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空间数据库研究热点课题——空间数据库索引技术(上海交通大学出版社)

2006-06-08 11:12:19 来源：上海交通大学出版社网站2006.5.31

空间数据库的研究始于20世纪70年代的地图制图与遥感图像处理领域，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。随着地理信息系统（Geographic Information System，GIS）、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）、机器人、多媒体系统、数字地球、移动通信及定位服务等应用领域的发展，对空间数据库以及时空数据库的研究越来越受到人们的重视。

空间数据库索引技术是对存储在介质上的数据位置信息的描述，用来提高系统对数据获取的效率。空间数据库索引技术的提出是由两方面因素所决定的：其一是由于计算机的体系结构将存储器分为内存和外存两种，访问这两种存储器一次所花费的时间大约相差十万倍以上，尽管现在有“内存数据库”的说法，但实际应用中，绝大多数数据是存储在外存磁盘上的，如果对磁盘上数据的位置不加以索引和组织，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数据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。尤其是在与空间数据库相关的应用中，如地理信息系统、定位服务等，由于其涉及的是各种海量的复杂数据，索引对于处理的效率是至关重要的;其二是空间数据库所表现的空间数据多维性使得传统的数据库索引技术（如B-树等）并不适用，因为传统的数据库索引技术所针对的字符、数字等传统数据类型是在一个良序集之中，即都是在一个维度上，集合中任给两个元素，都可以在这个维度上确定，其关系只可能是大于、小于、等于三种。而空间数据库具有多维性，目前不存在从二维或高维空间到一维空间的映射，使得任何两个在高维空间接近的对象在一维排序序列中也相互接近。因此传统的数据库索引技术并不能对空间数据库进行有效的索引，需要研究特殊的能适应多维特性的空间索引方式。

空间数据库索引技术是提高空间数据库查找性能的关键技术，直接影响到空间数据库系统的成败。因此空间索引技术研究一直是空间数据库研究领域中的一个热点,对它的研究可以追溯至传统数据库中多属性数据的索引研究。多属性数据可以看成是多维空间的点，因此多属性数据索引（如kd-树、网格文件等）可以直接用于索引空间中的点状实体。对于其他形体的空间实体，如曲线、多边形、多面体等，则可以将其先映射成更高维空间的点，再采用点状目标的索引技术，或者采用某种方法将其映射成一维目标，再采用传统的索引技术（如B-树等），这是空间索引技术的第一种主要研究思路：目标映射。由于复杂的空间形体映射成高维空间的点后，目标间的空间关系不再保持，查找效率很低，因此人们提出了不允许索引子空间重叠的索引法。这种方法将索引空间按照某种策略划分成许多子空间，空间目标属于与其相交的子空间。对于非点状目标的索引，这种方法必然导致目标重复存储，除了存储开销较高以外，还会增加插入、删除操作的复杂度，这是空间索引技术的第二种主要研究思路：目标复制，如R+-树、mkd-树等。如果允许索引子空间重叠，将目标界定在某一索引子空间之内，则目标的重复存储可以避免，但索引子空间的重叠必然会导致多条查找路径，因此如何组织目标使索引空间的重叠最小是这类索引方法的主要目标，这是空间索引的第三种主要的研究思路：目标界定，如R-树、R*-树等。

随着数字城市、定位服务等概念的提出与应用，对大型空间数据库的性能提出了更高的要求。它不但要求能够有效地检索海量数据，而且要求能够有效地存储及检索随着时间推移，其位置关系在不断变化的移动数据对象。目前的空间索引技术的性能往往随着索引数据量的巨增及索引数据的不断更新而急剧下降，因此研究针对时空数据库中面向移动数据对象的索引技术迫在眉睫，它正越来越多地受到学术界的广泛关注。

本书系统地介绍了数据组织、数据检索与数据索引的相关概念，详细分析了传统数据库、空间数据库及时空数据库相关的索引结构、实现算法及性能分析，并探讨了目前几种商用数据库所采用的空间索引方法及空间数据库索引技术的发展趋势。本书共分13章。第1章简要阐述了数据对象与数据组织、数据库、空间数据库、数据库索引结构等基本概念；第2章详细介绍了数据文件的存储及组织方式；第3章介绍了几种常用的数据检索技术；第4章主要介绍了关系数据库检索的相关概念及几种具有代表性的数据库索引技术；第5章分析了空间数据库及空间检索的特点，讨论了空间索引技术的需求及分类。第6章至第11章，重点讨论了几种典型的空间索引结构、算法及性能分析，包括基于二叉树的空间索引、基于四叉树的空间索引、基于B-树的空间索引、基于动态哈希的网格索引、基于空间目标排序的索引及基于QR-树的空间索引；第12章，重点介绍了时空数据库索引技术的相关概念及几种具有代表性的时空索引技术；第13章，简单介绍了空间索引技术在几种商用数据库中的应用及研究发展动向。

由于我们水平有限，再加上空间数据索引技术还处在不断发展和完善阶段，书中错误在所难免，希望相关专家及读者给与批评指正。

本书研究成果得到了国家自然科学基金、国家863项目及上海交通大学学术出版基金的大力资助，在此一并表示感谢。

来源:上海交通大学出版社网站2006.5.31

本版责编：姜舒

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