1. Spatial database
Jakub Michalko

2. Agenda Motivácia a popis priestorových databáz
Dátový model priestorových databáz
Operácie nad priestorovými dátami
Príklady dotazov
Organizácia dát

3. Motivácia Sledovanie pohybu objektov Zobrazenie oblastí v mapách
Zobrazenie trasy, po ktorej som šiel.
Zobrazenie oblastí v mapách
Oblasti, ktoré boli zatopené
Hľadanie najbližšieho objektu
Nájdi najbližšiu čerpaciu stanicu na mojej trase
Hľadanie podobností
Na základe snímku pacientovej rezonancie nájdi v DB podobného pacienta.

4. Spatial vs. Non-spatial data
„Nepriestorové“ dáta / dotazy
Meno, telefónne číslo, adresa, rozmer,
Vypíš kiná, ktoré premietajú každý deň
Príklad priestorových dát / dotazov
Snímky zo satelitu (TB dát za deň),snímky počasia, rieky, polia, mestá
Lekárske snímky
3D model proteinu
Vypíš kiná v okolí piatich kilometrov

5. Čo je SDBMS?
SDBMS (Spatial Database Management System) je softvérový modul, ktorý
Pracuje zo základným DBMS
Podporuje priestorové dátové modely, priestorové dátové typy (SDT - spatial data types) a dotazovací jazyk, ktorý s nimi pracuje
Podporuje indexovanie priestorových dát, efektívne algoritmy pre operácie nad priestor. dátami a pravidlá pre optimalizáciu dotazov

6. Príklad SDBMS

7. GIS
GIS (Geographical Information System) je softvér pre zobrazovanie a analýzu priestorových dát pomocou priestorových analytických funkcií, ako napríklad:
Search – vyhľadávanie podľa podobností, alebo oblastí
Location analysis – vrstvy, plochy oddelené cestami
Terrain analysis – Svah, povodie, odvodňovacie siete
Flow analysis – spojenie, najkratšia cesta
Distribution – šírenie zmien, vzdialenosť, najbližší sused
Statistics - centralita, autokorelácia, indikácia podobnosti, topológia
Measurement – vzdialenosť, obvod, tvar, susednosti, smer

9. Existujúce implementácie
Hlavné existujúce implementácie SDBMS
PostGIS – PostgreSQL
SQL Server Microsoft
Spatial Oracle – Oracle
MySQL 5+ - Oracle(pôvodne SUN), neodporúča sa pre veľmi málo funkcií

10. GIS a SDBMS

11. Agenda Motivácia a popis priestorových databáz
Dátový model priestorových databáz
Operácie nad priestorovými dátami
Príklady dotazov
Organizácia dát

12. Dátový model priestorových objektov
Existujú dva pohľady na to, ako reprezentovať priestor:
Objekty v priestore
Mesto, cesty, križovatky...
Priestor samotný
Akým spôsobom ho reprezentovať tak, aby sme o každom jeho bode vedeli niečo povedať (bitmapa)

15. Dátový model priestorových objektov
Ďalšie dátové typy:
Surface – povrch.
Odvodený dátový typ.
Je to plocha s priradenými hodnotami v každom bode
Volume – objem.
3D objekt
moc nepoužíva kvôli náročnosti na výpočetný výkon

16. Dátový model podľa OGC
Geometry – abstraktna trieda

17. OGC Konzorcium OGC (Open Geospatial Consortium)
Medzinárodná štandardizačná organizácia
Vzniku OGC predchádzal projekt OpenGIS (1994), ktorý mal za úlohu vytvoriť vytvoriť jednotné rozhranie OGIS (Open Geodata Interoperability Specification)
Vznikla za účelom spolupráce na vývoji a implementácii štandardov
tvorené prevažne zástupcami z komerčnej sféry

18. Dátový model priestorových objektov
Pre dotazy je dôležité, aby model dokázal popísať, aká je:
Topológia – ktoré objekty sú susediace, ktoré objekty sa prekrývajú
Sieť – popis ciest, hľadanie najkratšej cesty
Orientácia – akým smerom je daný objekt (cesta) orientovaný
Vzdialenosť – vychádzame z Euklidového priestoru

19. Agenda Motivácia a popis priestorových databáz
Dátový model priestorových databáz
Operácie nad priestorovými dátami
Príklady dotazov
Organizácia dát

20. Operácie nad priestorovými dátami
Základné funkcie, pracujúce nad všetkými priestorovými objektami
SpatialReference() - vráti základný súradnicový systém geometrie
Export() - vráti geometriu v inej reprezentácii
IsEmpty() - vráti TRUE ak objekt je prázdny (= NULL)
IsSimple() - vráti TRUE ak je jednoduchý (sám so sebou nemá presečník)
TRUE
FALSE

22. Operácie nad priestorovými dátami
Topologické funkcie / množinové operátory
Equal – vráti TRUE ak sú obe geometrie zhodné
Disjoint – vráti TRUE ak sa hranice a vnútro geometrie nepretínajú
Intersect – vráti TRUE ak sa hranice a vnútro geometrie pretínajú
Touch – vráti TRUE, ak sa pretínajú len hranice, ale nie vnútro
Intersect: TRUE FALSE FALSE
Touch: FALSE TRUE FALSE
Disjoin: FALSE FALSE TRUE

23. Operácie nad priestorovými dátami
Topologické funkcie / množinové operátory
Cross – vráti TRUE ak výsledkom prieniku geometrií je množina bodov
Within – vráti TRUE ak je celá geomatria vnútri inej a nepretína ju

24. Operácie nad priestorovými dátami
Topologické funkcie / množinové operátory
Cointains – vráti TRUE, ak geometria obsahuje inú geometriu
Ovelaps – ak prienik je neprázdny, ale jedna geometria neobsahuje druhú

25. Operácie nad priestorovými dátami
Analytické funkcie
Distance – vráti najkratšiu vzdialenosť medzi geometriami
Buffer – vráti geometriu, ktorej body majú vzdialenosť od vstupnej geometrie menšiu alebo rovnú vstupnej hodnote

28. Zhrnutie - obmedzenia
Špecifikácia OGIS je obmedzená v popisovaní priestorových dát
Priestorová informácia je často uvádzaná v terénnom (2D/2,5D) modely (na ktoré sa zameriava)
Obmedzené operácie v SQL – len SELECT-PROJECT- JOIN
GROUP BY a HAVING predstavuje problém

29. Agenda Motivácia a popis priestorových databáz
Dátový model priestorových databáz
Operácie nad priestorovými dátami
Príklady dotazov
Organizácia dát

30. Dotazy-príklady CREATE TABLE Country( CREATE TABLE River(
Name varchar(30),
Cont varchar(30),
Pop integer,
GDP Number,
Shape Polygon);
CREATE TABLE River(
Name varchar(30),
Origin varchar(30),
Length Number,
Shape LineString);
CREATE TABLE City(
Name varchar(30),
Country varchar(30),
Pop integer,
IsCapital boolean,
Shape Point);

31. Dotazy-príklady
Nájdi mená všetkých štátov, ktoré susedia s USA v tabuľke Country.
SELECT C1.Name as neighbour
FROM Country C1, Country C2
WHERE Touch(C1.Shape,C2.Shape)=TRUE
AND C2.Name='USA'

32. Dotazy-príklady
Ktoré mesto v tabuľke City je najbližšie ku akejkoľvek rieke?
SELECT C1.Name, R1.Name
FROM City C1, River R1
WHERE Distance(C1.Shape,R1.Shape) <=
(SELECT min(Distance(C2.Shape,R2.Shape))
FROM City C2, River R2 )

33. Dotazy-príklady
Nájdi všetky mestá do vzdialenosti 300 Km od rieky Mississippi.
SELECT C.Name
FROM City C, River R
WHERE Overlaps(C.Shape,Buffer(R.shape,300))=TRUE
AND R.Name='Mississippi'

34. Dotazy-príklady Vráť mená, populáciu a veľkosť plochy všetkých krajín.
Pre výpočet veľkosti plochy sa používa funkcia Area, ktorá ma vstupný parameter Polygon a vracia číslo – obsah polygónu.
Area môže brať pri výpočte plochy do úvahy či mapa je „nakreslená“ na guľu
SELECT C.Name, C.pop, Area(C.Shape) as „Area“
FROM Country C

35. Dotazy-príklady
Pre každú rieku a každú krajinu vráť dĺžku rieky v danej krajine, ktorou prechádza.
Podobne ako Area sa v tomto prípade použije funkcia Length, ktorá vráti dĺžku krivky
SELECT R.Name,C.name,Length(Intersection(R.Shape,C.Shape))
FROM River R, Country C
WHERE Cross(R.Shape,C.Shape)=TRUE

36. Dotazy-príklady
Vráť HDP krajín(GDP) a vzdialenosť ich hlavných miest od rovníka.
SELECT Co.GDP,
Distance(Point(0,Ci.y),Ci.Shape) as „Distance“
FROM Country Co, City Ci
WHERE Co.Name=Ci.Country AND Ci.IsCapital=TRUE

37. Dotazy-príklady
Vráť mená krajín, ktoré majú len jedného suseda. Krajiny sa pokladajú za susedné, ak majú spoločnú hranicu na zemi (Island napríklad nemá suseda).
SELECT Co.Name
FROM Coungtry Co, Country Co1
WHERE Touch(Co.Shape,Co1.Shape)=TRUE
GROUP BY Co.Name
HAVING Count(Co1.Name)=1

38. Agenda Motivácia a popis priestorových databáz
Dátový model priestorových databáz
Operácie nad priestorovými dátami
Príklady dotazov
Organizácia dát

39. Spracovanie dotazu - Úvod
Dotaz možno rozdeliť na dva typy:
Single-scan – jednoduchý dotaz, kde ku každému záznamu v tabuľke sa pristupuje najviac jeden krát
Multi-scan – (dotaz cez viac tabuliek) kde k záznamom sa môže pristupovať viac krát, v najhoršom prípad za každým, keď kontrolujeme podmienku, ktorú má spĺňať. Typicky JOIN.
Problém
JOIN musí existovať aj pre priestorové dáta
Ako by mal JOIN pracovať, aby bol efektívny

40. Spracovanie dotazu Stratégia (výber objektov z dotazovanej oblasti):
Vyber obdĺžniky, ktoré obsahujú objekty, z daného regiónu
Prefiltruj ich, či skutočne sú v danom regióne

41. Organizácia dát v SDBMS
Rekapitulácia:
GIS – pracuje s hlavnou pamäťou
SDBMS – pracuje so sekundárnou pamäťou
Problémy SDBMS:
Väčšinou veľký objem dát v SDBMS
Rýchly prístup k záznamom
Rýchle prevádzanie operácií
HW obmedzenia (CPU, veľkosť primárnej pamäte)
Dáta sú viacrozmerné

42. Organizácia dát v SDBMS
Dva spôsoby, ktorými sa rieši organizácia dát na disku
Pomocou plochu-vyplňujúcich kriviek – celý priestor je rozdelený do rovnako veľkých oblastí (2D/3D mapa)
Indexáciou – rôzne typy R-stromov

43. Krivky vyplňujúce plochu
Problémy:
Usporiadanie na priestorových dátach nie je prirodzene dané
Veľa efektívnych vyhľadávaní je založené práve na usporiadaných dátach
Krivky vyplňujúce plochu
Zavádzajú usporiadanie oblastí vo viacrozmernom priestore
Umožňujú použitie zaužívaných efektívnych vyhľadávaní (vo viac-rozmernom priestore)
Najbežnejšie sú Hilbertova a Mortonova Z-krivka

44. Z-krivka
Mortonov rozklad, alebo tiež Z-krivka (podľa tvaru rozkladu). Popísaná v roku 1966 zamestnancom IBM.
Poradie, akým jednotlivé plochy usporiadava: 1 2 5 6 3 4 7 8 9 10 13 14 11 12 15 16 1 2 3 4
Poradie pre plochu 2x2
Poradie pre plochu 4x4

45. Hilbertova krivka
Hilbertova krivka sa používa ako alternatíva k Z-krivke, lebo lepšie popisuje susedné plochy
Poradie, akým jednotlivé plochy usporiadava: 1 2 15 16 4 3 14 13 5 8 9 12 6 7 10 11 1 4 2 3
Poradie pre plochu 2x2
Poradie pre plochu 4x4
krivka nesie meno po Davidovi Hilbertovy, ktorý ju v 1891 popísal v 2D verzii 2D 3D

46. Indexácia pomocou R-stromov
Hlavná myšlienka:
Použiť hierarchickú kolekciu obdĺžnikov pre organizáciu priestorových dát
Zovšeobecniť B-strom pre priestorové dáta
Kritériá rozdelenia členov rodiny R-stromov
Obsluha veľkých priestorových objektov
Možnosť prekývania sa obdĺžnikov
Duplikácia objektov, ale obdĺžniky musia byť disjunknté
Výber obdĺžnikov pre vnútorne uzly
Hladujúci algoritmus: R-strom, R+strom
Algoritmus pre minimálne prekrývanie sa: packed R-tree

48. R+strom Vlastnosti Vyváženosť Vnútorné uzly sú obdĺžniky
Detské obdĺžniky sú vnútri rodičovských
Obdĺžnky sú disjunktné
Listy sa prekrývajú s rodičovskými obdĺžnikmi (môžu trčať mimo)
Objekt sa môže vyskytovať vo viacerých uzloch
Vyhľadávanie rovnaké ako v R- strome

49. Literatúra Spatial databases - A tour, Shashi Shekar, Sanjay Chawla
Spatial databases Tips and Tricks, OpenGeo,
Spatial databases – Technologies, Techniques and Trends, Yannis Manolopuolos, Apostols N. Papadopulos & Michael Gr. Vassilakopoulos
PostGIS -