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空间数据库索引技术 目录 空间数据库索引的理论基础 有代表性的空间数据索引结构 空间数据库的索引是提高空间数据库存储效率、空间检索性能的关键技术。 空间数据库索引的理论基础 空间数据 空间数据是指与二维、三维或更高维空间的空间坐标及空间范围相关的数据,例如地图上的经纬度、湖泊、城市等。典型的关系型数据库模式中,并没有存储空间数据的位置,它只能处理单维的属性数据。所谓单维属性数据是指传统类型(包括数字型、字符型等)的数据,它不包括描述空间位置和形状的坐标信息和描述空间关系的拓扑信息。与传统的数据库相比,空间数据的处理是一项时间和空间开销更大的操作。为了有效提高对空间数据的处理效率,空间数据库必须利用有效的索引机制。 空间数据 空间数据的特征 1.数据结构的复杂性和多样性 2.数据的动态性 3.数据的海量性 4.没有标准的空间代数操作 5.时间代价比较大 6.多尺度与多态性 7.不能排序性 8.空间关系特性 数据结构的复杂性和多样性 对于空间数据来说，空间对象有可能是点、线或者其他类型的对象，因此在数据库进行存储的时候，不可能用一种固定长度的数据类型来存取所有的数据，需要根据对象的不同情况来选择合适的数据结构。 没有标准的空间代数操作 数据的海量性 数据的动态性 这个特性要求数据结构要能够适应由插入、删除或者更新等操作所引起的数据的变化。 空间数据的数据量是非常巨大的，通常成为海量数据，一个城市的地理信息系统中的数据可以达到几十GB，若将视频数据也加在其中，可以达到TB的数量级。 在空间数据库中，空间对象的操作并没有一定的标准，通常要根据实际的应用领域来确定，而且操作是不封闭的,对象的相交可能形状就会发生变化，这也是导致空间代数操作不能标准化的重要原因。 多尺度与多态性 同一个空间对象，在不同的观察尺度具有不同的比例尺和精度，导致一个对象在不同的情况下，其表现的形态也各不相同,如一个城市一定的比例尺下就退化为一个点。 空间关系特性 不能排序性 空间对象都有其空间位置信息，无法对空间数据进行线性排序并且保证空间相邻的对象仍然能够相邻。 空间数据不仅仅包含了空间的位置信息，而且包含了对象的拓扑信息，这些信息方便空间数据的查询和空间分析，但同时也增加了对空间数据一致性和完整性的维护复杂度。 空间数据的海量性，加上操作的不标准，没有更好的标准的方法进行查询优化，所以对于各种操作所花费的时间代价也各不相同，但往往都高于传统的关系数据库的操作代价。 时间代价比较大 空间数据库索引的理论基础 空间数据库 空间数据库指的是GIS地理信息系统在计算机物理存储介质上存储的与应用相关的地理空间数据的总和，一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的。空间数据库的研究始于20 世纪 70年代的地图制图与调干图像处理领域，其目的是为了有效地利用卫星遥感资源迅速绘制出各种经济专题地图。由于传统的关系数据库在空间数据的表示、存储、管理、检索上存在许多缺陷，从而形成了空间数据库这一数据库研究领域。而传统数据库系统只针对简单对象，无法有效的支持复杂对象（如图形、图像）。 注：空间数据库就是将GIS中的图层、数据集、网络、拓扑关系存在关系等数据库中，如SQLSERVER 、ORACLE、Access等，就构成了一个空间数据库。 空间数据库索引的理论基础 空间索引 空间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。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与空间对象之间,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。空间索引的性能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。 空间索引结构的特点 1.动态构造 2.二级/三级存储管理 3.支持尽量多的操作 4.独立于输入数据及插入顺序 5.可增长性 6.时间的有效性 7.空间的有效性 8.并行性及可恢复性 动态构造 在数据库中，数据有动态和静态两种，由于对数据库中的数据需要有一定的操作，比如插入或删除，因此要求索引结构也必须能够与之保持一致，即空间的索引结构也应该支持动态的数据的插入和删除，以便于维护数据的一致性。 独立于输入数据及插入顺序 支持尽量多的操作 二级/三级存储管理 尽管随着技术的发展，主存的容量日益增大，但仍不能将一个完整的数据库调入到主存中，因此索引结构要充分考虑到二级以及三级的存储管理，以提高对这中间缓存的利用率。 输入数据的顺序对有些索引结构的索引效率产生一定的影响，有些索引结构在不同的输入顺序下会产生不同的索引并且性能差异很大，因此空间索引结构应该支持各种高维数据，并且支持