空間分布模式驅(qū)動的空間數(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應用的基礎。隨著智慧城市的快速推進、VGI(Volunteered Geographic Information)及LBS(Location Base Service)應用的迅速發(fā)展，空間數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出爆炸式增長，面對這些類型多樣、體量龐大、增量迅速，以多維域和非結構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、存儲與傳輸成本過高等一系列問題。針對這些問題與挑戰(zhàn)，建立有效組織與索引方式是推

2、動空間大數(shù)據(jù)應用與分析的關鍵。
　　空間數(shù)據(jù)庫是空間數(shù)據(jù)管理的主要場所，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。當前空間數(shù)據(jù)庫研究主要存在三個方面的問題:①空間劃分方面:無論是以空間驅(qū)動的“忽略對象的空間劃分”，還是以對象驅(qū)動的“忽略空間的對象劃分”，都沒顧及地理對象的群體定位特征，使得當前空間劃分的適應性受到限制;②組織存儲方面:現(xiàn)有組織方式將地理對象離散化存儲，割裂了地理要素間的聯(lián)系，沒有充分顧及地理

3、對象的空間鄰近性與空間異質(zhì)性，難以平衡空間數(shù)據(jù)的多維域與計算機的線性結構化之間的基本矛盾，導致現(xiàn)有組織與索引方式效率低下，支持地理計算和地理場景模擬能力明顯不足;③空間索引與空間操作方面:現(xiàn)有平衡樹索引結構保證了查詢性能卻帶來了較大的構建與更新代價，非平衡樹結構保證了構建與更新效率，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)組織存儲模型的重要影響，缺乏空間索引與組織存儲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算機技術實現(xiàn)主題，缺乏對地理規(guī)律和空間信息科學領域知識的重視，不能有效解決計算機結構化線性存儲與非結構化多維空間數(shù)據(jù)之間的矛盾，難以滿足大數(shù)據(jù)時代海量空間數(shù)據(jù)的組織與索引需求。
　　為了突破以對象離散化與存儲結構化為特征的現(xiàn)有空間數(shù)據(jù)組織與索引方式，本文針對空間數(shù)據(jù)組織與索引領域上述三個關鍵問題展開研究。
　　主要研究內(nèi)容與成果如下:
　　(1)空間分布模式探測與空間劃分方法。從對象的空間鄰

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)描述的基礎上，引入劃分子區(qū)面積與周長變異系數(shù)指標，提出了空間分布模式的快速探測方法。隨后引入空間鄰近性的定量描述指標局部密度ρ和空間異質(zhì)性的定量描述指標斥群距離δ，設計實現(xiàn)了聚集空間分布模式下多目標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)性對空間數(shù)據(jù)組織的影響機制與約束規(guī)則入手，基于面

6、向文檔的非關系模型，針對具有層次嵌套結構與多種地理現(xiàn)象共存并相互作用的地理綜合體，設計了空間數(shù)據(jù)的層次嵌套組織模型，向上實現(xiàn)了模型之間的嵌套打包組織方法，向下實現(xiàn)了模型內(nèi)部模式自由、易擴展的非結構化組織方法。
　　(3) PatternList空間索引。分析數(shù)據(jù)結構的對空間索引查詢、更新與維護代價的重要影響，引入概率化的線段跳表結構，設計并構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間復雜度分析。隨后結合層次嵌套組織模型設計實現(xiàn)了PatternList支持下的空間數(shù)據(jù)操作算法與動態(tài)批量更新策略。
　　三大主要研究內(nèi)容緊密相連層層遞進，空間分布模式探測與空間劃分方法是整個研究的基礎，層次嵌套組織模型是數(shù)據(jù)組織存儲的模式，PatternList空間索引結構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，最終構建了VGEs原型