基于拓扑关系的时空数据库拓扑查询的研究

论文摘要

时空数据库是涉及对象时间和空间特性的复杂系统,对其拓扑关系的描述与判断在时空数据建模、时空查询、时空分析、时空推理、数据更新等方面起着重要的作用。因此,对时空数据库中的拓扑关系的研究和其到查询语言中的应用已经成为时空数据库发展的一个重要领域。虽然简单空间对象查询技术已经日益成熟,但是加之时间特性后的时空对象被认为是移动的空间对象,对其进行拓扑分析和推理已经成为了一门新的学科。目前,时空数据库相关技术的研究都还处于探索阶段,特别是对时空对象间拓扑谓词的设计和实现的研究很少。课题在时空数据定义体系描述基础上,结合空间拓扑关系表示模型,给出了时空数据操作的描述体系,对时空拓扑查询的核心内容-拓扑谓词进行了分类阐述。同时在时空操作中,时空拓扑查询是时空查询的重中之中,所以论文针对时空数据库中空间对象随时间变化的特性,对复杂的时空操作过程进行分解处理,从而引出解决时空对象间拓扑分析推理的新思路。并总结了简单线/线、线/面关系、面/面关系、复杂空间对象和模糊空间对象间的拓扑关系。在此基础上,结合时间因素,论文详细给出了对应时空拓扑谓词的抽象定义;利用简单复杂空间对象间拓扑谓词,设计了复杂空间对象间拓扑谓词,并进行了完备性和互斥性证明,同时给出其到时空拓扑谓词的提升;提出了一种拓扑关系中不确定度的界定方法;针对拓扑查询中的不确定因素,提出一种解决模糊空间对象间拓扑分析的新思路,解决了模糊时空实体建模不能用矢量或栅格（场）数据模型来存储的问题;对模糊实体间拓扑谓词的设计,解决了以往模型拓扑关系繁多,难以聚簇到人类认知范围内的问题,并给出完备性和互斥性证明,给出了完整的拓扑谓词设计和其到时空谓词的提升。最后基于Realms概念和ROSE代数,用平面扫描算法结合时间域的方法实现了上述对象间的时空拓扑谓词,并给出了正确性、有效性证明和复杂性讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 课题研究意义
• 1.2 时空数据库研究现状
• 1.3 课题的来源及研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 研究方法
• 1.3.3 研究内容
• 1.4 论文组织结构
• 第2章 时空数据表示体系及拓扑关系描述模型
• 2.1 时空数据建模基础
• 2.1.1 基本数据类型和空间数据类型
• 2.1.2 时空数据类型描述
• 2.1.3 时态数据类型及谓词基础
• 2.2 空间拓扑关系描述的数学基础—点集拓扑学
• 2.3 空间拓扑关系描述模型及拓扑分析
• 2.3.1 基于4 交模型的空间关系描述
• 2.3.2 基于9 交模型的空间关系描述
• 2.3.3 简单空间对象间拓扑关系分析
• 2.4 数据结构
• 2.4.1 数据模型概述
• 2.4.2 空间数据结构及数据访问
• 2.5 本章小结
• 第3章 时空数据库中确定实体间拓扑查询研究
• 3.1 时空间拓扑谓词定义基础
• 3.1.1 空间代数
• 3.1.2 时态关系代数
• 3.1.3 时空语义扩展
• 3.2 确定实体间时空拓扑谓词设计
• 3.2.1 确定空间实体的范畴
• 3.2.2 拓扑谓词规范及操作分类
• 3.3 复杂实体间拓扑谓词设计
• 3.3.1 复杂区域概述
• 3.3.2 复杂区域间拓扑谓词分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 时空数据库中不确定实体间拓扑查询扩展
• 4.1 时空拓扑查询中的不确定性
• 4.1.1 拓扑关系界定的不确定性
• 4.1.2 应对策略
• 4.2 不确定实体定义体系
• 4.2.1 模糊理论中的基本概念
• 4.2.2 模糊实体建模
• 4.3 模糊空间对象间的拓扑谓词
• 4.3.1 理论前提
• 4.3.2 模糊拓扑谓词
• 4.4 用模糊拓扑谓词来处理查询
• 4.4.1 空间拓扑谓词和量词的捆绑
• 4.4.2 模糊时空对象拓扑谓词的扩展
• 4.5 本章小结
• 第5章 时空数据库拓扑查询算法与实现
• 5.1 时空数据库查询语言（SQLST）
• 5.1.1 时空查询语言设计
• 5.1.2 时空数据库时空拓扑查询实例
• 5.2 时空拓扑谓词算法基础
• 5.2.1 基于Realms 的平面扫描
• 5.2.2 ROSE 代数
• 5.2.3 平面扫描算法在Realms 中的实现
• 5.3 时空拓扑分析算法实现
• 5.3.1 重叠数和线段分类
• 5.3.2 复杂空间区域拓扑分析算法
• 5.3.3 模糊空间区域拓扑分析算法
• 5.3.4 算法性能分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢