一种双时态时空模型和索引机制

收稿日期:2002208207.作者简介:卢炎生(19492),男,教授;武汉,华中科技大学计算机科学与技术学院(430074).一种双时态时空模型和索引机制卢炎生　唐　波　秦　川(华中科技大学计算机科学与技术学院)摘要:建立了一种支持三维空间和双时态的时空模型,给出了模型的形式化定义,讨论了时空数据类型.并在此模型上提出了一个基于R 树的统一时空索引(UST 2TREE )机制,定义了节点结构,并分析、描述了此索引的结构及原理.所提出的索引机制可大大提高数据的检索效率,减少了冗余信息.关　键　词:时空数据库;数据模型;索引中图分类号:TP311.131 文献标识码:A 文章编号:167124512(2002)1220006203 时空数据模型和时空索引机制是时空数据库的基础和关键技术,其性能的高低决定了整个数据库的效率[1～3].本文就这两个方面进行了研究和探讨,提出了一种支持三维空间和双时态的“三维双时态时空数据模型”和支持该模型的“统一时空索引(Unified Spatiotemporal Tree ,简称UST 2TREE )”机制,现分别介绍如下.1　三维双时态时空数据模型时空数据库中的物体在空间上可以看成一个三维空间立体结构,若再增加对时间维的信息表达,即是依赖于时间的空间对象,因此可以从空间模型出发扩展得到时空数据模型.1.1　模型的数据结构在一个时空数据库STDB (Spatiotemproal Database )中的所有空间对象都是与时间相关的,时间不仅包括对象的有效时间(valid time ),还包括事务时间(transaction time ),同时使用这两种时间就可以完整地保存对象的历史信息和当前信息.时空对象的形式描述如下:STDB ∷=〈T T ,〈T V ,S µ;T T ∷=〈EV EN T 〉|〈PERIOD 〉;T V ∷=〈EV EN T 〉|〈PERIOD 〉;EV EN T ∷=〈T S 〉;PERIOD ∷={T S 1,T S 2};T S ∷={t s i |t s i ∈D (t ),I =1,2,3…},其中,T T 和T V 分别是事务时间和有效时间;EV EN T 表示时间点;T S ∈D (t )是时间域中的一个值;PERIOD 是一个二元组;{T S 1,T S 2}表示时间区间,T S 1,T S 2∈D (t ),S 指空间对象.另一方面,时空数据中的空间数据可以分为三类,即点对象、线对象和多边形对象,这里采用三维无穷空间作为时空数据库的空间域,各种对象的基本结构形式化定义如下:S ∷=〈POIN T 〉|〈L IN E 〉|〈POL YG ON 〉;POIN T ∷=〈〈Pid 〉,〈Attr 〉,〈x ,y ,z 〉〉;L IN E ∷=〈Lid ,〈Attr 〉,〈〈x 1,y 1,z 1〉,〈x 2,y 2,z 2〉〉〉;POL YG ON ∷=〈Pgid ,〈Attr 〉,((x 1,y 1,z 1),(x 2,y 2,z 2),…,(x n ,y n ,z n ))〉;Attr ∷=non -spatiotemporal attribute ;Pid ∷=the ID of the POIN T ;Lid ∷=the ID of the L IN E ;Pgid ∷=the ID of the POL YG ON ;〈x ,y ,z 〉∷={(x i ,y i ,z i )|(x i ,y i ,z i )∈D (S ),i =1,2,3…};其中,D (S )表示空间域;〈X ,Y ,Z 〉表示空间点坐标;Attr 表示非时空属性,即常规属性.1.2　模型的数据类型时空数据库中的数据类型可以分为常规数据类型,时态数据类型,空间数据类型.具体可参考文献[1].2　统一时空索引目前,比较有代表性的时空索引都是在空间索引R 树及其各种变形的基础上发展起来的,如第30卷第12期 华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版) Vol.32　No.122002年　12月 J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Nature Science Edition ) Dec.　20023D2R树,TPR2TREE等.通过研究与分析发现,时态域中的时间点、时间段与空间域中对象的点、线等概念之间存在着对应关系,因此在R树的基础上提出了一种支持前述时空数据模型的“统一时空索引(UST-TREE)”机制.2.1　统一时空索引的结点结构UST2TREE由一个包含有效时间的空间索引和一个双时态索引两部分组成.其索引树结点可具体形式化描述如下:Node Structurea.Spatial IndexNon-leafnode∷=〈I,Child-Pointer〉;Leafnode∷=〈I,Object-ID〉;Child-Pointer∷=the pointer to subtree;Object-ID∷=the ID fo object in object pointer pool;I∷=〈I s,I t〉;I s∷=(((x1,y1,z1),(x2,y2,z2))|(x i,y i, z i)∈D(S),i=1,2);I t∷=((T├V,T┤V)|T├V,T┤V∈T(s))b.Bitemporal IndexNon-leafnode∷=〈J,Child-Pointer〉;Leafnode∷=〈J,Object-ID〉;Child-Pointer∷=the pointer to subtree;Object-ID∷=the ID fo object in object pointer poolJ∷=((T├T,T┤T,T├V,T┤V)|T├T,T┤T,T├V, T┤V∈T(s))式中,D(S)和T(s)分别代表空间域和时间域; ((x1,y1,z1),(x2,y2,z2))表示包含三维空间对象的包围盒(Rectangle Bounding Box)的空间坐标;T├T,T┤T,T├V,T┤V分别指事务时间和有效时间的开始和结束值.双时态索引由两部分组成,虽然它们在结构上完全一致,但一个用来处理历史信息,另一个用来操纵当前信息.它们用(T├T,T├V)和(T┤T,T┤V)两个元组组成了时态域中类似于空间索引中的邻接矩形,这样就可以大大缩小检索范围,提高数据库效率.另外,值得注意的是上述索引结构的叶结点都不是直接指向数据库中存储的数据,而是指向对象指针池(object pointer pool)中的某个对象指针,再由这个对象指针将不同子索引的检索结果进行集成,并指向数据库中时空数据的物理位置.下面是一个对象指针(object pointer)结构的形式化描述:object-pointer∷=〈Oid,Tag,〈ST-Coordinates〉,〈Pointer-of-Version〉,〈Pointer-to-object〉〉; Oid∷=the ID of a object pointer;Tag∷=indicate the relationship the results select2 ed between spatial and temporal index;ST-Coordinates∷=〈〈S-Coordinates〉,〈T-Coor2 dinates〉〉;S-Coordinates∷=(((x1,y1,z1),(x2,y2,z2))| (x i,y i,z i)∈D(S),i=1,2);T-Coordinates∷=((T├T,T┤T,T├V,T┤V)|T├T, T┤T,T├V,T┤V∈T(S));Pointer-of-Version∷=〈Hpointer,Cpointer〉; Hpointer∷=(Hprevious,Hnext);Cpointer∷=(Cprevious,Cnext);Hprevious|Hnext∷=the pointer to various version of object;Cprevious|Cnext∷=the pointer to latest version of object;Pointer-to-object∷=the pointer to the object in the database,式中,对象指针由对象序列号(Oid),标识位Tag,时空坐标ST-Coordinates,状态指针Pointer-of-Version和对象指针Pointer-to-object五部分组成.其中,Tag是一个整型变量,它用来标识检索出来的临时数据的索引关系;ST-Coordinatesyon 用来表示随时间变化的物体在某一时刻的时空坐标;Pointer-of-Version用来连接同一对象在不同时刻的状态,它又分为两类,一类用于指向历史信息,另一类用于指向当前状态信息.由此可以看出,由这些对象指针组成的对象指针池不仅将时空索引树和数据库紧密地联系在一起,而且又在自己内部形成了一个以某个对象为单位,以时间为准轴的链状结构,因此可以快速、准确地将空间对象定位于某一时间点或时间段,查找出用户所需要的信息,从而大大提高数据的检索效率,并减少了冗余信息.2.2　统一时空索引的索引结构图1给出了UST2TREE的索引结构图,由于本索引是基于R树的,因此是一种平衡的索引树.统一时空索引的结构由时空索引树,对象指针池和数据缓冲区三部分组成.其中整个索引又分为历史信息子索引(Historial-version-index)、当前信息子索引(Current-version-index)和空间子索引(ST-index)三部分,记录的插入、删除操作7第12期 卢炎生等:一种双时态时空模型和索引机制 图1　统一时空索引结构图A.双时态索引;B.空间索引;C.历史信息子索引;D.当前信息子索引;E.空间子索引;F.对象指针池;G.数据缓冲区能在当前状态子索引中进行,另外两个子索引只能插入新的对象.在插入或删除记录的过程中,只也会与R 树一样对结点重新组织,进行合并或拆分.参考文献[1]Jin Suk K im ,Dong Ho K im ,K eun Ho Ryu.A spa 2tiotemporal data and indexing.In :Clementini.Pro 2ceedings of International Conference on Electrical and Electronic Technology ’01.Hong K ong.2001.New Y ork :IEEE Computer S ociety ,2001.110～113[2]Theodoridis ,Sellis Y ,Papadopoulos A N T.S pecifica 2tions for efficient indexing in spatiotemporal database.In :Maurizio R.Proceeding of 10th International Con 2ference on Scientific and Statistical Database Manage 2ment ’98.Capri.1998.New Y ork :IEEE Computer S ociety ,1998.123～132[3]顾　军,吴长彬.常用空间索引技术的分析.微型电脑应用,2001,17(12):40～43　A bitemporal spatiotemporal data model and indexL u Y ansheng Tang Bo Qi ng ChuanAbstract :This paper proposed a spatiotemporal data model for supporting 3D 2spatial and bitemporal do 2main.On the basis of this model ,the author put forward a R 2tree based unified spatiotemporal index (UST 2TREE )and described its structure and mechanism.The index can increase the efficiency of retrieval and reduce the redundancy.K ey w ords :spatiotemporal database ;data model ;indexLu Yansheng Prof.;College of Computer Sci.&Tech.,Huazhong Univ.of Sci.&Tech.,Wuhan430074,China.全国开放式分布与并行计算学术会议在我校召开2002年全国开放式分布与并行计算学术会议于10月26日在我校召开.这届会议由中国计算机学会开放系统专业委员会主办,我校计算机学院、湖北省计算机学会和武汉计算机学会承办.我校计算机学院院长、省计算机学会理事长卢正鼎教授主持了开幕式,我校副校长冯向东、科协副主席吴鸿修、专业委员会主任陈炳从等和来自全国的71名代表参加了会议.会议从收到的130篇论文中精选出83篇收入论文集,并将由华中科技大学出版社出版.8 华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版) 第30卷。