空间数据库索引技术探讨

【摘要】空间索引是空间数据库中最关键的技术之一，空间索引技术决定着空间数据库应用中的空间查询和分析的性能，也决定着空间数据库能否支持更多的并发用户。本文从四个方面对空间数据库索引技术进行了一个简要的概述。

【关键词】空间数据库；索引技术；Web技术；高维空间

随着空间数据应用的增加，存储空间开销的加大以及索引空间重叠的剧增，空间数据库的索引性能下降。为提高空间查询的效率，空间数据库索引技术应运而生。下面我们将从四个方面来对空间数据库索引技术进行探讨。

1.高维空间索引技术

随着三维地理信息系统、多媒体数据库及时空数据库的研究和发展，对多维空间目标的搜索及更新功能的要求越来越迫切。而目前常用的空间索引技术，主要是针对一维或二维空间中的空间数据。将这些索引技术运用于三维或更高维空间数据时，其查询效率将大大降低，有时索引机制甚至不起到作用。因此，如何索引这些高维数据是一个很大的挑战，有必要研究新的可扩展的高维索引技术，使之不但能有效地检索一维或二维空间数据，而且能有效地检索高维的空间数据。

高维空间数据索引的一种实现方法是降维，然后再降维后的子空间里运用一维或多维空间索引技术。其降维的方法包括空间填充曲线、奇异值分解、距离映射算法等。由于高维空间数据索引结构的复杂性，高维空间数据索引技术的研究仍然存在很多问题有待于进一步探讨。

2.基于空间关系的索引技术

基于空间关系的数据索引技术在空间数据库中占有十分重要的地位。这是因为，空间数据库涉及对现实世界大量具有不规则几何形状空间目标的处理，这些目标之间存在着复杂的空间关系。很多查询和分析操作都是基于目标间空间关系的。只有在相应的空间数据结构基础上，依据目标间的空间关系建立良好的索引机制，才有可能有效地提高对空间数据的处理效率，尤其是空间查询的效率。否则，查询某个空间目标时，必须将该目标的特征值与空间数据库中存储的所有目标进行一一比较，以最终确定要查找的目标，这显然是令人难以容忍的。由此可见，基于空间关系的空间索引技术研究具有十分重要的意义。

目前的空间索引技术都有其固定的优势和不足，其共同特点是基于空间目标的空间位置来建立相应的索引结构，其主要目的是提高空间数据库系统中区域查询效率。然而目前的空间索引技术难以根据目标之间的空间关系来建立有效的检索机制，从而极大地影响了系统的功能和效率。若能根据空间目标之间的某些空间关系来动态地相应的索引机制，使之能够依据目标间的空间关系，快捷地查找到相关的目标，这必将极大地提高空间查询和空间分析的效率，从而有效地扩充空间数据库系统的数据组织、数据分析和数据维护功能。

3.基于Web技术的空间索引技术

与传统的空间数据库相比，基于Web的空间数据库在体系结构上有了根本的转变，它主要包括以下几部分：（1）基于Internet/Ineranet环境，采用了TCP/IP通信协议，大大扩展了空间信息共享范围。（2）在应用层采用了HTTP协议，客户端只需要有通用的浏览器即可，不需要有特殊的软件，大大增强了系统的性能。（3）应用的分布性。可以根据网络带宽、计算机性能等一系列资源状况，将应用按照功能分布到不同的结点上，如分布到多台服务器上或是将一部分简单应用分布到客户机上，复杂的应用仍交给服务器执行，这样可以大大提高系统的性能。（4）空间数据的分布性。空间数据可以根据其本身具备的空间特征存储在最适宜的位置上，从而大大简化了对空间数据的管理。

基于Web的空间数据库为信息的高度共享提供了可能，它改变了以往数据信息传输、、共享及应用的过程和方式，是空间信息系统发展的必然趋势。基于Web的空间数据库目前还处在发展阶段，还存在着许多关键问题尚未突破，空间数据的存储、检索及相关索引技术结构的建立即为其中等待解决的难题之一。

4.基于空间数据仓库的索引技术

随着信息技术的飞速发展和空间数据库业界对海量空间数据存储、管理、分析和交换的需求，以面向事务处理为主的空间数据库系统已不能满足需要，空间信息系统开始从管理转向决策处理，空间数据仓库就是为满足这种新的需求而提出的空间信息集成方案，它与传统空间数据库的主要差别为面向主题的数据组织和管理、数据的集成、数据的维护与管理及空间数据的时空序列变化这四个方面。

空间数据仓库是对空间数据进行管理的数据仓库，它将各种空间数据集成在一起提供给用户。由于空间数据本身具有的特点，空间数据仓库具有许多更加复杂的特性与关键技术，如空间数据仓库内数据的组织与显示，空间数据变换，客户端数据分析等，空间数据的高效存储和数据索引技术也是空间数据仓库的关键技术之一。空间数据库为了支持高层次的决策分析需要大量的数据。这些数据可能分布在不同的已有应用中，存储在不同的平台和数据库中。空间数据仓库则根据主题通过专业模型对不同源数据库中的原始业务数据进行抽取和聚集，形成一个多维视角，从而为用户提供一个综合的、面向分析的决策支持环境。这一过程的完成需要一套高效存储和数据索引技术作为保证才能完成。随着空间数据仓库研究的不断发展，基于数据仓库的空间数据索引技术也将得到不断的完善和发展。

5.结束语

空间数据索引是提高空间数据查询最有效的方法，也最难全面掌握的技术，因为正确的索引机制可能使查询效率提高一万倍，而无效的索引可能会浪费了数据库空间，甚至大大降低查询性能。采用不依赖于商用数据库空间扩展技术的空间数据引擎，具有良好的空间存储和访问效率，移植性好，灵活性高，更易于提高和完善，对于应用模型的设计也更为有利。缺点是实现难度大，且不支持扩展SQL查询，数据维护复杂。商用空间数据库的空间扩展最大的优点在于对象级的数据存储机制和支持扩展SQL的查询。采用数据库厂商提供的抽象数据类型存储空间数据，使得数据共享和互操作更有潜力。目前的各种商用空间数据库引擎或空间扩展技术有待于进一步研究。

参考文献：

[1]谈国新.一体化空间数据结构及其索引机制研究.测绘学报，1998，27（4）：293299

[2]孙小燕，谭勇桂.空间索引技术―回顾与展望.计算机工程与应用.2002，24：197200

作者简介：

李艳红（1978-），女，硕士，西安外事学院，讲师，研究方向：数据库理论与应用。