空間分布模式驅(qū)動(dòng)的空間數(shù)據(jù)組織與索引研究.pdf

1、空間數(shù)據(jù)組織與索引是空間信息技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。隨著智慧城市的快速推進(jìn)、VGI(Volunteered Geographic Information)及LBS(Location Base Service)應(yīng)用的迅速發(fā)展，空間數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出爆炸式增長(zhǎng)，面對(duì)這些類型多樣、體量龐大、增量迅速，以多維域和非結(jié)構(gòu)化為特征的空間大數(shù)據(jù)，現(xiàn)有組織與索引方法出現(xiàn)了查詢與分析效率低下、存儲(chǔ)與傳輸成本過高等一系列問題。針對(duì)這些問題與挑戰(zhàn)，建立有效組織與索引方式是推

2、動(dòng)空間大數(shù)據(jù)應(yīng)用與分析的關(guān)鍵。
　　空間數(shù)據(jù)庫是空間數(shù)據(jù)管理的主要場(chǎng)所，其研究主題包括空間數(shù)據(jù)模型、空間數(shù)據(jù)組織、空間索引以及空間操作等。當(dāng)前空間數(shù)據(jù)庫研究主要存在三個(gè)方面的問題:①空間劃分方面:無論是以空間驅(qū)動(dòng)的“忽略對(duì)象的空間劃分”，還是以對(duì)象驅(qū)動(dòng)的“忽略空間的對(duì)象劃分”，都沒顧及地理對(duì)象的群體定位特征，使得當(dāng)前空間劃分的適應(yīng)性受到限制;②組織存儲(chǔ)方面:現(xiàn)有組織方式將地理對(duì)象離散化存儲(chǔ)，割裂了地理要素間的聯(lián)系，沒有充分顧及地理

3、對(duì)象的空間鄰近性與空間異質(zhì)性，難以平衡空間數(shù)據(jù)的多維域與計(jì)算機(jī)的線性結(jié)構(gòu)化之間的基本矛盾，導(dǎo)致現(xiàn)有組織與索引方式效率低下，支持地理計(jì)算和地理場(chǎng)景模擬能力明顯不足;③空間索引與空間操作方面:現(xiàn)有平衡樹索引結(jié)構(gòu)保證了查詢性能卻帶來了較大的構(gòu)建與更新代價(jià)，非平衡樹結(jié)構(gòu)保證了構(gòu)建與更新效率，卻難以處理聚集分布模式下產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傾斜問題，且忽略了空間數(shù)據(jù)組織存儲(chǔ)模型的重要影響，缺乏空間索引與組織存儲(chǔ)模型一體化的高效空間操作算法。由此可見，現(xiàn)有的空間

4、數(shù)據(jù)組織與索引方法研究注重計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)主題，缺乏對(duì)地理規(guī)律和空間信息科學(xué)領(lǐng)域知識(shí)的重視，不能有效解決計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)化線性存儲(chǔ)與非結(jié)構(gòu)化多維空間數(shù)據(jù)之間的矛盾，難以滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代海量空間數(shù)據(jù)的組織與索引需求。
　　為了突破以對(duì)象離散化與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)化為特征的現(xiàn)有空間數(shù)據(jù)組織與索引方式，本文針對(duì)空間數(shù)據(jù)組織與索引領(lǐng)域上述三個(gè)關(guān)鍵問題展開研究。
　　主要研究?jī)?nèi)容與成果如下:
　　(1)空間分布模式探測(cè)與空間劃分方法。從對(duì)象的空間鄰

5、近性與空間異質(zhì)性入手，在空間分布模式分類與定量參數(shù)描述的基礎(chǔ)上，引入劃分子區(qū)面積與周長(zhǎng)變異系數(shù)指標(biāo)，提出了空間分布模式的快速探測(cè)方法。隨后引入空間鄰近性的定量描述指標(biāo)局部密度ρ和空間異質(zhì)性的定量描述指標(biāo)斥群距離δ，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了聚集空間分布模式下多目標(biāo)約束的局部聚類空間劃分方法，并給出了基于決策圖的離群對(duì)象優(yōu)化方法。
　　(2)顧及空間鄰近性與空間異質(zhì)性的層次嵌套組織模型。從鄰近性與異質(zhì)性對(duì)空間數(shù)據(jù)組織的影響機(jī)制與約束規(guī)則入手，基于面

6、向文檔的非關(guān)系模型，針對(duì)具有層次嵌套結(jié)構(gòu)與多種地理現(xiàn)象共存并相互作用的地理綜合體，設(shè)計(jì)了空間數(shù)據(jù)的層次嵌套組織模型，向上實(shí)現(xiàn)了模型之間的嵌套打包組織方法，向下實(shí)現(xiàn)了模型內(nèi)部模式自由、易擴(kuò)展的非結(jié)構(gòu)化組織方法。
　　(3) PatternList空間索引。分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)空間索引查詢、更新與維護(hù)代價(jià)的重要影響，引入概率化的線段跳表結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了半平衡空間索引PatternList。給出PatternList的查找、插入、刪除操作

7、流程和三種操作的時(shí)間復(fù)雜度分析。隨后結(jié)合層次嵌套組織模型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了PatternList支持下的空間數(shù)據(jù)操作算法與動(dòng)態(tài)批量更新策略。
　　三大主要研究?jī)?nèi)容緊密相連層層遞進(jìn)，空間分布模式探測(cè)與空間劃分方法是整個(gè)研究的基礎(chǔ)，層次嵌套組織模型是數(shù)據(jù)組織存儲(chǔ)的模式，PatternList空間索引結(jié)構(gòu)是空間劃分與層次嵌套組織模型的映射，PatternList支持下的空間數(shù)據(jù)操作為本文空間數(shù)據(jù)組織與索引方法提供算法支撐，最終構(gòu)建了VGEs原型