时空数据库中不确定性处理技术若干关键问题研究

论文摘要

在复杂多变的现实世界中,时空不确定性广泛存在。知识的不完备性、概念的模糊性与数据的衍生性,使得实体具有不确定性特征。作为一种面向时空实体的数据库管理技术,时空数据库必须充分分析时空不确定性并提供合理的解决方法。本文从数据模型、分析操作和查询处理等方面对时空数据库中不确定性处理技术的若干关键问题进行了深入研究,给出了相应研究成果。论文主要在以下几个方面取得了进展:⑴提出了一种基于灰集的不确定性时空表示模型,用一个灰色区域来表示不确定性时空对象的不确定性范围,以灰集的上、下两个隶属度函数来表示对象的不确定性分布。相对于模糊集模型,该模型关注上下隶属度函数之间的未知区域而不是隶属度函数本身,减少了对隶属度函数自身精确度的依赖;相对于粗糙集模型,该模型可以通过对隶属度函数的截集计算定量描述实体的不确定性,提高了对时空不确定性的定量表示能力。该模型放宽了对时空实体已知信息的限制,适合表示部分已知、部分未知的不确定性对象。⑵针对随时间连续变化的区域对象,提出了一种基于rcc公理的不确定时空拓扑关系形式化分析方法。采用不确定性高维空间拓扑关系来判定不确定性低维时空关系,将二维Egg/Yolk模型扩充到三维空间,设计并证明了三维不确定性空间拓扑关系和不确定性时空关系之间的转换规则,最终获得了随时间演化的不确定性区域间拓扑关系的形式化分析方法和所有拓扑关系的完备描述。⑶实现模型方面,提出了一种基于GM(1,1)灰模型的时空单元计算方法。能够在持续运动对象各离散抽样点包含不确定性的情况下降低由离散表示带来的误差和不确定性,能够稳定地反映不确定性时空对象各个时态单元内的整体变化趋势。与已有的线性局部插值模型相比,模型的误差稳定,预测性能良好。⑷不确定性时空查询处理方面,首先设计了一种不确定性时空查询的符号表示法,用于对各类不确定性时空查询进行统一归类和处理。表示法消除了由不同表现形式带来的语义混淆,能建立起各种形式不同查询的内在联系。然后提出了一种基于最小外接矩形对的查询处理框架,设计了查询重写规则和执行策略,以对象的内、外2个外接矩形来过滤不需要参与运算的元组,可以有效提高不确定性时空查询的处理效率。最后针对时空查询估计问题提出了一种可采用的基于直方图的时空选择性查询灰色估计方法。另外,针对提出的抽象模型,基于Gueting的确定性时空数据类型系统,本文设计了一个不确定性时空数据类型系统,给出了各类型的形式化定义;讨论了类型的一般性和通用性、在集合操作下的封闭性、时空一致性和独立性;以该类型系统作为指导,基于Realms和可扩充数据库系统AMOSII,设计了验证系统GROAMOSII,对主要研究成果进行了验证实现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章绪论
• 1.1 时空数据库研究进展
• 1.1.1 时空本体研究
• 1.1.2 时空数据模型及查询语言研究
• 1.1.3 时空数据存储结构、索引技术和查询处理技术研究
• 1.2 技术难点和当前主要研究内容
• 1.3 基本概念
• 1.3.1 时空数据类型
• 1.3.2 时空分析操作
• 1.3.3 时空对象建模
• 1.3.4 时空不确定性
• 1.4 本文工作
• 1.5 论文的组织
• 第二章基于灰集的时空抽象表示
• 2.1 灰集和灰数
• 2.2 灰色时空数据模型
• 2.2.1 不确定性时空实体
• 2.2.2 不确定性时空关系
• 2.2.3 不确定性时空对象的定义及其封闭性
• 2.3 不确定性时空数据类型系统设计
• 2.3.1 基本类型
• 2.3.2 空间类型
• 2.3.3 时间数据类型
• 2.3.4 时空数据类型
• 2.4 不确定性时空分析操作
• 2.4.1 时空不确定性的衡量操作
• 2.4.2 集合操作
• 2.4.3 不确定性时空拓扑分析操作
• 2.4.4 时空聚集操作
• 2.4.5 距离方向、求数值计算操作
• 2.4.6 时空投影操作
• 2.5 分析与讨论
• 2.5.1 时空一致性
• 2.5.2 集合操作下的封闭性
• 2.5.3 类型的独立性
• 2.6 本章小节
• 第三章基于扩展RCC的不确定时空对象间拓扑关系判定
• 3.1 不确定性时空拓扑谓词
• 3.1.1 时态聚集
• 3.1.2 不确定性
• 3.2 不确定性时空拓扑关系判定
• 3.2.1 二维Egg/Yolk 模型
• 3.2.2 三维空间模型和二维时空模型的同构性
• 3.2.3 不确定性时空谓词时态特性
• 3.2.4 与三维空间拓扑分析模型的比较
• 3.3 复杂时空谓词
• 3.4 分析和讨论
• 3.4.1 基本分析操作集的完备性
• 3.4.2 基本分析操作的聚类
• 3.4.3 不确定性时空拓扑关系的定量分析
• 3.5 本章小节
• 第四章不确定时空数据离散实现模型
• 4.1 不确定性时空数据离散类型概述
• 4.2 离散类型定义
• 4.2.1 非时态数据类型
• 4.2.2 时态单元的组织
• 4.2.3 基于灰建模的时态单元构造法
• 4.2.4 时态单元类型的定义
• 4.3 分析与讨论
• 4.3.1 上下隶属度函数的处理
• 4.3.2 灰单元的误差与预测性能
• 4.3.3 任意复杂区域的处理
• 4.4 本章小节
• 第五章不确定性时空查询与处理
• 5.1 相关领域研究工作
• 5.2 代数基础和查询格式
• 5.3 不确定性时空选择查询
• 5.3.1 符号表示
• 5.3.2 查询举例
• 5.4 不确定性时空投影查询
• 5.5 不确定性时空连接查询
• 5.6 不确定性时空查询处理
• 5.6.1 查询重写规则
• 5.6.2 查询执行计划
• 5.6.3 查询实例
• 5.7 基于自适应直方图的不确定性时空选择查询估计
• 5.7.1 自适应多维直方图
• 5.7.2 时空选择性查询的灰色预测
• 5.8 分析和讨论
• 5.8.1 查询表示法的通用性
• 5.8.2 模糊查询
• 5.8.3 选择查询估计实验结果
• 5.9 本章小节
• 第六章不确定性时空分析系统实现技术研究
• 6.1 GROAMOSII 功能与结构
• 6.2 基于REALMS的不确定性时空数据类型
• 6.2.1 Realms 的概念
• 6.2.2 基于Realms 的时空数据类型
• 6.2.3 不确定性时空数据类型的数据结构
• 6.2.4 时空数据结构的添加域
• 6.2.5 典型时空分析算法举例
• 6.3 不确定性时空数据类型与AMOSII 的接口
• 6.3.1 AMOSII 数据模型
• 6.3.2 AMOSQL
• 6.3.3 数据库连接的调用层接口
• 6.4 部分用户界面
• 6.5 本章小节
• 第七章总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文