時空數據庫技術漫談

王曉東

【摘 要】任何事物都有其時間和空間特性，時空數據庫是包含時間和空間要素在內的數據庫系統。本文介紹了時空數據庫的基本概念和應用，以及時空數據的建模、索引和查詢技術。

【關鍵詞】時空;時空數據庫;技術

一、引言

時空數據庫是時態數據庫與空間數據庫的統一體，它是在空間數據庫的基礎上增加時間要素而構成的三維或四維數據庫，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。時空數據庫主要是針對對象的時空信息進行分析處理，它通常涉及時空對象表達、時空數據建模、時空數據索引、時空數據查詢，以及時空數據庫體系結構等幾個方面的研究內容。

時空數據庫的應用非常廣泛，根據時空應用所處理數據類型的不同，時空數據庫應用范圍可以歸納為以下三類。（?。┨幚硪苿訉ο蟮膽茫鐚Ш较到y。（2）涉及空間對象定位的應用，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中，土地隨形狀的變化而改變位置。（3）結合上述兩種情況的應用，例如在生態環境應用中，污染既作為一個移動現象而被測量，同時它的特性和形狀又隨時間而變化。

二、建模

時空數據建模主要是建立空間對象的數據模型，以便于對時空數據進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、靜態空間分布、靜態時間變化、動態空間變化、過程轉換和實體運動。針對上述幾種時空變化，可以進行建模，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建對空間對象進行抽象描述所必需符號與形式化表示，可以將傳統概念模型擴展成時空概念模型，也可以在原有時空概念模型的基礎上設計新的時空概念模型。

時空數據模型是指建立時空對象的數據模型，通常有兩種建模方法。一種是在時態數據庫中加入空間屬性與操作，另一種是在空間數據庫中加入時間屬性與操作。時空數據模型主要有快照模型、時空復合模型、基于事件模型、三域模型，以及基于對象模型等，在實際應用中需要根據情況，選擇合適的時空數據模型。

移動對象是指隨時間而連續變化的空間對象，它主要可以分為移動點和移動區域。由于移動對象的位置隨時間的變化而連續變化，所以對行動對象進行建模就必須既要考慮連續模型，又要考慮離散模型。連續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。離散模型通過以近似值描述移動對象的運動信息來實現，考慮到計算機系統的資源是有限的，因此用離散的概念對一個系統建模是非常必要的。

三、索引

時空數據索引的主要目的是對時空數據建立各種索引機制，以便有效地訪問這些數據，它是時空數據庫研究領域最活躍的研究方向之一。根據所處理數據信息的不同，索引方法可以分為三類，分別是索引過去、索引現在以及索引將來。

索引過去是對歷史的時空數據進行索引，該類最常用索引方法有以下三種。（！）基于現有的空間索引。它是在現有的空間索引方法的基礎上，加入時間要素來實現。（2）基于重疊與多版本結構索引。該方法需要有大量存儲空間，它將時間與空間分開進行處理，其目的是保持所有空間數據在一個時間實例內有效，而最終目的是為每一個時間實例構建一棵獨立的R-tree。（3）面向跡線的索引。它優先考慮對象的跡線，而其他屬性次之。

索引現在主要是關注對象的歷史與現在的信息。由于以前的時空索引技術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，而不存儲當前位置，所以無法對移動對象的當前位置進行索引。索引現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前信息，它將空間分成可重疊的分區，并且只有當分區變化時才在數據庫中更新此信息。2+3R-tree用于索引移動對象的現在與過去信息，該方法包括兩棵R-tree，一棵索引現在的二維對象，另一棵索引歷史的三維軌跡。LUR-tree方法僅僅考慮對象的當前位置，而不存儲歷史的數據，其目的是要實現在頻繁處理移動對象的更新時，不降低R-tree的索引性能。

索引將來主要是關注對象的現在與將來的信息，目前該類時空數據索引方法有PMR-quadtree和TPR-tree。PMR-quadtree用來索引移動對象將來軌跡，并在R-tree中引入參數化界限矩形的思想。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進行了改進，例如TPR*-tree引入新的插入與刪除算法，STAR-tree引入自調整概念，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

時空數據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據，現實生活中人們通常只對某一段時間內發生的事件感興趣，即有許多反向查詢僅涉及某一段時間區間。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據庫的關鍵技術，它在智能導航、現代通信、交通控制和氣象預報等領域有著廣泛的需求。根據實際情況，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，涉及到度量時空關系。

TP查詢可應用于任何傳統查詢方法，并且查詢結果不僅返回由一般傳統查詢得到的結果，而且也返回該結果的失效時間T，以及在T后的結果變化。LB查詢可以應用于傳統的WQ查詢和KNN查詢，并且既可得到查詢結果，又可得到查詢的有效區域。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、結語

時空數據庫已經成為了數據庫中一個重要的研究領域，尤其是時空應用的不斷出現，時空數據庫在GIS、多媒體應用、導航系統、生態環境系統和智能交通系統等方面的廣泛應用前景，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據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化為實用的時空數據庫管理系統。

【參考文獻】

[1] 湯庸. 高級數據庫技術與應用[M].北京：高等教育出版社， 2008.