地球剖分時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)論 程承旗等著
空間信息剖分組織是以地球剖分網(wǎng)格為基礎(chǔ)，通過(guò)建立空間數(shù)據(jù)與其所對(duì)應(yīng)的地球剖分網(wǎng)格之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)“集裝箱”模式的空間信息網(wǎng)格化編目、存儲(chǔ)與檢索，從而提高多源空間信息的整合和綜合管理能力。本書圍繞空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)剖分存儲(chǔ)與檢索體系，系統(tǒng)論述了地球剖分時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的概念與定義、時(shí)空編碼、體系架構(gòu)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、索引模型、時(shí)空關(guān)系計(jì)算、查詢策略、時(shí)空引擎，展望了地球剖分時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)與時(shí)空引擎的應(yīng)用前景。
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錄
前言
第1章 概述 1
1.1 大數(shù)據(jù)與時(shí)空大數(shù)據(jù) 1
1.2 時(shí)空數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 2
1.3 時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù) 4
1.4 地球剖分時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù) 6
1.5 本章小結(jié) 7
第2章 地球空間剖分編碼 8
2.1 GeoSOT地球剖分網(wǎng)格的提出 8
2.2 GeoSOT地球剖分網(wǎng)格的設(shè)計(jì)規(guī)約 8
2.3 GeoSOT地球剖分網(wǎng)格的平面剖分 12
2.4 GeoSOT地球剖分網(wǎng)格的立體剖分 17
2.5 GeoSOT地球剖分網(wǎng)格編碼 34
2.6 本章小結(jié) 39
第3章 時(shí)間剖分編碼 40
3.1 時(shí)間剖分編碼的提出 40
3.2 單尺度時(shí)間剖分編碼模型 43
3.3 多尺度時(shí)間剖分編碼模型 45
3.4 時(shí)間跨度編碼 57
3.5 時(shí)間剖分編碼計(jì)算方法 59
3.6 時(shí)間剖分編碼應(yīng)用方法 60
3.7 本章小結(jié) 64
第4章 時(shí)空四維剖分編碼與數(shù)據(jù)建�！�65
4.1 時(shí)空對(duì)象 65
4.2 時(shí)空剖分網(wǎng)格與編碼 69
4.3 時(shí)空對(duì)象建�！�82
4.4 時(shí)空剖分編碼生成與解碼試驗(yàn) 85
4.5 本章小結(jié) 89
第5章 地球剖分時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)體系架構(gòu) 90
5.1 經(jīng)典數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 90
5.2 分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 91
5.3 云數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 95
5.4 地球剖分時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu) 97
5.5 本章小結(jié) 100
第6章 地球剖分時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 101
6.1 典型數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 101
6.2 地球剖分時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 107
6.3 基于時(shí)空網(wǎng)格的數(shù)據(jù)重分布機(jī)制 111
6.4 本章小結(jié) 113
第7章 地球剖分時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)索引模型 114
7.1 空間數(shù)據(jù)庫(kù)索引 114
7.2 時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)索引 120
7.3 地球剖分時(shí)空索引模型 122
7.4 地球剖分時(shí)空索引構(gòu)建與維護(hù) 126
7.5 本章小結(jié) 128
第8章 地球剖分時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)空關(guān)系計(jì)算 129
8.1 空間關(guān)系計(jì)算 129
8.2 時(shí)間關(guān)系計(jì)算 141
8.3 空間分析計(jì)算 144
8.4 時(shí)空網(wǎng)格體元關(guān)系計(jì)算 152
8.5 時(shí)空網(wǎng)格體元關(guān)系計(jì)算試驗(yàn) 153
8.6 本章小結(jié) 156
第9章 地球剖分時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)查詢策略 157
9.1 網(wǎng)格并行化處理策略 157
9.2 時(shí)空范圍查詢策略 158
9.3 KNN查詢 162
9.4 本章小結(jié) 167
第10章 地球剖分時(shí)空引擎原型及試驗(yàn) 168
10.1 地球剖分時(shí)空引擎原型設(shè)計(jì) 168
10.2 時(shí)空數(shù)據(jù)加載試驗(yàn) 174
10.3 全局?jǐn)?shù)據(jù)劃分試驗(yàn) 175
10.4 時(shí)空數(shù)據(jù)部署試驗(yàn) 176
10.5 時(shí)空查詢與分析試驗(yàn) 179
10.6 時(shí)空統(tǒng)計(jì)生成試驗(yàn) 185
10.7 時(shí)空伴隨模式挖掘試驗(yàn) 187
10.8 本章小結(jié) 191
參考文獻(xiàn) 192
圖目錄
圖2.1 GeoSOT剖分網(wǎng)格的虛擬擴(kuò)展示意圖 13
圖2.2 GeoSOT剖分的第0～第3級(jí)“度”級(jí)網(wǎng)格 14
圖2.3 GeoSOT剖分的第10～第15級(jí)“分”級(jí)網(wǎng)格 15
圖2.4 GeoSOT剖分的第16～第21級(jí)“秒”級(jí)網(wǎng)格 15
圖2.5 GeoSOT兩極地區(qū)剖分示意圖 17
圖2.6 GeoSOT-3D立體網(wǎng)格剖分 18
圖2.7 地球立體空間 19
圖2.8 基于經(jīng)緯度坐標(biāo)的地球立體空間 19
圖2.9 GeoSOT-3D剖分0級(jí)網(wǎng)格 20
圖2.10 GeoSOT-3D剖分1級(jí)網(wǎng)格立體視圖（a）和頂視圖（b） 20
圖2.11 GeoSOT-3D剖分1級(jí)網(wǎng)格實(shí)際形狀 21
圖2.12 GeoSOT-3D剖分2級(jí)網(wǎng)格立體視圖（a）和頂視圖（b） 22
圖2.13 GeoSOT-3D剖分2級(jí)部分網(wǎng)格實(shí)際形狀 23
圖2.14 GeoSOT-3D剖分3級(jí)網(wǎng)格立體視圖（a）和頂視圖（b） 23
圖2.15 GeoSOT-3D剖分3級(jí)部分網(wǎng)格實(shí)際形狀 24
圖2.16 GeoSOT-3D剖分4級(jí)網(wǎng)格立體視圖（a）和頂視圖（b） 25
圖2.17 GeoSOT-3D剖分4級(jí)部分網(wǎng)格實(shí)際形狀 25
圖2.18 GeoSOT-3D剖分5級(jí)網(wǎng)格立體視圖（a）和頂視圖（b） 26
圖2.19 GeoSOT-3D剖分6級(jí)網(wǎng)格立體視圖（a）和頂視圖（b） 26
圖2.20 GeoSOT-3D剖分6級(jí)部分網(wǎng)格實(shí)際形狀 27
圖2.21 GeoSOT剖分7級(jí)網(wǎng)格立體視圖（a）和頂視圖（b） 27
圖2.22 GeoSOT-3D剖分7級(jí)部分網(wǎng)格實(shí)際形狀 28
圖2.23 GeoSOT-3D9級(jí)體塊擴(kuò)展示意圖 29
圖2.24 非等距高程地球立體空間及高度域網(wǎng)格粒度關(guān)系示意圖 31
圖2.25 GeoSOT剖分框架的四種編碼形式 35
圖2.26 三維填充Z序曲線及其頂視圖 35
圖2.27 二進(jìn)制一維編碼方案構(gòu)成 36
圖2.28 GeoSOT-3D二進(jìn)制三維編碼 36
圖2.29 GeoSOT剖分框架編碼間的轉(zhuǎn)換 37
圖2.30 GeoSOT剖分框架編碼與坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 38
圖3.1 時(shí)間剖分編碼模型總體架構(gòu) 42
圖3.2 單尺度時(shí)間剖分編碼結(jié)構(gòu)示意圖 43
圖目錄
圖2.1 GeoSOT剖分網(wǎng)格的虛擬擴(kuò)展示意圖 13
圖2.2 GeoSOT剖分的第0～第3級(jí)“度”級(jí)網(wǎng)格 14
圖2.3 GeoSOT剖分的第10～第15級(jí)“分”級(jí)網(wǎng)格 15
圖2.4 GeoSOT剖分的第16～第21級(jí)“秒”級(jí)網(wǎng)格 15
圖2.5 GeoSOT兩極地區(qū)剖分示意圖 17
圖2.6 GeoSOT-3D立體網(wǎng)格剖分 18
圖2.7 地球立體空間 19
圖2.8 基于經(jīng)緯度坐標(biāo)的地球立體空間 19
圖2.9 GeoSOT-3D剖分0級(jí)網(wǎng)格 20
圖2.10 GeoSOT-3D剖分1級(jí)網(wǎng)格立體視圖（a）和頂視圖（b） 20
圖2.11 GeoSOT-3D剖分1級(jí)網(wǎng)格實(shí)際形狀 21
圖2.12 GeoSOT-3D剖分2級(jí)網(wǎng)格立體視圖（a）和頂視圖（b） 22
圖2.13 GeoSOT-3D剖分2級(jí)部分網(wǎng)格實(shí)際形狀 23
圖2.14 GeoSOT-3D剖分3級(jí)網(wǎng)格立體視圖（a）和頂視圖（b） 23
圖2.15 GeoSOT-3D剖分3級(jí)部分網(wǎng)格實(shí)際形狀 24
圖2.16 GeoSOT-3D剖分4級(jí)網(wǎng)格立體視圖（a）和頂視圖（b） 25
圖2.17 GeoSOT-3D剖分4級(jí)部分網(wǎng)格實(shí)際形狀 25
圖2.18 GeoSOT-3D剖分5級(jí)網(wǎng)格立體視圖（a）和頂視圖（b） 26
圖2.19 GeoSOT-3D剖分6級(jí)網(wǎng)格立體視圖（a）和頂視圖（b） 26
圖2.20 GeoSOT-3D剖分6級(jí)部分網(wǎng)格實(shí)際形狀 27
圖2.21 GeoSOT剖分7級(jí)網(wǎng)格立體視圖（a）和頂視圖（b） 27
圖2.22 GeoSOT-3D剖分7級(jí)部分網(wǎng)格實(shí)際形狀 28
圖2.23 GeoSOT-3D9級(jí)體塊擴(kuò)展示意圖 29
圖2.24 非等距高程地球立體空間及高度域網(wǎng)格粒度關(guān)系示意圖 31
圖2.25 GeoSOT剖分框架的四種編碼形式 35
圖2.26 三維填充Z序曲線及其頂視圖 35
圖2.27 二進(jìn)制一維編碼方案構(gòu)成 36
圖2.28 GeoSOT-3D二進(jìn)制三維編碼 36
圖2.29 GeoSOT剖分框架編碼間的轉(zhuǎn)換 37
圖2.30 GeoSOT剖分框架編碼與坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 38
圖3.1 時(shí)間剖分編碼模型總體架構(gòu) 42
圖3.2 單尺度時(shí)間剖分編碼結(jié)構(gòu)示意圖 43
圖6.1 基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)空數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)分類 101
圖6.2 基于數(shù)據(jù)模型的NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)分類 104
圖6.3 不同子劃分單元上數(shù)據(jù)訪問(wèn)頻率分布示例 109
圖7.1 R樹(shù)索引結(jié)構(gòu) 114
圖7.2 分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)中名稱節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn) 115
圖7.3 二維與三維Z階曲線 117
圖7.4 Geohash兩種常見(jiàn)的編碼形式 118
圖7.5 二維與三維Hilbert曲線 119
圖7.6 S2值生成流程 120
圖7.7 地球剖分網(wǎng)格兩級(jí)索引結(jié)構(gòu) 123
圖7.8 空間域四叉樹(shù)劃分的不均衡現(xiàn)象（θ=5） 124
圖7.9 索引鍵結(jié)構(gòu) 126
圖7.10 基于MapReduce的時(shí)空網(wǎng)格索引并行構(gòu)建 127
圖8.1 兩種不同的空間關(guān)系示意圖 129
圖8.2 網(wǎng)格膨脹結(jié)果示意圖 130
圖8.3 兩個(gè)實(shí)體的Voronoi邊界終止情形示意圖 131
圖8.4 兩個(gè)實(shí)體對(duì)象的球面Voronoi計(jì)算結(jié)果圖 132
圖8.5 含有空洞的對(duì)象Voronoi圖 133
圖8.6 實(shí)體之間相離關(guān)系的四種情形 134
圖8.7 實(shí)體之間相接關(guān)系的三種情形 135
圖8.8 實(shí)體之間相交關(guān)系的四種情形 135
圖8.9 實(shí)體之間包含關(guān)系的四種情形 136
圖8.10 膨脹路徑逆向追溯的過(guò)程圖 138
圖8.11 兩個(gè)實(shí)體形心之間的方位關(guān)系示意圖 139
圖8.12 邊界的方位分類模板示意圖 139
圖8.13 實(shí)體對(duì)象的方位關(guān)系判斷方法示意圖 140
圖8.14 實(shí)體對(duì)象的方位關(guān)系定量計(jì)算方法示意圖 140
圖8.15 Allen提出的13種時(shí)態(tài)關(guān)系 141
圖8.16 剖分體元集合緩沖區(qū)網(wǎng)格分析流程圖 144
圖8.17 剖分多路徑原理示意圖 146
圖8.18 空間疊加運(yùn)算示意圖 147
圖8.19 剖分體元間并運(yùn)算流程圖 147
圖8.20 剖分體元集合間交運(yùn)算流程圖 148
圖8.21 剖分體元集合間并運(yùn)算流程圖 148
圖8.22 地理空間與剖分空間各層級(jí)網(wǎng)格數(shù)量對(duì)比圖 149
圖8.23 空間數(shù)據(jù)的剖分表達(dá)效果圖 150
圖8.24 剖分?jǐn)?shù)據(jù)的繪制過(guò)程示意圖 151
圖8.25 剖分?jǐn)?shù)據(jù)繪制的屏幕分辨率轉(zhuǎn)換示意圖 152
圖8.26 基于不同形式編碼的包含關(guān)系判斷 154
圖8.27 基于不同形式編碼的鄰域關(guān)系判斷 155
圖9.1 查詢條件轉(zhuǎn)換的一般過(guò)程 159
圖9.2 時(shí)空范圍查詢條件的分解與合并示例 161
圖9.3 并行化時(shí)空范圍查詢 161
圖9.4 時(shí)空KNN查詢區(qū)域擴(kuò)展 164
圖10.1 GeoSOT-STDOM系統(tǒng)架構(gòu)與功能模塊 168
圖10.2 基于GeoSOT-STDOM的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成組織 169
圖10.3 數(shù)據(jù)剖分預(yù)處理步驟 170
圖10.4 物理視圖 171
圖10.5 GeoSOT-STDOM兩層索引結(jié)構(gòu) 172
圖10.6 GeoSOT-STDOM的數(shù)據(jù)分布示例 172
圖10.7 GeoSOT-STDOM的查詢處理流程 173
圖10.8 數(shù)據(jù)入庫(kù)試驗(yàn)結(jié)果示意圖 175
圖10.9 全局劃分?jǐn)?shù)據(jù)分布 176
圖10.10 集群節(jié)點(diǎn)層數(shù)據(jù)的訪問(wèn)時(shí)間分布 177
圖10.11 集群節(jié)點(diǎn)層數(shù)據(jù)的訪問(wèn)時(shí)間分布標(biāo)準(zhǔn)差 178
圖10.12 集群節(jié)點(diǎn)層的數(shù)據(jù)量分布
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