Пространственная база данных

Пространственная база данных — это база данных общего назначения (обычно реляционная база данных ), которая была расширена за счет включения пространственных данных , представляющих объекты, определенные в геометрическом пространстве , а также инструментов для запроса и анализа таких данных.

Большинство пространственных баз данных позволяют представлять простые геометрические объекты, такие как точки , линии и многоугольники . Некоторые пространственные базы данных обрабатывают более сложные структуры, такие как 3D-объекты , топологические покрытия , линейные сети и триангулированные нерегулярные сети (TIN). Хотя типичные базы данных были разработаны для управления различными числовыми и символьными типами данных , таким базам данных требуется дополнительная функциональность для эффективной обработки пространственных типов данных, и разработчики часто добавляли геометрические или характерные типы данных.

Географическая база данных (или база геоданных ) — это геопривязанная пространственная база данных, используемая для хранения и обработки географических данных (или геоданных, т. е. данных, связанных с местоположением на Земле), ^[a] особенно в географических информационных системах (ГИС). Почти все современные реляционные и объектно-реляционные системы управления базами данных теперь имеют пространственные расширения, а некоторые поставщики программного обеспечения ГИС разработали собственные пространственные расширения для систем управления базами данных.

Открытый геопространственный консорциум (OGC) разработал спецификацию Simple Features (впервые выпущенную в 1997 году) ^[1] и устанавливает стандарты для добавления пространственной функциональности в системы баз данных. ^[2] Стандарт SQL/MM Spatial ISO/IEC является частью языка структурированных запросов и стандарта мультимедиа, расширяющего Simple Features. ^[3]

Основная функциональность, добавляемая пространственным расширением к базе данных, — это один или несколько пространственных типов данных , которые позволяют хранить пространственные данные в виде значений атрибутов в таблице. ^[4] Чаще всего одно пространственное значение будет геометрическим примитивом (точкой, линией, полигоном и т. д.), основанным на векторной модели данных . Типы данных в большинстве пространственных баз данных основаны на спецификации OGC Simple Features для представления геометрических примитивов. Некоторые пространственные базы данных также поддерживают хранение растровых данных . Поскольку все географические местоположения должны быть указаны в соответствии с пространственной системой отсчета , пространственные базы данных также должны позволять отслеживать и преобразовывать системы координат. Во многих системах, когда пространственный столбец определяется в таблице, он также включает выбор системы координат, выбранной из списка доступных систем, который хранится в таблице поиска.

Второе важное расширение функциональности в пространственной базе данных — это добавление пространственных возможностей к языку запросов (например, SQL ); они дают пространственной базе данных те же операции запросов, анализа и манипуляций , которые доступны в традиционном программном обеспечении ГИС. В большинстве систем управления реляционными базами данных эта функциональность реализована как набор новых функций, которые можно использовать в операторах SQL SELECT. Несколько типов операций определены стандартом Open Geospatial Consortium :

• Измерение: вычисляет длину линии, площадь многоугольника, расстояние между геометриями и т. д.
• Геообработка: изменение существующих объектов для создания новых, например, путем создания буфера вокруг них, пересечения объектов и т. д.
• Предикаты: Позволяет делать запросы типа «истина/ложь» о пространственных отношениях между геометриями. Примеры включают «перекрываются ли два полигона?» или «есть ли жилой дом в пределах мили от района, где мы планируем построить свалку?» (см. DE-9IM )
• Конструкторы геометрии: создают новые геометрии, обычно путем указания вершин (точек или узлов), определяющих форму.
• Функции наблюдателя: запросы, возвращающие конкретную информацию об объекте, например, местоположение центра круга.

Некоторые базы данных поддерживают только упрощенные или измененные наборы этих операций, особенно в случае систем NoSQL, таких как MongoDB и CouchDB .

Пространственный индекс используется пространственной базой данных для оптимизации пространственных запросов . Системы баз данных используют индексы для быстрого поиска значений путем сортировки значений данных в линейном (например, алфавитном) порядке; однако этот способ индексации данных не является оптимальным для пространственных запросов в двух- или трехмерном пространстве. Вместо этого пространственные базы данных используют пространственный индекс, разработанный специально для многомерного упорядочения. ^[5] Распространенные методы пространственного индекса включают:

• Двоичное разбиение пространства (BSP-дерево): разделение пространства гиперплоскостями.
• Иерархия ограничивающего объема (BVH)
• Геохеш
• Сетка (пространственный индекс)
• HH-код
• Гильбертово R-дерево
• к -д дерево
• m-tree – индекс m-tree может использоваться для эффективного разрешения запросов на сходство сложных объектов по сравнению с использованием произвольной метрики.
• Октодерево
• PH-дерево
• Квадтри
• R-дерево : Обычно предпочтительный метод индексации пространственных данных. ^[6] Объекты (фигуры, линии и точки) группируются с использованием минимального ограничивающего прямоугольника (MBR). Объекты добавляются в MBR в пределах индекса, что приведет к наименьшему увеличению его размера.
• R+ дерево
• R* дерево
• UB-дерево
• X-дерево
• Z-порядок (кривая)

Пространственный запрос — это особый тип запроса к базе данных , поддерживаемый пространственными базами данных, включая базы геоданных. Запросы отличаются от непространственных SQL- запросов несколькими важными способами. Два самых важных из них заключаются в том, что они позволяют использовать типы геометрических данных, такие как точки, линии и полигоны, и что эти запросы учитывают пространственные отношения между этими геометриями.

Названия функций для запросов различаются в разных базах геоданных. Ниже приведены некоторые функции, встроенные в PostGIS , бесплатную базу геоданных, которая является расширением PostgreSQL (термин «геометрия» относится к точке, линии, ящику или другой двух- или трехмерной форме): ^[7]

Прототип функции: functionName (параметр(ы)) : возвращаемый тип

• ST_Distance(геометрия, геометрия) : число
• ST_Equals(геометрия, геометрия) : логическое значение
• ST_Disjoint(геометрия, геометрия) : логическое значение
• ST_Intersects(геометрия, геометрия) : логическое значение
• ST_Touches(геометрия, геометрия) : логическое значение
• ST_Crosses(геометрия, геометрия) : логическое значение
• ST_Overlaps(геометрия, геометрия) : логическое значение
• ST_Contains(геометрия, геометрия) : логическое значение
• ST_Length(геометрия) : число
• ST_Area(геометрия) : число
• ST_ Центроид (геометрия) : геометрия
• ST_Intersection(геометрия, геометрия) : геометрия

Таким образом, пространственное соединение между точечным слоем городов и полигональным слоем стран может быть выполнено в пространственно-расширенном операторе SQL следующим образом:

SELECT * FROM cities, countries WHERE ST_Contains(countries.shape, cities.shape)

Операция наложения векторов Intersect (основной элемент программного обеспечения ГИС) может быть воспроизведена следующим образом:

SELECT ST_Intersection(veg.shape, soil.shape) int_poly, veg.*, soil.* FROM veg, soil where ST_Intersects(veg.shape, soil.shape)

• AllegroGraph — графовая база данных , которая обеспечивает механизм эффективного хранения и извлечения двумерных геопространственных координат для данных Resource Description Framework . ^{[ необходима ссылка ]} Включает синтаксис расширения для запросов SPARQL .
• ArangoDB — многомодельная база данных, обеспечивающая возможность геоиндексирования.
• Apache Drill — MPP SQL-движок запросов для больших наборов данных. Drill поддерживает пространственные типы данных и функции ^[8], аналогичные PostgreSQL.
• Esri Geodatabase (Enterprise, Mobile) — фирменная пространственная структура базы данных и логическая модель, которая может быть реализована в нескольких реляционных базах данных, как коммерческих (Oracle, MS SQL Server, Db2), так и с открытым исходным кодом (PostgreSQL, SQLite)
• Caliper расширяет Raima Data Manager пространственными типами данных, функциями и утилитами.
• CouchDB — система баз данных на основе документов, которая может быть пространственно активирована с помощью плагина Geocouch
• Elasticsearch — это система баз данных на основе документов, которая поддерживает два типа геоданных: поля geo_point, которые поддерживают пары широта/долгота, и поля geo_shape, которые поддерживают точки, линии, окружности, многоугольники, мульти-полигоны и т. д. ^[9]
• GeoMesa — это облачная пространственно-временная база данных, созданная на основе Apache Accumulo и Apache Hadoop (также поддерживает Apache HBase , Google Bigtable , Apache Cassandra и Apache Kafka ). GeoMesa поддерживает все функции OGC Simple и плагин GeoServer.
• H2 поддерживает типы геометрии ^[10] и пространственные индексы ^[11] с версии 1.3.173 (2013-07-28). Расширение H2GIS, доступное на Maven Central, обеспечивает полную поддержку простых функций OGC .
• Любая версия IBM Db2 может быть пространственно адаптирована для реализации пространственной функциональности OpenGIS с пространственными типами и функциями SQL.
• Расширения IBM Informix Geodetic и Spatial datablade автоматически устанавливаются при использовании и расширяют типы данных Informix, включая несколько стандартных систем координат и поддержку индексов RTree. Геодезические и пространственные данные также могут быть объединены с поддержкой данных Informix Timeseries для отслеживания объектов, движущихся с течением времени.
• ЛИНТЕР SQL Server поддерживает пространственные типы и пространственные функции в соответствии со спецификациями OpenGIS.
• Microsoft SQL Server поддерживает пространственные типы с версии 2008.
• Расширение MonetDB/GIS для MonetDB добавляет простые функции OGS в реляционную базу данных с колоночным хранилищем . ^[12]
• СУБД MySQL реализует тип данных geometry , а также некоторые пространственные функции, реализованные в соответствии со спецификациями OpenGIS. ^[13] Однако в MySQL версии 5.5 и более ранних версиях функции, проверяющие пространственные отношения, ограничены работой с минимальными ограничивающими прямоугольниками, а не с фактической геометрией. Версии MySQL до 5.0.16 поддерживали только пространственные данные в таблицах MyISAM. Начиная с MySQL 5.0.16, InnoDB, NDB, BDB и ARCHIVE также поддерживают пространственные функции.
• Neo4j – графовая база данных , которая может строить 1D и 2D индексы в виде B-дерева , квадродерева и кривой Гильберта непосредственно в графе.
• OpenLink Virtuoso поддерживает SQL/MM с версии 6.01.3126 ^[14] со значительными улучшениями, включая GeoSPARQL в Open Source Edition 7.2.6 и в Enterprise Edition 8.2.0 ^[15]
• Oracle Пространственный
• СУБД PostgreSQL (система управления базами данных) использует расширение PostGIS для реализации пространственных функций, совместимых с OGC ^[16] , включая стандартизированную геометрию типов данных и соответствующие функции.
• Redis с Geo API. ^[17]
• RethinkDB поддерживает геопространственные индексы в 2D.
• SAP HANA поддерживает геопространственные данные с SPS08. ^[18]
• Smallworld VMDS , собственная база данных GE Smallworld GIS
• SpaceTime — это коммерческая пространственно-временная база данных, созданная на основе фирменного многомерного индекса, похожего на семейство деревьев k -d , но созданная с использованием подхода «снизу вверх» и адаптированная к конкретному пространственно-временному распределению данных.
• Spatial Query Server от Boeing обеспечивает пространственную поддержку Sybase ASE.
• SpatiaLite расширяет Sqlite пространственными типами данных, функциями и утилитами.
• Tarantool поддерживает геопространственные запросы с индексом RTREE. ^[19]
• Система хранения данных Teradata Geospatial включает в себя функциональные возможности 2D-пространственной обработки (соответствующие OGC).
• Vertica Place , геопространственное расширение для HP Vertica , добавляет пространственные функции, совместимые с OGC, в реляционную базу данных с колоночным хранилищем . ^[20]

• Географическая информационная система (ГИС)
• GeoSPARQL
• Базы данных гляциогеологических данных
• Местоположение разведки
• Мультимедийная база данных
• Поиск ближайшего соседа
• Объектно-ориентированная пространственная база данных
• Простые функции
• Пространственный анализ
• Пространственный ETL
• Пространственно-временная база данных

• Пространственные базы данных: тур, Шаши Шекхар и Санджай Чавла, Prentice Hall, 2003 ( ISBN 0-13-017480-7 ) 
• Пространственные базы данных – с применением в ГИС Филипп Риго, Мишель Шолль и Агнес Вуасар. Издательство Morgan Kaufmann . 2002 ( ISBN 1-55860-588-6 ) 
• Оценка систем управления данными для больших геопространственных данных Пурия Амириан, Анахид Басири и Адам Уинстенли. Спрингер. 2014 ( ISBN 9783319091563 ) 

• Введение в PostgreSQL PostGIS
• PostgreSQL PostGIS как компоненты в сервисно-ориентированной архитектуре SOA
• Схема охранной сигнализации на основе триггера для движущихся объектов на дорожных сетях Саджимон Абрахам, П. Соджан Лал, Опубликовано Springer Berlin / Heidelberg-2008.
• база геоданных ArcGIS Resource Center описание базы геоданных