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多重近似空间索引及其相关检索技术研究

林伟华  
【摘要】: 当前,GIS应用日益广泛和深入,空间数据量也日益增多,这就需要作为GIS核心的空间数据库系统具有快速的检索能力,而空间数据索引是空间数据库系统的关键技术之一,它的好坏直接影响到空间数据库性能的优劣,也直接影响着空间数据库的检索性能。国内外众多学者提出了各类空间索引技术,他们主要集中在从算法优化的角度去提高空间数据的检索性能,但其检索性能提高的空间很有限。针对这一问题,本文在前人有关空间数据索引及空间数据检索的研究基础上,以空间换时间的策略,利用空间对象的多重近似图形构建空间索引,并基于该索引进行相关空间数据检索,为更大限度的提高空间数据检索能力提供一个新的研究思路与方法。基于以上的研究问题与研究思路,本文依托“海量空间数据的多重近似索引方法研究”项目开展了研究工作,并取得了一定的理论研究成果,即该索引方法能在窗口、方向、邻近距离及半连接等检索上获得更好的效率,从而为GIS系统在海量空间数据中能进行更高效的检索提供了一种新的索引方法。 首先,论文讨论了空间数据的特点、空间数据库的关键技术以及空间对象间的拓扑、距离以及方向关系,分析了空间对象的外部和内部近似表达,然后将传统索引中只利用空间对象的外部近似扩展为既有空间对象的外部近似又有空间对象的内部近似,即以空间对象的多重近似来构建索引,并以R-tree为索引原型构建基于多重近似的MR-tree和MRD-tree索引结构,然后给出了相关索引的插入、删除及查找算法,并通过实验比较分析了基于多重近似索引与基于外部近似索引的构建效率及窗口范围查询效率。另外,在建立基于多重近似索引过程中,讨论了空间对象的内部近似表达的最大内接圆和最大内接矩形的几种求解算法及其效率。 其次,论文在基于多重近似索引基础上,探讨了方向关系检索、距离关系检索以及距离方向半连接的方法与性能。即:1)在方向关系矩阵模型、开域方向模型基础上,讨论了基于多重近似索引下的定性与定量方向检索方法,并通过实验对基于多重近似索引与外部近似索引下的方向检索效率进行了对比分析;2)详细讨论了各种距离度量方法,提出了基于多重近似索引下的点、线、面的最邻近查询和反最邻近查询算法,并通过实验对基于多重近似索引与外部近似索引下的最邻近查询和反最邻近查询效率进行比较分析;3)介绍了半连接的基本概念,探讨了距离关系、方向关系以及空间对象数量的约束模型,给出了基于多重近似索引下的距离方向半连接实现方法,并通过实验对基于多重近似索引与外部近似索引下的距离方向半连接的效率进行了比较分析。实验表明:基于多重近似索引在构建时比基于外部近似索引效率低,但在窗口范围、方向关系、距离关系以及距离方向半连接的检索中,基于多重近似索引比基于外部近似索引下的综合性能要高,特别是空间数据量越大,基于多重近似索引的空间查询优势越明显。 最后,论文对本文的研究成果进行总结,并归纳了有待进一步研究的一些问题。


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