空间数据库之空间索引

空间索引
空间索引
➢ 目前,国际上研究出许多高效的空间索引方法,常见的空间索引 方法一般是自顶向下、逐级地划分地理空间,从而形成各种树 状空间索引结构。比较有代表性的规则分割方法包括规则格网 索引方法(Ｊｏｎｅｓ,1997年)、ＢＳＰ树(Ｆｕｃｈｓ,1983 年) 和ＫＤＢ树(Ｒｏｂｉｎｓｏｎ,1987年)等。基于对象的 分割方法包括Ｒ树(Ｇｕｔｔｍａｎ,1984年)、Ｒ+树(Ｓｅｌ ｌｉｓ,1987年)和Ｃｅｌｌ树(Ｇｕｔｔｍａｎ,1991年;刘 东,1996年;陈述彭, 1999年)等。
作业：绘出格网索引建立过程和基 于该所引开窗检索目标过程的程 序流程图
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主要的索引技术
为解决平衡问题,人们相继提出了平衡的二叉树及AVL树,但这 些树仍局限于内查找.为了寻找一种适合外查找且能动态维持索 引树平衡的结构,因而就应运面生了B-树和B+树
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•索引文件
•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 录的磁盘地址的索引表，即索引是由关键字和指针组成的索引项 构成。
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索引非顺序文件
➢ 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。
➢ 建立方法：记录按输入的顺序放入数据区，同时软件在索引区 建立索引表，待全部数据输完后，软件自动将索引表排序。
索引排序
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索引非顺序文件
地理信息系统原理
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问题的提出
假想让我们在一个没有进行任何管理的图书馆中索取一份自己 想要的资料，让我们在一个没有字母索引的字典里查找生字， 用焦头烂额来形容是再合适不过了。为了避免这种毫无方向漫 无边际的检索我们必须提出一种能加快定位速度的有效方法， 于是索引技术应运而生。给一个庞大的数据集找到一个有效的 索引体系是十分重要的，特别对于空间数据这种海量数据而言 更是如此。所以有这样的说法“海量数据如无索引管理将寸步 难行，必将成为‘数据坟墓’，丢不敢丢，用不能用”。因此， 一个信息系统不论是一般的关系型数据库还是空间数据库,其一 项根本的任务就是信息的检索查询。能否快速的检索信息是数 据库性能高低的一个主要的标志。
空间索引
空间索引
➢ 构造一个高性能的空间索引系统要解决几个主要问题：1,高速查询， 在大资料量的条件下能进行实时查询；2,很快更新空间索引；4,不受坐标 系或投影变换的直接影响
➢ 空间索引的性能的优劣直接影响空间数据库和地理信息系统的 整体性能，它是空间数据库和地理信息系统的一项关键技术
➢ 删除 ✓ 删除索引项，数据区保留，重新组织文件时消除之。 ✓ 删除数据，索引保留，重新组织文件时消除之。
➢ 增加 ✓ 数据放在文件末尾，增加索引项，并排序。
➢ 修改 ✓ 查找相应位置，修改记录内容。
（修改前后内容大小不一致时，涉及到删除增加操作）
* 便于增删记录
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多级索引
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索引顺序文件 ➢ 是一种按照逻辑键值排序的索引文件，是用嵌入索引的手段 把顺序文件予以扩充，以加速查找，记录的物理顺序与索引 中键值的顺序是一致的。（采用稀疏索引）
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索引的概念
索引对大家来说并不陌生的，如日常生活遇到的词典中索引， 文献中的词条索引，等等这些生活中的索引（以及书籍目录等） 中就包括了计算机索引结构的基本原理
索引的基本构件是索引项。一个索引项中有关键词值和指针， 通过指针就可找到含有此关键词值的记录，即一个索引项为： （关键词值，指针）。多个索引项就构成了一个索引（表）
➢ 步骤： ✓ 划分行列（M X N）； ✓ 计算网格大小及每个格网的矩形范围； ✓ 开辟目标空间（记录目标穿过的网格）和格网空间（记录 格网内的目标）； ✓ 注册点、线、面、注记等目标，并记录之；
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格网索引（Grid Index)
➢ 查询：首先计算出用户查询对象所在的网格,然后通过该网格 快速查询所选地理对象。
空间索引
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➢ 就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 关系按一定的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。
➢ 作为一种辅助性的空间数据结构，空间索引介于空间操作算法 和空间对象之间，它通过筛选作用，大量与特定空间操作无关 的空间对象被排除，从而提高空间操作的速度和效率
索引本身也是一个文件，当索引很大时，也可将其分块，建立 高一层的索引。如此继续下去，直到最高级索引不超过一个块 时为止，这样就得到了一个多级索引结构
索引通常置于磁盘或内存，内存中一般只存放最高级索引。一 旦对一个大型数据文件建立了索引而形成了索引文件，则不论 是对随机查找，还是对顺序查找都是方便的
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空间索引
空间索引
➢ 尽管有许多特定的数据结构和算法用来完成空间索 引,但基本原理相似,即采用分割原理,把查询空间划 分为若干区域(通常为矩形或多边形),这些区域或单 元包含空间资料并可唯一标识。目前,有两种分割方 法,一种是规则分割方法,另一种是基于对象的分割 方法。规则分割方法是将地理空间按照规则或半规 则方式分割,分割单元间接地与地理对象相关联,地 理要素的几何部分可能被分割到几个相邻的单元中, 这时地理对象的描述保持完整、而空间索引单元只 存储对象的位置参考信息。在基于对象的分割方法 中,索引空间的分割直接由地理对象来确定,索引单 元包括地理对象的最小外接矩形
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格网索引（Grid Index)
➢ 思路： 是将研究区域用横竖线条划分大小相等或不等的格网，
记录每一个格网所包含的空间实体。当用户进行空间查询时， 首先计算出用户查询对象所在格网，然后再在该网格中快速 查询所选空间实体，这样一来就大大地加速了空间索引的查 询速度。
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格网索引（Grid Index)
主要的索引技术
如何组织索引文件是索引技术中的主要问题.对名级索引可采 用定长记录固定组块的方式,并可对索引进行再索引,层层上去, 直到最高级索引不超过系统规定的一个块的大小为止.这样,整 个索引文件就构成了一棵以索引块和记录块为的索引树
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主要的索引技术
树状数据结构有很多,如二叉树,多叉树等,它们都可用来构成 索引文件.但是,这些结构主要有以两方面的问题,其一是大都只 适于内查找,即所要查找的资料均放在内存中;其二是易引起所 谓不平衡的问题.对后者我们以二叉树为例.当二叉插入记录时, 每次都从根开始比较关键词的大小,比根小的放到根的左子树中, 比根大的则放到根的右子树中,在子树中重复上述过程,直至找 到记录的正确位置.在这种不加控制的情况下,树中可能会出现 长短不一的分枝,即有的可能很长,有的可能很短.这种人根到叶 的路径不等长的现象就叫做不平衡.如果出现不平衡,则在检索 时平均查找次数可能变大,使得查找效率大为降低
➢ 建立方法：数据按顺序分块存放（块间相临），记录每块
的最后记录键值及块的首地址形成索引表。
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索引顺序文件
一级索引
两级索引
空间索引
索引顺序文件 ➢ 删除 ✓ 物理删除 ✓ 逻辑删除 ➢ 增加 ✓ 避免移动过多文件，将之暂放于溢出 取。（重新组织文件时归位） ➢ 修改 ✓ 查找相应位置，修改记录内容。
* 索引紧凑，查找速度快。
*不足：增删较麻烦，多次增删后，文件的空间利用率、 存储效率均降低，需要重新组织文件。
空间索引
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➢ 其一是由于计算机的体系结构将内存分为内存、外存两种，访 问这两种内存一次所花费的时间一般为30~40ns，8~10ms，可 以看出两者相差十万倍以上,尽管现在有“内存数据库”的说 法，但绝大多数资料是存储在外存磁盘上的，如果对磁盘上资 料的位置不加以记录和组织，每查询一个数据项就要扫描整个 数据文件，这种访问磁盘的代价就会严重影响系统的效率，因 此系统的设计者必须将资料在磁盘上的位置加以记录和组织， 通过在内存中的一些计算来取代对磁盘漫无目的的访问，才能 提高系统的效率,尤其是GIS涉及的是各种海量的复杂资料，索 引对于处理的效率是至关重要的