spatial database jakub michalko
DESCRIPTION
Spatial database Jakub Michalko. Agenda. Motivácia a popis priestorových databáz Dátový model priestorových databáz Operácie nad priestorovými dátami Príklady dotazov Organizácia dát. Motivácia. Sledovanie pohybu objektov Zobrazenie trasy, po ktorej som šiel. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Spatial databaseJakub Michalko
2
AgendaMotivácia a popis priestorových databázDátový model priestorových databázOperácie nad priestorovými dátamiPríklady dotazovOrganizácia dát
3
MotiváciaSledovanie pohybu objektov
Zobrazenie trasy, po ktorej som šiel. Zobrazenie oblastí v mapách
Oblasti, ktoré boli zatopenéHľadanie najbližšieho objektu
Nájdi najbližšiu čerpaciu stanicu na mojej traseHľadanie podobností
Na základe snímku pacientovej rezonancie nájdi v DB podobného pacienta.
4
Spatial vs. Non-spatial data„Nepriestorové“ dáta / dotazy
Meno, telefónne číslo, adresa, rozmer, email Vypíš kiná, ktoré premietajú každý deň
Príklad priestorových dát / dotazov
Snímky zo satelitu (TB dát za deň),snímky počasia, rieky, polia, mestá
Lekárske snímky 3D model proteinu Vypíš kiná v okolí piatich kilometrov
5
Čo je SDBMS?SDBMS (Spatial Database Management System) je softvérový modul, ktorý
Pracuje zo základným DBMS Podporuje priestorové dátové modely, priestorové dátové
typy (SDT - spatial data types) a dotazovací jazyk, ktorý s nimi pracuje
Podporuje indexovanie priestorových dát, efektívne algoritmy pre operácie nad priestor. dátami a pravidlá pre optimalizáciu dotazov
6
Príklad SDBMS
7
GISGIS (Geographical Information System) je softvér pre zobrazovanie a analýzu priestorových dát pomocou priestorových analytických funkcií, ako napríklad:
Search – vyhľadávanie podľa podobností, alebo oblastí Location analysis – vrstvy, plochy oddelené cestami Terrain analysis – Svah, povodie, odvodňovacie siete Flow analysis – spojenie, najkratšia cesta Distribution – šírenie zmien, vzdialenosť, najbližší sused Statistics - centralita, autokorelácia, indikácia podobnosti,
topológia Measurement – vzdialenosť, obvod, tvar, susednosti, smer
9
Existujúce implementácieHlavné existujúce implementácie SDBMS
PostGIS – PostgreSQL SQL Server 2008 - Microsoft Spatial Oracle – Oracle MySQL 5+ - Oracle(pôvodne SUN), neodporúča sa pre
veľmi málo funkcií
10
GIS a SDBMS
11
AgendaMotivácia a popis priestorových databázDátový model priestorových databázOperácie nad priestorovými dátamiPríklady dotazovOrganizácia dát
12
Dátový model priestorových objektov
Existujú dva pohľady na to, ako reprezentovať priestor:
Objekty v priestore
Mesto, cesty, križovatky...
Priestor samotný
Akým spôsobom ho reprezentovať tak, aby sme o každom jeho bode vedeli niečo povedať (bitmapa)
15
Dátový model priestorových objektov
Ďalšie dátové typy:Surface – povrch.
Odvodený dátový typ. Je to plocha s priradenými
hodnotami v každom bode
Volume – objem.
3D objekt moc nepoužíva kvôli
náročnosti na výpočetný výkon
16
Dátový model podľa OGC
17
OGCKonzorcium OGC (Open Geospatial Consortium)
Medzinárodná štandardizačná organizácia Vzniku OGC predchádzal projekt OpenGIS (1994), ktorý
mal za úlohu vytvoriť vytvoriť jednotné rozhranie OGIS (Open Geodata Interoperability Specification)
Vznikla za účelom spolupráce na vývoji a implementácii štandardov
tvorené prevažne zástupcami z komerčnej sféry
http://www.opengeospatial.org/
18
Dátový model priestorových objektov
Pre dotazy je dôležité, aby model dokázal popísať, aká je:Topológia – ktoré objekty sú susediace, ktoré objekty sa prekrývajú
Sieť – popis ciest, hľadanie najkratšej cestyOrientácia – akým smerom je daný objekt (cesta) orientovaný
Vzdialenosť – vychádzame z Euklidového priestoru
19
AgendaMotivácia a popis priestorových databázDátový model priestorových databázOperácie nad priestorovými dátamiPríklady dotazovOrganizácia dát
20
Operácie nad priestorovými dátamiZákladné funkcie, pracujúce nad všetkými priestorovými objektami
SpatialReference() - vráti základný súradnicový systém geometrie
Export() - vráti geometriu v inej reprezentácii IsEmpty() - vráti TRUE ak objekt je prázdny (= NULL) IsSimple() - vráti TRUE ak je jednoduchý (sám so sebou nemá presečník)
TRUE FALSE
22
Operácie nad priestorovými dátamiTopologické funkcie / množinové operátoryEqual – vráti TRUE ak sú obe geometrie zhodnéDisjoint – vráti TRUE ak sa hranice a vnútro geometrie nepretínajú
Intersect – vráti TRUE ak sa hranice a vnútro geometrie pretínajú
Touch – vráti TRUE, ak sa pretínajú len hranice, ale nie vnútro
Intersect: TRUE FALSEFALSE
Touch: FALSE TRUEFALSE
Disjoin: FALSE FALSETRUE
23
Operácie nad priestorovými dátamiTopologické funkcie / množinové operátoryCross – vráti TRUE ak výsledkom prieniku geometrií je množina bodov
Within – vráti TRUE ak je celá geomatria vnútri inej a nepretína ju
24
Operácie nad priestorovými dátamiTopologické funkcie / množinové operátoryCointains – vráti TRUE, ak geometria obsahuje inú geometriu
Ovelaps – ak prienik je neprázdny, ale jedna geometria neobsahuje druhú
25
Operácie nad priestorovými dátamiAnalytické funkcieDistance – vráti najkratšiu vzdialenosť medzi geometriami
Buffer – vráti geometriu, ktorej body majú vzdialenosť od vstupnej geometrie menšiu alebo rovnú vstupnej hodnote
28
Zhrnutie - obmedzeniaŠpecifikácia OGIS je obmedzená v popisovaní priestorových dát
Priestorová informácia je často uvádzaná v terénnom (2D/2,5D) modely (na ktoré sa zameriava)
Obmedzené operácie v SQL – len SELECT-PROJECT-JOIN
GROUP BY a HAVING predstavuje problém
29
AgendaMotivácia a popis priestorových databázDátový model priestorových databázOperácie nad priestorovými dátamiPríklady dotazovOrganizácia dát
30
Dotazy-príklady
CREATE TABLE Country(Name
varchar(30), Cont
varchar(30),Pop
integer,GDP
Number,Shape
Polygon);
CREATE TABLE River(Name varchar(30),Origin varchar(30),Length Number,ShapeLineString);
CREATE TABLE City(Name
varchar(30),Country
varchar(30),Pop
integer,IsCapital boolean,Shape Point);
31
Dotazy-príkladyNájdi mená všetkých štátov, ktoré susedia s USA v tabuľke Country.
SELECT C1.Name as neighbourFROM Country C1, Country C2WHERE Touch(C1.Shape,C2.Shape)=TRUE
AND C2.Name='USA'
32
Dotazy-príklady
SELECT C1.Name, R1.NameFROM City C1, River R1WHERE Distance(C1.Shape,R1.Shape) <=
(SELECT min(Distance(C2.Shape,R2.Shape))
FROM City C2, River R2)
Ktoré mesto v tabuľke City je najbližšie ku akejkoľvek rieke?
33
Dotazy-príkladyNájdi všetky mestá do vzdialenosti 300 Km od rieky Mississippi.
SELECT C.NameFROM City C, River RWHEREOverlaps(C.Shape,Buffer(R.shape,300))=TRUE
AND R.Name='Mississippi'
34
Dotazy-príklady
SELECT C.Name, C.pop, Area(C.Shape) as „Area“FROM Country C
Vráť mená, populáciu a veľkosť plochy všetkých krajín.
Pre výpočet veľkosti plochy sa používa funkcia Area, ktorá ma vstupný parameter Polygon a vracia číslo – obsah polygónu.
Area môže brať pri výpočte plochy do úvahy či mapa je „nakreslená“ na guľu
35
Dotazy-príklady
SELECT R.Name,C.name,Length(Intersection(R.Shape,C.Shape))FROM River R, Country CWHERECross(R.Shape,C.Shape)=TRUE
Pre každú rieku a každú krajinu vráť dĺžku rieky v danej krajine, ktorou prechádza.
Podobne ako Area sa v tomto prípade použije funkcia Length, ktorá vráti dĺžku krivky
36
Dotazy-príklady
SELECT Co.GDP, Distance(Point(0,Ci.y),Ci.Shape) as
„Distance“FROM Country Co, City CiWHERE Co.Name=Ci.Country AND Ci.IsCapital=TRUE
Vráť HDP krajín(GDP) a vzdialenosť ich hlavných miest od rovníka.
37
Dotazy-príklady
SELECT Co.NameFROM Coungtry Co, Country Co1WHERE Touch(Co.Shape,Co1.Shape)=TRUEGROUP BY Co.NameHAVING Count(Co1.Name)=1
Vráť mená krajín, ktoré majú len jedného suseda. Krajiny sa pokladajú za susedné, ak majú spoločnú hranicu na zemi (Island napríklad nemá suseda).
38
AgendaMotivácia a popis priestorových databázDátový model priestorových databázOperácie nad priestorovými dátamiPríklady dotazovOrganizácia dát
39
Spracovanie dotazu - ÚvodDotaz možno rozdeliť na dva typy:
Single-scan – jednoduchý dotaz, kde ku každému záznamu v tabuľke sa pristupuje najviac jeden krát
Multi-scan – (dotaz cez viac tabuliek) kde k záznamom sa môže pristupovať viac krát, v najhoršom prípad za každým, keď kontrolujeme podmienku, ktorú má spĺňať. Typicky JOIN.
Problém
JOIN musí existovať aj pre priestorové dáta Ako by mal JOIN pracovať, aby bol efektívny
40
Spracovanie dotazuStratégia (výber objektov z dotazovanej oblasti):
Vyber obdĺžniky, ktoré obsahujú objekty, z daného regiónu Prefiltruj ich, či skutočne sú v danom regióne
41
Organizácia dát v SDBMSRekapitulácia:
GIS – pracuje s hlavnou pamäťou SDBMS – pracuje so sekundárnou pamäťou
Problémy SDBMS:
Väčšinou veľký objem dát v SDBMS Rýchly prístup k záznamom Rýchle prevádzanie operácií HW obmedzenia (CPU, veľkosť primárnej pamäte) Dáta sú viacrozmerné
42
Organizácia dát v SDBMSDva spôsoby, ktorými sa rieši organizácia dát na disku
Pomocou plochu-vyplňujúcich kriviek – celý priestor je rozdelený do rovnako veľkých oblastí (2D/3D mapa)
Indexáciou – rôzne typy R-stromov
43
Krivky vyplňujúce plochuProblémy:
Usporiadanie na priestorových dátach nie je prirodzene dané
Veľa efektívnych vyhľadávaní je založené práve na usporiadaných dátach
Krivky vyplňujúce plochu
Zavádzajú usporiadanie oblastí vo viacrozmernom priestore
Umožňujú použitie zaužívaných efektívnych vyhľadávaní (vo viac-rozmernom priestore)
Najbežnejšie sú Hilbertova a Mortonova Z-krivka
44
Z-krivkaMortonov rozklad, alebo tiež Z-krivka (podľa tvaru rozkladu). Popísaná v roku 1966 zamestnancom IBM.
Poradie, akým jednotlivé plochy usporiadava:
1 2
3 4
1 2 5 6
3 4 7 8
9 10 13 14
11 12 15 16Poradie pre plochu 2x2 Poradie pre plochu 4x4
45
Hilbertova krivkaHilbertova krivka sa používa ako alternatíva k Z-krivke, lebo lepšie popisuje susedné plochy
Poradie, akým jednotlivé plochy usporiadava:
2D 3D
1 4
2 3
1 2 15 16
4 3 14 13
5 8 9 12
6 7 10 11Poradie pre plochu 2x2 Poradie pre plochu 4x4
46
Indexácia pomocou R-stromov Hlavná myšlienka:
Použiť hierarchickú kolekciu obdĺžnikov pre organizáciu priestorových dát
Zovšeobecniť B-strom pre priestorové dátaKritériá rozdelenia členov rodiny R-stromov
Obsluha veľkých priestorových objektov Možnosť prekývania sa obdĺžnikov Duplikácia objektov, ale obdĺžniky musia byť disjunknté
Výber obdĺžnikov pre vnútorne uzly Hladujúci algoritmus: R-strom, R+strom Algoritmus pre minimálne prekrývanie sa: packed R-tree
48
R+stromVlastnosti
Vyváženosť Vnútorné uzly sú obdĺžniky
Detské obdĺžniky sú vnútri rodičovských
Obdĺžnky sú disjunktné Listy sa prekrývajú s rodičovskými
obdĺžnikmi (môžu trčať mimo) Objekt sa môže vyskytovať vo
viacerých uzloch Vyhľadávanie rovnaké ako v R-
strome
49
Literatúra
Spatial databases - A tour, Shashi Shekar, Sanjay Chawla
Spatial databases Tips and Tricks, OpenGeo, http://workshops.opengeo.org/postgis-spatialdbtips
Spatial databases – Technologies, Techniques and Trends, Yannis Manolopuolos, Apostols N. Papadopulos & Michael Gr. Vassilakopoulos
PostGIS - http://postgis.refractions.net/docs