[发明专利]一种高效、透明的分布式空间数据库查询方法

权利要求书

1.一种高效、透明的分布式空间数据库查询方法，通过查询分解、数据本地化、全局查询优化、局部查询优化四个层次实现，其特征是：针对分割分片的分布式空间数据库跨边界无缝查询问题，先对空间片段的连接操作进行分类，以OpenGIS标准定义的空间拓扑关系操作和空间分析操作为基础，将空间拓扑关系操作分成相离操作和非相离操作，将空间分析操作分成缓冲操作和非缓冲操作，并根据空间拓扑关系操作和空间分析操作将空间片段的连接方式划分成四类：第一类空间片段连接是非缓冲查询的非相离连接；第二类空间片段连接是非缓冲查询的相离连接；第三类空间片段连接是带缓冲查询的非相离连接；第四类空间片段连接是带缓冲查询的相离连接，这种分类建立了空间拓扑关系操作、空间分析操作与空间片段连接之间的关联关系，在此基础上，不同类型空间片段跨边界连接操作满足如下规律：

I.满足第一类连接方式的两个空间片段必定与这两个空间片段分割边界的最小外包矩形交矩形相交；

II.一个空间片段关系的d缓冲区扩展的最小外包矩形不超出这个空间片段分割边界的最小外包矩形的d扩展，所谓的最小外包矩形的d扩展定义如下：设一个空间对象的最小外包矩形的左下角和右上角坐标分别为(x_min，y_min)、(x_max，y_max)，则这个对象的最小外包矩形的d扩展是左下角和右上角坐标分别为(x_min-d，y_min-d)、(x_max+d，y_max+d)的矩形，其中d为正实数；

III.两个空间片段间第三类空间连接，如果主片段对象和辅片段对象间满足空间片段的第三类连接方式，则主片段中满足第三类空间拓扑关系的对象与辅片段最小外包矩形的d扩展或最小外包矩形的双d扩展相交，其中主片段、辅片段、双d扩展的定义分别如下：参与连接的两个片段中包含缓冲操作的片段称为主片段，则另一个片段称辅片段，若参与连接的两个片段上都有缓冲操作，设缓冲区分别为d1、d2，则任选一个作为主片段，另一个作为辅片段，此时对任何一个片段进行最小外包矩形的d1+d2扩展，称为片段的双d扩展；

以这三个规律为基础，提出空间片段跨边界连接优化的7个规则，其中包括以下3个去除规则：

(1)如果参与连接的两个空间片段的分割边界的最小外包矩形不相交，则这两个空间片段间第一类连接去除；

(2)不相邻的空间片段第一类连接去除；

(3)如果分割分片的两个空间片段的广义d扩展不相交，则这两个空间片段间第三类连接去除，所谓连接片段的广义d扩展定义如下：参与缓冲连接的一个片段X，它的广义d扩展表示为MBR(X)_d_E，如果X中的对象先进行缓冲操作后再做片段连接，则d等于缓冲区距离，即MBR(X)_d_E＝MBR(X)_d，如果X中的对象直接进行片段连接，则看成d＝0，此时MBR(X)_d_E＝MBR(X)；

以及下面4个连接转化规则：

(4)在两个空间片段X、Y上进行第一类跨边界θ_sp-1^ed连接，转换为先对X、Y上进行基于X、Y分割边界最小外包矩形交矩形求交过滤，然后再进行第一类空间连接操作θ_sp-1，即： X ∞ θ sp - 1 ed Y = σ θ sp - 1 f ( X ) ∞ θ sp - 1 σ θ sp - 1 f ( Y ) ; ]]>

(5)如果参与连接的两个空间片段的分割边界的最小外包矩形不相交，则这两个空间片段间的第二类连接转化为这两个片段的笛卡尔积；

(6)在两个空间片段X、Y上进行第三类跨边界连接θ_sp-3^ed，转换为先在X上进行第三类空间拓扑过滤θ_{MBR(Y)_d}^f(X)，对过滤结果进行d缓冲，然后再进行第三类空间连接操作θ_sp-3，即 η d ( X ) ∞ θ sp - 3 ed Y = η d ( σ θ MBR ( Y ) _ d f ( X ) ) ∞ θ sp - 3 Y ; ]]>

(7)参与连接的两个空间片段的广义d扩展不相交，则这两个空间片段间的连接转化为这两个空间片段的笛卡尔积。

2.根据权利要求1所述的一种高效、透明的分布式空间数据库查询方法，其特征是：查询分解、数据本地化、全局查询优化、局部查询优化四个层次实现的具体步骤如下：

查询分解：将查询问题转换为一个定义在全局关系上的关系代数表达式，查询分解为四步：第一步是将查询写成规范化形式，第二步是对规范化查询语句进行正确性分析，第三步是进行查询化简，第四步是将查询语句重写成一个代数查询，查询重写分为两个子步骤：一是将查询转换成关系代数，二是关系代数查询重构；

数据本地化：通过数据分布信息定位查询数据，确定查询中涉及的片段，把一个全局关系上的查询具体化，具体到本地化或进地化上的空间片段上进行查询，将全局关系上的关系代数表达式变换为在相应片段上的关系表达式，利用空间片段跨边界连接优化的7个规则来优化空间查询，根据空间片段跨边界连接优化规则(1)和(2)去掉多余的不相邻空间片段第一类连接，根据空间片段连接优化规则(3)去掉片段间第三类连接，并通过从空间全局数据字典中得到片段是否相邻、片段的最小外包矩形等信息判断运用四种连接转化规则中的何种优化规则进行空间片段连接的优化；

全局查询优化：通过寻找一个近于最优化的执行策略，即找出分片查询的最佳操作次序，输出一个优化的、片段上的关系代数查询；

局部查询优化：由拥有查询片段的各个站点在每一个站点上执行子查询，采用集中式系统算法通过该站点上的DBMS进行优化。