3.3 时空数据库技术

时空数据库查询（续）
运动对象最近邻查询 最近邻居（ Nearest Neighbor,NN）：对于给定对 象 q 和 对 象 集 P={p1,p2…,pm}(m≥1), 求 满 足 |q,pi|(pi属于P)最小的pi.q和pi都是静止的。 将研究对象的运动状态扩展为静止的或运动的，就成 为运动对象最近邻查询 给定查询对象q及它的运动状态（运动速度和运动方向） 和初始位置，求对象 q 从起始位置 s 运动到终止位置 e 的过程中对象q的一系列最近邻居的对象集合 P={p1,p2…,pm}(m≥1)。 运动对象最近邻查询是时空数据库的关键技术，在智 能导航、现代通信、交通控制、气象预报等各个领域 都有广泛的需求
时空数据模型
时空概念模型
时空概念模型主要是用来构建对空间对象 进行抽象描述所必需的符号与形式化表 示，它是时空数据库系统应用开发的一 个重要步骤。下面归纳几种时空概念模 型。 1) 扩展现有传统概念模型。 2) 基于现有的时空概念模型。
时空数据模型（续）
时空 数 据 模型是指建立时空对象的数
据模型。一般地，可以通过时态数据库 或空间数据库扩展来对时空数据进行建 模。 1)在时态数据库中加入空间属性与空间操 作来进行时空建模。 2)在空间数据库中加入时间属性与时间操 作来进行时空建模。
时空数据模型（续）
时空数据模型（续）
移动对象模型
移动对象指随时间而连续变化的空间对
象。分为移动点和移动区域。 连续模Hale Waihona Puke Baidu 离散模型
3.3 时空数据库技术
计算机学院 赵传申
内容目录
3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 空间数据库简介 时空数据建模 时空数据索引 时空数据查询 时空数据库应用
概述-时空数据库的产生
伴随着信息化革命的深入发展，新的科学技 术的发展同新世纪的脚步发展形影不离。在当今 强劲发展的互联网世界，无线技术与定位技术相 互结合，共同发展，使现在的应用程序能够处理 移动的对象的位置数据，此如车辆、无线设备的 用户、海上运输等。也有其他的一些非时空对象 应用程序依靠无线定位技术来取样一些连续的、 多维的变量信息。这类应用程序都建立在大量时 空对象信息的收集的基础之上，于是空间一时间 数据库(简称时空数据库)就产生了。时空数据库 用来管理大量动态数据对象，在现在出现的大量 处理动态对象的应用程序中越来越重要(比如， 交通控制、气象监测、移动计算等)。
空间关系判断 一维空间中线段的关系
二维空间中边平行于坐标轴矩形间的关
系。
空间数据操作(续)
空间关系代数运算 空间选择 空间连接
空间数据操作(续)
空间数据查询语言
3.3.2
时空数据建模
时空变化的分类
（1）基于属性建模 属性突然变化 属性渐进变化 （2）基于位置建模 位置突然变化 位置渐进变化 （3）同时基于属性与位置建模 属性和位置突然变化 属性和位置渐进变化 属性突然变化而位置渐进变化 属性渐进变化而位置突然变化
时空数据库查询（续）
TP查询
对 于 与 预 测 性 时 空 数 据 库 (Predictive Spatio Temporal Database) ， Tao 与 Papadias 指出由于对象的运动型可能使传统 查询结果对于时空数据库而言是不够的。提出 了 TP 查 询 (Time -parameterized), 返 回 结果 R及其失效时间 T以及在 T后的记过变化。 扩展到连续查询，连续跟踪查询结果直到结果 变化满足某个条件为止。 LB查询 LB(Location-based) 查 询 ， 即 可 得 到 查 询 结果又可得到查询的有效区域。
时空数据库一节结束
谢谢！
研究内容
时空数据库的研究内容相当丰富，主要涉及时
空对象表达、时空数据建模、时空数据索引、 时空数据查询、时空数据库体系结构等，同时 时空数据库原型系统、时空推理、时空查询代 价模型等也为时空数据库的研究带来了一定的 挑战。
时空数据库主要是针对对象的时空信息进行分
析处理，它通常涉及时空对象表达、时空数据 建模、时空数据库体系结构、时空数据查询和 时空数据索引等几个方面的研究内容。
时空数据库查询
窗口查询:
前向查询：查找在 t 时刻或时间区间 [t’,t”] 内v的取值，用传统方法解决。 反向查询：在时间序列中查找等于值c或值域范 围[c1<v<c2]的时间点，也叫值查询。 现实生活种植对某一段时间内发生的事件感兴 趣，即许多反向查询仅涉及一段时间区间，而 不是整个时间区间，这样时间序列窗口查询就 成为反向查询与正向查询的合成。
应用
时空数据库的应用非常广泛，根据时空应用所
处理数据类型的不同，将时空数据库应用主要 归纳为如下三类。 1)处理时空对象的应用，如导航系统。 2) 涉及到空间对象定位的应用，对象的特征 与位置可能随时间而变化，但却不移动，如在 土地信息系统中，土地随形状的变化而改变位 置. 3) 结合上述两种情况的应用，如在生态环境 应用中，污染既作为一个移动现象而被测量， 同时它的特性和形状又随时间而变化。
空间数据库
事物都有其时间和空间属性，一般数据
库时间和空间属性都是隐含的（存储在 数据表的一些列中）
一些应用中，事物的空间信息需要成为
人们的主要查询对象和处理内容。
事物的空间信息，即事物在某个空间框
架（例如地球表面）中的位置信息。如 天文探测，GIS,城市规划等。
面向这类应用的数据库系统必需在常规系统的
空间数据操作(续)
空间数据的基本操作 相交（线与线、线与区域、区域与区域） （Intersection） 重叠(Overlap) 中心点（Center）求线段或者区域的几 何中心点 数值计算（两点间距离、两空间图形的最 大距离、最小距离、多点的直径、线的 长度、区域的周长）
空间数据操作(续)
空间数据类型
点（Point）点只表示其空间位置 线（ Line ）线不仅表示在线上各点在空间的
位置，而且还有长度，即表示其在空间的延伸 范围。 区域（ Region ）区域不但有位置，而且有面 积、周长等参数，以表示其覆盖范围。 划分（ Partition ）一个区域分成若干分区。 如果这些分区互不相交，但其并集覆盖该区域， 则此分区的集合就称为该区域的一个划分。 网络（Network）网络是由若干点和一些点与 点之间的连线组成。
基础上，增加空间数据类型及其相关操作，提 供空间素材及面向空间应用的交互式图形界面， 这样的数据库系统称为空间数据库。
另外一些应用中，尽管数据本身不是空间数据
类型，但却可以作为多维空间问题进行处理。 例如多属性查询->多维空间的搜索，应用空间 数据库技术，特别是空间索引技术。
空间数据特征
数据结构庞杂 – 简单的点、线空间对象，常常以集合为单位 进行使用。 – 空间事物结构极其复杂。不规则的多维空间 物体、分子结构 – 空间对象间的关系大多与应用有关，例如相 交、平行、邻近、包含、覆盖、相切等 难以定义空间顺序 查询过程复杂
时空数据索引
索引过去
（ 1 ）基于现有的空间索引：将现有的空间索引 方法的基础上加入时间要素。 （ 2 ）基于重叠与多版本结构索引：将时间和空 间分开来进行处理 （ 3 ）面向迹线的索引：优先考虑对象的迹线， 而其他属性次之。 索引现在：关注对象历史与现在的信息 索引将来：关注对象的现在与将来的信息。 时空索引技术是时空数据库的研究热点
空间数据类型的层次关系
SDT ADT ZS PT NZS LN RG NTW PTN CDT
空间数据类型的层次关系
空间数据操作
空间数据谓词 两个同类型空间数据是否相等（= 或 ≠） 空间数据 SDT 是否在区域 RG 中 (INSIDE)
两个大小非零的空间数据是否相交
（INTERSECTS） 两个区域是否邻接（ IS-NEIGHBOR-OF ）
概念
时 空 数 据 库 (Spatio-Temporal
DataBases, STDB)在二十世纪八十年 代末开始受到人们的重视。时空数据库 是时态数据库 (Temporal DataBases, TDB) 与 空 间 数 据 库 (Spatial DataBases, SDB) 的统一体，即包括 时间与空间要素，主要用于存储与管理 位置或形状随时间而变化的各类空间对 象。