一種基于SQL運(yùn)動目標(biāo)時空查詢語言
2014-12-31 00:33:28朱劍濤李芬紅
電腦知識與技術(shù) 2014年35期
朱劍濤 李芬紅
摘要：運(yùn)動目標(biāo)時空查詢語言是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)時空數(shù)據(jù)訪問和分析的主要語言工具，是時空數(shù)據(jù)應(yīng)用程序和運(yùn)動目標(biāo)時空數(shù)據(jù)庫交互的查詢語言。該文為了給用戶提供方便的數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)管理功能，運(yùn)動目標(biāo)時空查詢語言的設(shè)計采用擴(kuò)充商業(yè)對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫中標(biāo)準(zhǔn)SQL語言的方法。
關(guān)鍵詞：運(yùn)動目標(biāo)；時空查詢語言；SQL
中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）35-8359-04
運(yùn)動目標(biāo)時空查詢語言主要有兩種實(shí)現(xiàn)途徑。一種是獨(dú)立于SQL標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行時空查詢語言設(shè)計與開發(fā)，這種方法開發(fā)難度和工作量都比較大，一般用于初級的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。另一種是基于SQL的對象關(guān)系特性進(jìn)行時空擴(kuò)展，這種方法可以利用現(xiàn)有SQL強(qiáng)大的關(guān)系操作，且容易和對象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫集成[1]。
1 SQL
SQL Multimedia（簡稱SQL/MM）是結(jié)構(gòu)化查詢語言SQL針對多媒體應(yīng)用的規(guī)范。SQL/MM國際標(biāo)準(zhǔn)主要包含空間拓展（Spatial）、全文索引（Full-Text）、靜態(tài)圖像（StillImage）和數(shù)據(jù)挖掘（Data Mining）等針對不同領(lǐng)域的內(nèi)容。SQL-2008標(biāo)準(zhǔn)在這四個領(lǐng)域定義新的結(jié)構(gòu)化查詢類，使得空間等四各方面的SQL查詢效率大幅提高，并使基于SQL/MM的查詢更加規(guī)范、兼容性好且易于管理。特別是空間拓展支持包括點(diǎn)、線、面等二維空間數(shù)據(jù)，以及部分三維拓展功能和不同空間參考坐標(biāo)系的支持。并且在幾何操作、方位坐標(biāo)、拓?fù)潢P(guān)系等方面都提供了強(qiáng)大的支持。
2 基于SQL的時態(tài)和空間查詢語言
隨著SQL新標(biāo)準(zhǔn)的修訂，新特性和新技術(shù)的引入，SQL支持用戶自定義類型，以便用它來獲取和操縱復(fù)雜數(shù)據(jù)。SQL的這種可擴(kuò)展特性為特殊領(lǐng)域的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)應(yīng)用提供了支持，比如時態(tài)數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)等。
2.1 基于SQL的時態(tài)查詢語言
SQL/Temporal[2]是對SQL標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行時態(tài)擴(kuò)展形成SQL的建議標(biāo)準(zhǔn)。SQL/Temporal是在SQL標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增加了NOSEQUENCED、VALIDTIME和TRANSACTIONTIME等關(guān)鍵詞[3][4]。時態(tài)查詢語言是基于常用時間類型的查詢語言，并且時間模型不完善。因此，該時態(tài)查詢語言的功能非常有限，離實(shí)用還有很長一段距離。
2.2 基于SQL的空間查詢語言
空間查詢語言的基本要求是，采用更貼近人們對空間理解的概念，為空間數(shù)據(jù)提供更高層次的抽象。OGC[5]標(biāo)準(zhǔn)對SQL進(jìn)行了空間特性的擴(kuò)展，制定了空間數(shù)據(jù)類型及其相關(guān)的運(yùn)算，它們對空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。利用SQL的對象關(guān)系特性，把OGC指定的空間數(shù)據(jù)類型及其對應(yīng)的空間操作函數(shù)作為SQL的空間擴(kuò)展，使之可以進(jìn)行空間數(shù)據(jù)查詢和分析。OGC標(biāo)準(zhǔn)，空間操作分成三類：基本函數(shù)、拓?fù)?集合運(yùn)算和空間分析。
3 基于SQL擴(kuò)展的運(yùn)動目標(biāo)時空查詢語言
因?yàn)閷τ谶\(yùn)動目標(biāo)時空查詢來說，除了基本的時態(tài)、空間查詢之外，更重要的是時空聯(lián)合查詢。從上述基于SQL擴(kuò)展的時間和空間查詢語言的總結(jié)和分析來看，二者都不能滿足運(yùn)動目標(biāo)時空數(shù)據(jù)查詢的要求。所以，需要在SQL、時態(tài)和空間查詢語言基礎(chǔ)上，針對運(yùn)動目標(biāo)時空查詢的特點(diǎn)進(jìn)行時空謂詞擴(kuò)展。
3.1 運(yùn)動目標(biāo)時空查詢的分類
運(yùn)動目標(biāo)時空查詢中常用的查詢方式主要有四類：即Who（What）、When、Where和How查詢，簡稱為4W查詢。
3.1.1 Who查詢——已知時間和空間條件或運(yùn)動狀態(tài)，查詢運(yùn)動目標(biāo)
1） 時間點(diǎn)查詢：[Qwho=（S，t）]，其中[S]是一個空間查詢條件，即一個空間窗口，查詢[t]時刻與空間窗口相交的所有運(yùn)動目標(biāo)。
2） 時間段查詢：[Qwho=（S，t1，t2）]，如果[S]是[n]維空間的超立方體，[S]和時間區(qū)間[[t1，t2]]構(gòu)成[n+1]維的超立方體。
3） 移動查詢：[Qwho=（S1，S2，t1，t2）]是指運(yùn)動目標(biāo)的空間屬性在[t1和t2]時刻分別滿足[S1和S2]，移動查詢也稱為時空隧道查詢。
4） 最鄰近查詢：[QKNN=（D，t）]，即查詢最鄰近的n個目標(biāo)。這類查詢也是非常有用的。
3.1.2 When查詢——已知運(yùn)動目標(biāo)和空間條件，查詢時間信息
When查詢可以用[Qwhen=（Si，Oi）]表達(dá)，其中[Si]表示給定的空間條件，可以是通過空間謂詞連接的空間對象，[Oi]是已知的運(yùn)動目標(biāo)。根據(jù)給定查詢條件的不同，返回結(jié)果可能是（過去、現(xiàn)在或未來的）時間點(diǎn)或段。
3.1.3 Where查詢——已知運(yùn)動目標(biāo)和時間條件，查詢空間信息
Where查詢可以用[Qwhere=（Ti，Oi）]表達(dá)，其中[Ti]表示給定的（過去、現(xiàn)在或未來）時間條件，可以是通過時間謂詞連接的時間對象，[Oi]是已知的運(yùn)動目標(biāo)。根據(jù)給定的查詢條件的不同，返回結(jié)果可能是目標(biāo)對應(yīng)的空間的位置、范圍或某一段軌跡。
3.1.4 How查詢——已知運(yùn)動目標(biāo)和時空條件，查詢其運(yùn)動信息
How查詢可以用[Qhow=（Si，Ti，Oi）]表達(dá)，其中[Si]表示給定的空間條件，[Ti]表示給定的（過去、現(xiàn)在或未來）時間條件，可以是通過時間謂詞連接的時間對象，[Oi]是已知的運(yùn)動目標(biāo)。
3.2 運(yùn)動目標(biāo)時空謂詞擴(kuò)展
運(yùn)動目標(biāo)時空數(shù)據(jù)的操作和分析是通過STQL語句（主要是指數(shù)據(jù)操縱語句）中時空謂詞完成的。所以，運(yùn)動目標(biāo)時空謂詞的擴(kuò)展是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)時空數(shù)據(jù)庫查詢語言的核心任務(wù)。運(yùn)動目標(biāo)時空謂詞主要包括數(shù)據(jù)庫一致性、拓?fù)潢P(guān)系、投影、幾何特征、距離和方向、集合和變化率等七類操作。endprint
3.2.1 運(yùn)動目標(biāo)時空數(shù)據(jù)庫一致性操作
主要是指檢核運(yùn)動目標(biāo)時空數(shù)據(jù)的有效性和運(yùn)動目標(biāo)的類型變異，以保證運(yùn)動目標(biāo)時空數(shù)據(jù)庫的一致性，如表1所示。
3.2.2 運(yùn)動目標(biāo)時空拓?fù)浜推渌P(guān)系謂詞操作
主要是指關(guān)于給定空間條件和運(yùn)動目標(biāo)之間距離和拓?fù)潢P(guān)系的操作謂詞，如表2所示。
表2 拓?fù)浜推渌P(guān)系謂詞操作
[謂詞名＼&實(shí)現(xiàn)函數(shù)＼&返回值＼&說明＼&f_within_distance＼&f_within_distance_func（distance NUMBER， m_polygon REF Moving_Polygon，tolerance NUMBER， tp Timepoint
其中，f_relate操作謂詞允許用戶通過mask參數(shù)輸入拓?fù)潢P(guān)系類型的關(guān)鍵詞有：ANYINTERACT（相交）、CONTAINS（包含且不相切）、COVEREDBY（被包含且相切）、COVERS（包含且相切）、DISJOINT（不相交）、EQUAL（相等）、INSIDE（包含且不接觸）、OVERLAPBDYDISJOINT（重疊且邊界不相交）、OVERLAPBDYINTERSECT（重疊且邊界至少一處相交）、TOUCH（相觸且無內(nèi)部公共點(diǎn)）。
另外，mask的值也可以是上述關(guān)鍵詞的邏輯組合。如INSIDE+TOUCH根據(jù)情況的不同可以返回INSIDE+ TOUCH或FALSE。
總之，f_relate函數(shù)返回的結(jié)果包括以下三種情況：
1） 當(dāng)輸入mask的值是一個或多個關(guān)系的關(guān)鍵詞時，如果二者的關(guān)系是真返回關(guān)系的關(guān)鍵詞，否則返回FALSE。
2） 當(dāng)輸入mask的值是DETERMINE時，函數(shù)返回一個能反映二者關(guān)系的最佳關(guān)鍵詞。DETERMINE只能用在relate作為謂詞出現(xiàn)在SQL語言的SELECT從句中。
3） 如果輸入mask的值是ANYINTERACT時，如果二者不是分離的將返回TRUE，否則返回FALSE。
3.2.3 運(yùn)動目標(biāo)時間/空間域的投影/操作
主要是指運(yùn)動目標(biāo)在時間/空間域上的投影和相交操作，如表3所列。二維平面運(yùn)動點(diǎn)目標(biāo)在時間域上的投影如圖1所示。
3.2.4 運(yùn)動目標(biāo)幾何特征操作
關(guān)于面積、長度和幾何組成部分的操作和相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)函數(shù)，如下表所示。
3.2.5 運(yùn)動目標(biāo)距離和方向操作
主要完成運(yùn)動目標(biāo)間距離和方向計算，包含兩個函數(shù)：f_distance和f_direction。兩個運(yùn)動目標(biāo)之間的距離實(shí)質(zhì)上是兩個運(yùn)動目標(biāo)之間的最短距離，即兩個最鄰近點(diǎn)或線段之間的距離。f_direction只是對Moving_Point定義的，用來計算用戶指定時刻通過第一和第二個Moving_Point線段的角度（單位：度），其中[0≤angle<360]。
3.2.6 運(yùn)動目標(biāo)集合操作
主要完成運(yùn)動目標(biāo)間的并、交、差和異或等集合操作，如表6所列。
3.2.7 運(yùn)動目標(biāo)變化率操作
主要完成運(yùn)動目標(biāo)速度、速率和變化率等計算，如表7所列。其中，速率只有大小沒有方向，速度是向量同時具有大小和方向。
4 小結(jié)
本文基于SQL進(jìn)行時空謂詞擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)時空查詢語言，既可以利用現(xiàn)有強(qiáng)大的SQL關(guān)系操作，也可以很容易地與商業(yè)數(shù)據(jù)庫集成。STQL繼承了標(biāo)準(zhǔn)SQL的全部功能，在語言的語法表示上與標(biāo)準(zhǔn)SQL保持統(tǒng)一，提供了數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)操作的可重用性。
參考文獻(xiàn)：
[1] 單國慧.面向CJOP的運(yùn)動目標(biāo)時空數(shù)據(jù)模型研究[D].鄭州： 解放軍信息工程大學(xué)，2008.
[2] Abraham Silberschatz，Henry F Korth，Sudarshan S.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概念[M].楊冬青，唐世渭，等，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.
[3] Richard T Snodgrass，Michael H B?hlen，Christian S.Adding Valid Time to SQL/Temporal[S].ANSI Experts Contribution， ANSIX3H2—96—501r1，ISO/IECJTC1/SC21/WG3DBLMAD—146r2， International Organization for Standardization， 1996.
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[5] Open GIS Consortium[EB/OL].http：//www.opengis.org.
[6] 王宏勇.空間運(yùn)動對象時空數(shù)據(jù)模型的研究[D].鄭州： 解放軍信息工程大學(xué)，2005.
[7] Cindy Xinmin Chen.Data Models and Query Languages of Spatio-Temporal Information[D]. University of California Los Angeles，2001.
3.2.1 運(yùn)動目標(biāo)時空數(shù)據(jù)庫一致性操作
主要是指檢核運(yùn)動目標(biāo)時空數(shù)據(jù)的有效性和運(yùn)動目標(biāo)的類型變異，以保證運(yùn)動目標(biāo)時空數(shù)據(jù)庫的一致性，如表1所示。
3.2.2 運(yùn)動目標(biāo)時空拓?fù)浜推渌P(guān)系謂詞操作
主要是指關(guān)于給定空間條件和運(yùn)動目標(biāo)之間距離和拓?fù)潢P(guān)系的操作謂詞，如表2所示。
表2 拓?fù)浜推渌P(guān)系謂詞操作
[謂詞名＼&實(shí)現(xiàn)函數(shù)＼&返回值＼&說明＼&f_within_distance＼&f_within_distance_func（distance NUMBER， m_polygon REF Moving_Polygon，tolerance NUMBER， tp Timepoint
其中，f_relate操作謂詞允許用戶通過mask參數(shù)輸入拓?fù)潢P(guān)系類型的關(guān)鍵詞有：ANYINTERACT（相交）、CONTAINS（包含且不相切）、COVEREDBY（被包含且相切）、COVERS（包含且相切）、DISJOINT（不相交）、EQUAL（相等）、INSIDE（包含且不接觸）、OVERLAPBDYDISJOINT（重疊且邊界不相交）、OVERLAPBDYINTERSECT（重疊且邊界至少一處相交）、TOUCH（相觸且無內(nèi)部公共點(diǎn)）。
另外，mask的值也可以是上述關(guān)鍵詞的邏輯組合。如INSIDE+TOUCH根據(jù)情況的不同可以返回INSIDE+ TOUCH或FALSE。
總之，f_relate函數(shù)返回的結(jié)果包括以下三種情況：
1） 當(dāng)輸入mask的值是一個或多個關(guān)系的關(guān)鍵詞時，如果二者的關(guān)系是真返回關(guān)系的關(guān)鍵詞，否則返回FALSE。
2） 當(dāng)輸入mask的值是DETERMINE時，函數(shù)返回一個能反映二者關(guān)系的最佳關(guān)鍵詞。DETERMINE只能用在relate作為謂詞出現(xiàn)在SQL語言的SELECT從句中。
3） 如果輸入mask的值是ANYINTERACT時，如果二者不是分離的將返回TRUE，否則返回FALSE。
3.2.3 運(yùn)動目標(biāo)時間/空間域的投影/操作
主要是指運(yùn)動目標(biāo)在時間/空間域上的投影和相交操作，如表3所列。二維平面運(yùn)動點(diǎn)目標(biāo)在時間域上的投影如圖1所示。
3.2.4 運(yùn)動目標(biāo)幾何特征操作
關(guān)于面積、長度和幾何組成部分的操作和相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)函數(shù)，如下表所示。
3.2.5 運(yùn)動目標(biāo)距離和方向操作
主要完成運(yùn)動目標(biāo)間距離和方向計算，包含兩個函數(shù)：f_distance和f_direction。兩個運(yùn)動目標(biāo)之間的距離實(shí)質(zhì)上是兩個運(yùn)動目標(biāo)之間的最短距離，即兩個最鄰近點(diǎn)或線段之間的距離。f_direction只是對Moving_Point定義的，用來計算用戶指定時刻通過第一和第二個Moving_Point線段的角度（單位：度），其中[0≤angle<360]。
3.2.6 運(yùn)動目標(biāo)集合操作
主要完成運(yùn)動目標(biāo)間的并、交、差和異或等集合操作，如表6所列。
3.2.7 運(yùn)動目標(biāo)變化率操作
主要完成運(yùn)動目標(biāo)速度、速率和變化率等計算，如表7所列。其中，速率只有大小沒有方向，速度是向量同時具有大小和方向。
4 小結(jié)
本文基于SQL進(jìn)行時空謂詞擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)時空查詢語言，既可以利用現(xiàn)有強(qiáng)大的SQL關(guān)系操作，也可以很容易地與商業(yè)數(shù)據(jù)庫集成。STQL繼承了標(biāo)準(zhǔn)SQL的全部功能，在語言的語法表示上與標(biāo)準(zhǔn)SQL保持統(tǒng)一，提供了數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)操作的可重用性。
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3.2.1 運(yùn)動目標(biāo)時空數(shù)據(jù)庫一致性操作
主要是指檢核運(yùn)動目標(biāo)時空數(shù)據(jù)的有效性和運(yùn)動目標(biāo)的類型變異，以保證運(yùn)動目標(biāo)時空數(shù)據(jù)庫的一致性，如表1所示。
3.2.2 運(yùn)動目標(biāo)時空拓?fù)浜推渌P(guān)系謂詞操作
主要是指關(guān)于給定空間條件和運(yùn)動目標(biāo)之間距離和拓?fù)潢P(guān)系的操作謂詞，如表2所示。
表2 拓?fù)浜推渌P(guān)系謂詞操作
[謂詞名＼&實(shí)現(xiàn)函數(shù)＼&返回值＼&說明＼&f_within_distance＼&f_within_distance_func（distance NUMBER， m_polygon REF Moving_Polygon，tolerance NUMBER， tp Timepoint
其中，f_relate操作謂詞允許用戶通過mask參數(shù)輸入拓?fù)潢P(guān)系類型的關(guān)鍵詞有：ANYINTERACT（相交）、CONTAINS（包含且不相切）、COVEREDBY（被包含且相切）、COVERS（包含且相切）、DISJOINT（不相交）、EQUAL（相等）、INSIDE（包含且不接觸）、OVERLAPBDYDISJOINT（重疊且邊界不相交）、OVERLAPBDYINTERSECT（重疊且邊界至少一處相交）、TOUCH（相觸且無內(nèi)部公共點(diǎn)）。
另外，mask的值也可以是上述關(guān)鍵詞的邏輯組合。如INSIDE+TOUCH根據(jù)情況的不同可以返回INSIDE+ TOUCH或FALSE。
總之，f_relate函數(shù)返回的結(jié)果包括以下三種情況：
1） 當(dāng)輸入mask的值是一個或多個關(guān)系的關(guān)鍵詞時，如果二者的關(guān)系是真返回關(guān)系的關(guān)鍵詞，否則返回FALSE。
2） 當(dāng)輸入mask的值是DETERMINE時，函數(shù)返回一個能反映二者關(guān)系的最佳關(guān)鍵詞。DETERMINE只能用在relate作為謂詞出現(xiàn)在SQL語言的SELECT從句中。
3） 如果輸入mask的值是ANYINTERACT時，如果二者不是分離的將返回TRUE，否則返回FALSE。
3.2.3 運(yùn)動目標(biāo)時間/空間域的投影/操作
主要是指運(yùn)動目標(biāo)在時間/空間域上的投影和相交操作，如表3所列。二維平面運(yùn)動點(diǎn)目標(biāo)在時間域上的投影如圖1所示。
3.2.4 運(yùn)動目標(biāo)幾何特征操作
關(guān)于面積、長度和幾何組成部分的操作和相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)函數(shù)，如下表所示。
3.2.5 運(yùn)動目標(biāo)距離和方向操作
主要完成運(yùn)動目標(biāo)間距離和方向計算，包含兩個函數(shù)：f_distance和f_direction。兩個運(yùn)動目標(biāo)之間的距離實(shí)質(zhì)上是兩個運(yùn)動目標(biāo)之間的最短距離，即兩個最鄰近點(diǎn)或線段之間的距離。f_direction只是對Moving_Point定義的，用來計算用戶指定時刻通過第一和第二個Moving_Point線段的角度（單位：度），其中[0≤angle<360]。
3.2.6 運(yùn)動目標(biāo)集合操作
主要完成運(yùn)動目標(biāo)間的并、交、差和異或等集合操作，如表6所列。
3.2.7 運(yùn)動目標(biāo)變化率操作
主要完成運(yùn)動目標(biāo)速度、速率和變化率等計算，如表7所列。其中，速率只有大小沒有方向，速度是向量同時具有大小和方向。
4 小結(jié)
本文基于SQL進(jìn)行時空謂詞擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)時空查詢語言，既可以利用現(xiàn)有強(qiáng)大的SQL關(guān)系操作，也可以很容易地與商業(yè)數(shù)據(jù)庫集成。STQL繼承了標(biāo)準(zhǔn)SQL的全部功能，在語言的語法表示上與標(biāo)準(zhǔn)SQL保持統(tǒng)一，提供了數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)操作的可重用性。
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