t. cari´c, t. erdeli´c - weboteka.net podataka/predavanja/05...i lokacijski i navigacijski sustavi...

Uvod u prostorne baze podatakaVremenske baze podatakaBaze pokretnih objekata

Potencijalne teme zavrsnih radova i studentskih projekata

Baze podataka pokretnih objekata14. tjedan

T. Caric, T. Erdelic

Zavod za inteligentne transportne sustaveFakultet prometnih znanosti

Sveuciliste u Zagrebu

Baze podataka

T. Caric, T. Erdelic ITS::Baze podataka (14. tjedan)1/53



StandardizacijaOsnovni tipovi podataka i operacije nad njimaIndeksiranje u prostornim bazama podatakaProstorne baze i GIS

Pregled 1. poglavlja

Uvod u prostorne baze podatakaStandardizacijaOsnovni tipovi podataka i operacije nad njimaIndeksiranje u prostornim bazama podatakaProstorne baze i GIS

Vremenske baze podataka

Baze pokretnih objekata

Potencijalne teme zavrsnih radova i studentskihprojekata





Prostorne baze podataka

I Prostorne baze podataka prosiruju DBMS podatkovni model ijezik upita tako da on moze reprezentirati geometrijske oblikei vrsiti upite na njima na prirodan nacin

I DBMS-a se prosiruje odgovarajucim strukturama podataka zarazlicite geometrijske oblike, algoritmima za izracun prostornihoperacija, te indeksnim strukturama za prostorne objekte

I Nuzno je prosiriti optimizator upita s upitnim jezikom za novegeometrijsko - relacijske komponente





Prostorne baze podataka





Prostorne baze podataka - standard

I Open Geospatial Consortium (OGC) definira vrste prostornihpodataka koje prostorni SQL treba podrzavati

I Cilj OGC je da osigura konzistentan nacin opisivanja imanipuliranja prostornim i geoprostornim podacima

I Najznacajnije OGC specifikacije definiraju sljedece oblikezapisa prostornih objekata

I WKT (Well Known Text) - opisni jezik za reprezentacijuvektorskih geometrijskih objekata na kartama, kartografskeprojekcije prostornih objekata te transformacije izmedukartografskih projekcija

I WKB (Well Known Binary) - binarni ekvivalent WKT posebnoprilagoden pohranjivanju u bazama podataka

I GML (Geography Markup Language) - je definirana XMLgramatika za opisivanje geografskih podataka





Geometrija i geografija

I OGC zahtjeva koristenje SRID (Spacial Referencing SystemIdentifier) kod pohrane prostornih podataka

I Sljedecim upitom se moze dobiti popis svih SRID-ovaSELECT * FROM sys. spatial_reference_systems

I Vecina DBMS-ova je kompatibilna sa OGC-om i naravnosvaka implementacija dodatno prosiruju prostorne podatkovnetipove i operacije nad njima

I Prostorne tipove podataka mozemo podijeliti na dva glavnatipa i to na geometry i geography tip

I geometry - prostorni objekt u linearnom prostoruI geography - prostorni objekt u sfernom prostoru

I Oni imaju dosta zajednickih karakteristika, ali ipak svaki odnjih ima posebnu namjenu





Geometrija i geografija

I Vise o ovom ce biti rijeci na predmetimaI Prometni geoinformacijski sustaviI Lokacijski i navigacijski sustavi





Hijerarhija prostornih podataka

I Hijerarhija prostornih podataka u SQL ServeruI Isprekidanim linijama su tipovi koji se ne mogu instancirati, a

njihova djeca nasljeduju njihova svojstva





Vizualizacija prostornih podataka (1/2)

I Point - je tip koji reprezentira jednu lokaciju. Uvijek ima X iY koordinate i moze sadrzavati koordinatu Z i mjernujedinicu M

I MultiPoint - je tip koji reprezentira kolekciju tocaka (Point)I LineString - je tip koji reprezentira kolekciju tocaka (Point) i

linije koje ih povezujuI MultiLineString - je tip koji reprezentira kolekciju

LineString-ova





Vizualizacija prostornih podataka (2/2)

I Polygon - Poligon je skup tocaka koje predstavljajudvodimenzionalnu plohu. Poligon se moze sastojati odvanjskog prstena i jednog ili vise unutarnjih prstenova. Da bipoligon bio valjan linije koje ga omeduju ne smiju se presijecati

I MultiPolygon - je tip koji je kolekcija poligona (Polygon)I GeometryCollection - je tip koji je kolekcija geometrijskih ili

geografskih objekata





Topoloske relacije izmedu objekata

I Svaki prostorni objekt ima tri komponente (Schneider & Behr,2006)

I granicu (∂A)I unutrasnjost (A◦)I vanjski dio (A−)

I M. Schneider, T. Behr, Topological relationships betweencomplex spatial objects, ACM Trans. Database Syst. 2006






I Presjecna matrica izmedu jednostavnih prostornih objekata A iB definirana je

Γ9(A, B) =

A◦ ∩ B◦ A◦ ∩ ∂B A◦ ∩ B−

∂A ∩ B◦ ∂A ∩ ∂B ∂A ∩ B−

A− ∩ B◦ A− ∩ ∂B A− ∩ B−

I Parovi komponenti mogu imati prazan (0) ili pun (1) presjekI Skup medudjelovanja dvaju objekata predstavljen je matricom

s devet clanova (devet presjeka) koja odreduje koji se parovikomponenti presijecaju, a koji ne






0 0 10 0 11 1 1

0 0 1

0 1 11 1 1

1 1 1

1 1 11 1 1

1 0 0

0 1 00 0 1

disjoint meet overlap equal1 0 01 0 01 1 1

1 1 1

0 0 10 0 1

1 1 1

0 1 10 0 1

1 0 0

1 1 01 1 1

inside contains covers coveredby





Vrste prostornih upita

I Osnovne operacijeI Selekcija (selection), spajanje (join), projekcije (projection), . . .

I Prostorne funkcijeI Presjek (intersection), preklapanje (overlay), udaljenost

(distance), . . .I Drugi prostorni upiti

I Najblizi susjed (nearest neighbour), trazenje slicnosti(similarity search), . . .

I Kompleksni prostorni upitiI Visestruki predikati/operacije (multiple predicates/operations),

prostorni podupiti (spatial subqueries), . . .





Primjer prostornog upita (1/2)

I Podatke mozete pronaci na Merlinu po nazivom ”BeginningSpatial with SQL Server 2008 - Alastair Aitchinson - testniskup prostornih podataka”

-- STRUKTURA TABLICECREATE TABLE World_Borders (

NAME nvarchar (255) NULL ,GEOM geometry NULL ,GEOG geography NULL

)

--UPITSELECT NAME , GEOM , GEOGFROM World_BordersWHERE Name IN (’Albania ’, ’Bosnia and Herzegovina ’,

’Croatia ’, ’Montenegro ’, ’Serbia ’, ’Slovenia ’)





Primjer prostornog upita (2/2)





Uvoz prostornih podataka u SQL Server

I Podatkovni formati koje je moguce importirati direktno u SQLserver su

I WKTI WKBI GML

I Ostali formati se takoder mogu importirati ali je potrebnoinstalirati dodatke SQL serveru koji su izradeni neovisno odsamog DBMS-a ili ih pretvoriti u formate koji su podrzani





WKT (Well Known Text)

I WKT je napravljen da bude citljiv ljudima, a ne samo racunaluI Koordinate mogu biti 2D(x , y), 3D(x , y , z), 4D(x , y , z , m),

gdje m oznacava standardnu mjeru referenciranog sustava(metri, kilometri, milje, . . . )

-- Primjer WKT formataPOINT (6 10)LINESTRING (3 4 ,10 50 ,20 25)POLYGON ((1 1,5 1,5 5,1 5,1 1) ,(2 2, 3 2, 3 3, 2 3,2 2))MULTIPOINT (3.5 5.6 ,4.8 10.5)GEOMETRYCOLLECTION ( POINT (4 6) ,LINESTRING (4 6,7 10))

-- Primjer importiranja podataka preko WKT formataDECLARE @geo GEOGRAPHYSET @geo = GEOGRAPHY :: STGeomFromText (’LINESTRING ( -122.360

47.656 , -122.343 47.656) ’, 4326) ;





WKB (Well Known Binary)

I WKB je napravljen u binarnom formatu da je prostornomDBMS najlakse manipulirati sa prostornim podacima

I Ljudima nije citljivI Svaki prostorni objekt se moze uvesti i izvesti iz baze

podataka u ovom formatu i sve implementacije DBMS gaznaju prepoznati jer postuje OGC standard

-- Primjer uvoza podataka u WKB formatuINSERT World_Borders (NAME , GEOM , GEOG )VALUES (’Croatia ’, 0 xE61000000104620 ...00001200000003 ,

0 xE61000000 ...00000200000003)





GML (Geography Markup Language)

I GML je definirana XML gramatika za opisivanje geografskihpodataka

I Uvoz podataka se radi preko staticke metode”GeomFromGml(GML podaci, SRID)”

I Ispod je prikazan mali primjer GML formata i uvoza podataka

-- Primjer GML formata<Point xmlns ="http :// www. opengis .net/gml">

<pos >57.15 -2.15 </ pos ></Point >

--Primjer importiranja podataka preko GML formataDECLARE @g geometry ;DECLARE @x xml;SET @x = ’<LineString xmlns =" http :// www. opengis .net/gml"> <

posList >100 100 20 180 180 180 </ posList > </ LineString >’;SET @g = geometry :: GeomFromGml (@x , 0);





Indeksiranje u prostornim bazama podataka

I Najucestalije strukture podataka koje se koriste zaindeksiranje prostornih podataka su

I R-stablaI Stabla s cetiri djetetaI B-stabla (samo ako se radi o jednodimenzionalnim podacima)





R-stabla

I R-stabla su visoko balansirana B-stabla za k dimenzijaI Struktura R-stabla dijeli prostor pomocu hijerarhijski

ugnijezdenih i po mogucnosti preklopljenih minimalnihgranicnih pravokutnika





Stabla s cetiri djeteta

I Mnogo varijacija - sve se temelje na princip da se prostorrekurzivno dijeli na manje dijelove

I Varijacije se dijele prema sljedecim kriterijima: (i) tip podatkakoji se reprezentira, (ii) princip po kojem se vrsi dekompozicijai (iii) velicina prostora do kojeg se vrsi dekompozicija





Prostorne baze i GIS

I GIS (Geographic Information System)I GIS je sustav za upravljanje prostornim podacima i osobinama

pridruzenih njimaI U najstrozem smislu to je racunalni sustav sposoban za

integriranje, spremanje, uredivanje, analiziranje i prikazivanjegeografskih informacija

I GIS koristi prostornu bazu podataka (prostorni DBMS)I Prostorne baze se fokusiraju

I Efikasno cuvanje prostornih podatakaI Omogucava jednostavnu i efikasnu manipulaciju sa podacimaI Koristi prostorno indeksiranje za ubrzavanje upita





Troslojna arhitektura




Upravljanje vremenom u bazama podatakaVrste vremena


Uvod u prostorne baze podataka

Vremenske baze podatakaUpravljanje vremenom u bazama podatakaVrste vremena








I Vremenske baze podataka su baze podataka s ugradenimvremenskim aspektima podataka koje omogucuju rad s takvimpodacima putem prilagodenog i prosirenog jezika(temporal-SQL)

I Cilj vremenskih baza podataka je integracija vremenskihkoncepata duboko u podatkovni model DBMS i jezik upita teprosirenje sustava u skladu s tim radi ucinkovitog izvrsavanjaupita

I Zasto nam uopce ovakvo nesto treba i da li se moze izbjeci?





Upravljanje vremenom u bazama podataka

I Baza podataka opisuju trenutno stanje svijeta, promjena ustvarnom svijetu uzrokovat ce azuriranje stanja u bazi, nakoncega se proslo stanje gubi

I Naravno da je za vecinu aplikacija ovakva situacijanedopustiva, pa se na razne nacine prati povijest

I PRIMJER:I Kada se zaposleniku poveca/smanji placa ne znamo kolika mu

je bila prije toga dogadaja, pa se to rjesava dodavanjemdodatna 2 atributa

I Zaposlenik (Ime:string, Prezime:string,Placa:double)

I Zaposlenik (Ime:string, Prezime:string,Placa:double, Pocetak:datetime, Kraj:datetime)





Vrste vremena

I Kada je rijec o pracenju promjena prostornih objekata krozvrijeme postoje tri vrste vremenaTransakcijsko Vrijeme - (transaction time) vrijeme

tijekom kojeg je neka cinjenica istinita u bazipodataka

Vazece Vrijeme - (valid time) vrijeme tijekom kojeg jeneka cinjenica istinita u stvarnom svijetu

Bitemporalno Vrijeme - (bitemporal time) kombinacijavazeceg i transakcijskog vremena





Primjer vrsta vremena

I Bitne 3 vrste vremena: transakcijsko, vazece i bitemporalnoI Koje je koje vrijeme u tablici ispod?

Datum Sto se dogodilo u stvarnom svijetu Dogadaj u bazi Baza pokazuje3.4.1975. Ivan je roden Nema akcije Nema osobe s

nazivom Ivan4.4.1975. Ivanov otac je sluzbeno predao zahtjev

za priznavanjem rodenja sinaInserted:Osoba(Ivan, Dakovo)

Ivan zivi uDakovu

26.8.1993. Ivan se seli u Zagreb, ali zaboravljaprijaviti novu adresu

Nema akcije Ivan zivi uDakovu

26.2.1994. Nema akcije Nema akcije Ivan zivi uDakovu

27.2.1994. Ivan se prijavljuje na novu adresu Updated:Osoba(Ivan, Zagreb)

Ivan zivi u Za-grebu

1.4.2054. Ivan umire Deleted:Osoba(Ivan)

Nema osobe snazivom Ivan




Prostorno-vremenske baze podatakaBaze podataka pokretnih objekataUsporedba relacijskih i baza pokretnih objekata




Baze pokretnih objekataProstorno-vremenske baze podatakaBaze podataka pokretnih objekataUsporedba relacijskih i baza pokretnih objekata






Prostorno-vremenske baze podataka

I Definiraju se kao baze podataka koje ujedinjuju prostorne,vremenske i prostorno-vremenske koncepte baza podataka teobuhvacaju prostorne i vremenske aspekte podataka

I Cilj je pruzanje podrske za aplikacije koje imaju prostorne ivremenske karakteristike

I Identifikacija objekata - vazna manipulacija identitetomobjekta tokom vremena

I Katastar je primjer prostorno-vremenske baze podataka





Uvod u baze pokretnih objekata

I Pokretni objekt se krece kontinuirano u vremenuI Kako iz perspektive baze podataka sto ucinkovitije upravljati

pozicijom objekta i odgovarati na upite?





Baze podataka pokretnih objekata

I Baze podataka pokretnih objekata zasnovane su naprostorno-vremenskim bazama podataka, ali sada se odlikuju imogucnoscu kontinuirane, a ne samo diskretne, promjenegeometrije

I Pokretni objekti promatraju se kao 3D elementiI 2D ravninaI Vrijeme

I Vrijeme - i to samo vazece vrijeme - ugradeno je u samprostorni objekt

I Cilj baza podataka pokretnih objekata je dizajniranje modela ijezika koji omogucuju formuliranje s njima povezanih pitanjana jednostavan i precizan nacin





Pokretni objekti

I Pokretni objekti mogu se apstrahirati na pokretne tocke ipokretne regije

I Primjeri pokretnih tocki i potencijalni upitiI Zrakoplovi

I Dohvati dva aviona koja idu jedan prema drugom i nalaze sena udaljenosti manjoj od 3 km.

I Je li avion presao preko teritorija drzave X?I Brodovi

I Pronadi ”cudne” putanje brodova koje ukazuju na ilegalneradnje.

I Primjeri pokretnih regija i potencijalni upitiI Naftne mrlje

I Koji dio obale ce sutra dodirnuti?I Snjezna oluja

I Koje podrucje je pokrivala jucer u 13:55h?





Modeliranje i upiti trenutnih kretanja

I MOST - Moving Objects Spatio-TemporalI Pokretni objekti se ne pohranjuju prema stvarnoj poziciji, vec

prema svom vektoru pokreta koji je predstavljen dinamickimatributom






I Upiti buducih kretnji objekta bazirani su na FTL-u FutureTemporal Logic

I FTL omogucava postavljanje upita o sadasnjim i buducimlokacijama pokretnih objekata

I Temelji se na dva osnovna vremenska operatora (futuretemporal operators)

I UntilI Nexttime

I Ostali vremenski operatori su (mogu se izraziti osnovnima)I EventuallyI Always






I Until - pUq(p until q) - p dok qI Nexttime - Np(Nexttime p) - u sljedecem korakuI Eventually - Ep(Eventually p) - konacnoI Always - Ap(always p) - uvijek





Modeliranje i upiti proslih kretanja

I Apstraktni model za modeliranje kretanja i razvoja pokretnihobjekata temelji se se na koristenju apstraktnih tipovapodataka, posebno tipova podataka za pokretnu tocku ipokretnu regiju zajedno sa skupom operacija nad timentitetima

I Apstraktni model podrzava standardne primitivne tipovepodataka koji su dostupni u svakom modelu, prostorne tipovei tipove koji predstavljaju vrijeme

I Operacije nad apstraktnim entitetima se najprije provode nadne-vremenskim tipovima zatim mehanizmom nazvanimvremensko podizanje se te operacije primjenjuju naodgovarajuce vremenske ”pokretne” tipove





Modeliranje i upiti proslih kretanja

I Diskretni model - Apstraktni model nema izravnuimplementaciju zbog cega se uvodi diskretni model koji imaizravnu implementaciju, ali je daleko slozeniji

I Uvodi se slojevita reprezentacija vremenskih tipova cija jeosnovna ideja da se vremenski razvoj vrijednosti razlozi nafragmente koji se nazivaju ”slojevi” i to tako da se u okvirujednog sloja razvoj moze prikazati nekom jednostavnomfunkcijom





Zapis u relacijskom modelu

I Zelimo spremiti kretanju vozila pracenog GPS-omI U relacijskom modelu za to bi nam bile potrebne dvije relacije

I Vozilo (Id:int, Model:string, ...),I Kretanje (Id:int, VoziloId:int, Tip:char, Timestamp:datetime,

X:double, Y:double).I Tip:char moze biti pocetak, sredina ili kraj putovanjaI Tablica Kretanje referencira se na tablicu VoziloI Kretanje vozila ovim je pristupom predstavljeno kao slijed

tocaka (x1, y1, t1),...,(xn, yn, tn), a tocke se obicno spremaju ujednakim vremenskim razmacima t ili jednakim prijedenimudaljenostima l





Zapis u bazama pokretnih objekata

I Zapis kretanja vozila u bazi pokretnih objekata bio bi sljedecestrukture:

I Vozilo (Id:int, Model:string, ..., Putanja:mpoint)I Dinamicki atribut omogucuje kontinuirani zapis kretanja

objekta kroz vrijeme te osim toga smanjuje broj ucestalostiazuriranja u vecini slucajeva

I Dinamicki atribut reprezentira kretanje pokretnog objekta uobliku sedam pod-atributa





Dinamicki atribut

Lxpocetnapozicija - oznacava X koordinatu pozicije objekta u pocetku kretanja ili odzadnje promjene.

Lypocetnapozicija - oznacava Y koordinatu pozicije objekta u pocetku kretanja ili odzadnje promjene.

Lruta - oznacava liniju kretanja po kojoj se objekt krece. Linija (line) jeprostorni objekt.

Lvrijemepocetka - oznacava vrijeme kada je pokretni objekt u poziciji Lxpocetnapozicija iLypocetnapozicija tj. na pocetku kretanja ili u trenutku azuriranja.

Lsmjer - binarni indikator koji pokazuje smjer kretanja. Vrijednost 0 mozepredstavljati smjer istok, a vrijednost 1 smjer zapad.

Vbrzina - linearna funkcija forme f (t) = vt, koja je definirana brzinom vpokretnog objekta i daje trenutnu udaljenost od pocetne tocke ilizadnje tocke azuriranja kao funkcija vremena t koje je proslo odzadnjeg azuriranja.

Uneodredjenost - ili konstanta ili vremenska funkcija vremenskih jedinica t koje suprotekle od Lvrijemepocetka. Predstavlja granicu (threshold) odstupanjaod pozicije. Kada odstupanje od pozicije prijede maksimalnodopustenu granicu, vrijednosti dinamickog atributa se moraju azurirati.





Azuriranje dinamickog atributa

I Metoda temeljena na odstupanju





Prikaz rezultata usporedbe

I Zapis u relacijskom modelu (plave tocke)I Metoda temeljena na odstupanju (crveni isprekidani pravci)





SECONDO

I SECONDO je prosirivi DBMS s podrskom za nestandardneprimjene - razvijen na Sveucilistu u Hagenu pod vodstvomprof. Gutinga

I Razvija se vise od 10 godina sa sudjelovanjem preko 40 ljudiI Jezgra pisana u C++, optimizator u PROLOG-u, GUI u Javi





Zakljucak

I Nema komercijalne implementacije (prema nasem znanju)samo prototipi

I SECONDOI DOMINO - Databases fOr MovINg Objects tracking (O.

Wolfson)I Nedvojbeno smanjuje broj potrebnih azuriranja pozicije

pokretnih objekataI Omogucava predvidanje pozicije objekta - FTLI Moze imati razne primjene (istrazivanje uragana, dinamicka

navigacija, kontrolu zracnog prometa, prosirena stvarnost, ...)I Upitna neophodnost ovakvog koncepta




Uredaji i prostor na raspolaganjuStudentski projektiTeme











Uredaji i prostor na raspolaganju

I Topli slobodan prostor opremljen racunalima - Laboratorij zainteligentne transportne sustave (www.fpz.unizg.hr/itslab)

I Uredaji na raspolaganju: LEGO Mindstorms NXT, Kinect,Raspberry PI, Arduino, Emotiv EPOC headset i uskoro 3Dprinter i Google Glass

I Software: MatLab i sve sto Vam treba se moze instalirati





Studentski projekti

I Studentski projekt je poticaj za izradu konkretnih projektnihzadataka kroz timski rad, uz mentorstvo nastavnika

I PREDNOSTII Sami si definirate zadatak, tim, vrijeme i kolicinu rada, alate

kojim cete rijesiti neki problemI Odlicna prilika za pripremu onoga sto vas ceka na trzistu rada

sutra i prilika da se izdvojite od 100 kandidata na natjecaju zaposao

I Vjerojatno ce se profilirati neke konkretne zanimljive ideje zaVase buduce zavrsne/diplomske radove

I MANAI Puno vise rada nago ste do sada navikliI Samostalno ucenje i rjesavanje problema





Teme

I Sve sto ima i najmanje veze sa sadrzajem iz sljedecih kolegijaI Algoritmi i programiranjeI Baze podatakaI Napredne baze podatakaI Optimizacija prometnih procesaI Sustavi prividne stvarnosti u prometuI Umjetna inteligencija

I Prijava teme ili studentskog projektaI Na email: [email protected] ili [email protected] Poslati u dvije-tri recenice ideju za temu i imena clanova tima

ako se radi o studentskom projektu te dogovoriti sastanak nakojem ce se tema dodatno razraditi





Pitanja


t. cari´c, t. erdeli´c - weboteka.net podataka/predavanja/05...i lokacijski i navigacijski sustavi...

Documents