定页面号后，再细查该页面。
基于Oracle 10g Spatial空间数据库的索引与查询
查 且 分割 。规则 分 割 的 地 理 要 素 几 何 部 分 可 能 被 分 割 的莫 顿 码 存 储起 来 ， 找 时 也能 找到 目标对 象 ， 到几个 相 邻 的单 元 中 ，这 时 地 理 对 象 的描 述 保 持
利用 空 间索 引实 现空 间查询 。实践 证 明 ，在 Ｏａｌ １ｇＳ ａａ 中 ，对 相 同 的查 询 ，不 同 的空 间索 引 得 ｒ ｅ ０ ｐｔｌ ｃ ｉ 到 的查询结 果集 不一 定相 同 ，这 就需 要 选 择 合 适 的空 间索 引方 法 和方 式 ，提 高 空 间查 询 的效 率 和 质
收 稿 日期 ：２ ０ － ８ ０ ０６ ０ — ７ 基 金项 目：广 西 自然 科学 基金 资助项 目 （ 科 自０２ ２９ ；广西 教育厅 项 目 （ 桂 ７ ８ １） 桂教 科研 ［０４ ０ ２０ ］２ ）
维普资讯
第２卷 第 １ ８ 期
２０ ０ ８年 ２月
桂 林 工 学 院 学 报
Ｊｕ ｎｌｏ ｉ ｎＵｎｖ ｒｉ ｆＴ ｃ ｎ ｌｇ ｏ ｒａ ｆＧｕｌ ｉｅｓｔ ｏ ｅｈ ｏｏｙ ｉ ｙ
Ｖｏ ． ８ Ｎｏ １ ２ ．１ Ｆｅ ｂ．２０ ０８
文章编号 ：１０ ５ ４ （ ０ ８ １— １ １—０ ０ ６— ４ Ｘ ２ ０ ）０ ０ ３ ５
基 于 Ｏ ａｌ １ｇＳ ａｉｌ 间数据库 的索引与查询 ｒｃ ０ ｐ ｔ 空 ｅ ａ
李天琦 ，韦春桃 ，李全 杰
（ 桂林 工学 院 土木 工程 系 ，广西 桂林 ５ １０ ） ４０４
Байду номын сангаас
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else { switch (direction) {
....... case DOWN: hilbert(level-1,RIGHT); move(UP); hilbert(level-1,DOWN); move(LEFT); hilbert(level-1,DOWN); move(DOWN); hilbert(level-1,LEFT); break; } /* switch */ } /* if */
排序示例
→
→
order-1
order-2
... order (n+1)
Z-value
Z-ordering and Linear quad trees
如何将Z-排序与四叉树对应起来？
WE
0 , 1, 2, 3
(00 , 01, 10,11)
1
W,E,N,S : West,East,North,South
switch (direction) { case LEFT: move(RIGHT); /* move() could draw a line in... */ move(DOWN); /* ...the indicated direction */ move(LEFT); break; case RIGHT: move(LEFT); move(UP); move(RIGHT); break; case UP: move(DOWN); move(RIGHT); move(UP); break; case DOWN: move(UP); move(LEFT); move(DOWN); break; } /* switch */ }
第五部分
PART FIVE
总结与展望
结论 展望
主要结论与展望
基于空间目标排序的索引方法将多维空间目标映射为一 维空间目标。
如今一维索引技术已比较成熟，可实现快速存取和索引， 但是经过映射后，空间目标的空间关系往往会丢弃，导致高 维空间接近的对象在一维排序序列未必相互接近，从而影响 空间查询的效率与准确性。
In the future
目前的空间索引研究较多的局限于二维、 三维空间对象,而对高维空间索引技术
研究比较少。随着计算机硬件技术的发 展,空间索引的分布化或并行化正成为 一种崭新的研究思路。
致谢
Thanks！
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多维空间目标 映射
一维空间目标
关键问题：保持目标间临近关系
Row-wise or Snake-curve?
空间填充曲线：一条连续曲线遍历空间所有网格
横向填充
蛇形曲线
缺点 跨度太大
第二部分
PART TWO
Z-排序
基本思想 Z-排序值 Z-排序与四叉树
z-ordering
基本思想：基于空间填充曲线，将数据空间循环 分解到更小子空间。 ’
N
0 0
S 1
Z-ordering and Linear quad trees
... and repeat recursively
WE
z
= WN;WN = (0101) = 5
gray-cell
2
1 N
0
S
0Leabharlann 1Z排序的缺点？00
11
第三部分
PART THREE
Hilbert曲线
基本思想 实现方法 与Z-排序比较
Hilbert Curve
与Z-排序类似，也是一种空间填充曲线
1st order
2st order
3st order
enum { UP, LEFT, DOWN, RIGHT, };
void hilbert(int level,int direction=UP) { if (level==1) {
基于空间目标的
排序方法
物联网1302
主讲人
封
华
策划
徐云筱 闫冬 兰天翔
目录
Content
1.绪论 2.Z-排序 3.Hilbert曲线
4.位置键 5.总结与展望
第一部分
PART ONE
绪论
基本思想 关键问题 几种可能填充方法
Main idea and key problem
基本思想：索引空间 某种策略 若干网格 分配 编号 转换 数字
}
z-ordering&Hilbert - analysis
如何衡量空间填充曲线的优劣？
第四部分
PART FOUR
位置键
基本思想 分配策略 优缺点
Main idea
使用四叉树将数据空间递归分解为四个大小相等子空间（SW， NW，SE，NE）
每一个子空间与一个唯一五进制数值关联，称为位置键
某一子空间位置键k可由上级子空间k'得到，公式如下：
m:空间分解最大层次数 h:当前层次数
z-ordering
m:空间分解最大层次数 h:当前层次数
Advantages&Disadvantages
优点：利于空间目标属性信息与几何空间信息紧密结合 缺点：①表示象限往往大于目标包围矩形，精确度差
②目标标识重复存储，需额外开销 ③查询区域与各级子空间相交，查询效率低 ④拓展到多维索引困难且效率低