模糊时空数据在数据库间的转换方法

本书的主体内容直接来源于作者近年来在相关领域取得的一系列研究成果。本书作为数据库领域的学术专著，目的是通过系统地介绍当前模糊时空数据建模、转换及查询技术在理论研究和应用方面的成果，一方面为数据库研究人员提供国际前沿信息，另一方面为信息领域从事时空应用的专业人员提供技术帮助。

目录
前言
第一部分 基础篇
第1章 绪论 3
第2章 预备知识 7
2.1 时空数据与时空数据的模糊性 7
2.1.1 时空数据 7
2.1.2 数据的模糊性 8
2.1.3 时空数据的模糊性 9
2.2 模糊集、隶属函数和可能性分布 10
2.3 XML 的基础知识 12
2.3.1 XML 介绍 12
2.3.2 XML 的逻辑结构 13
2.3.3 文档类型声明 14
2.3.4 XML 的特点 15
2.3.5 XML 文档中的模糊性 16
2.3.6 XML 文档解析 18
2.3.7 XML 数据库查询语言 19
2.4 关系数据库的基础知识 19
2.4.1 关系数据库的特点 19
2.4.2 模糊时空数据模型 20
2.5 面向对象数据库的基础知识 22
2.6 Twig 查询 24
2.7 Dewey 编码 25
2.8 本章小结 25
第二部分 模糊时空XML 文档中的不一致性
第3章 适于一致性约束的模糊时空XML 数据模型 33
3.1 适于一致性约束的模糊时空XML 文档中的节点的分类 33
3.2 模糊时间标签 34
3.3 模糊空间标签 36
3.4 属性节点 37
3.5 适于一致性约束的模糊时空XML 文档 38
3.6 讨论 40
3.7 本章小结 41
第4章 模糊时空XML 数据的不一致修复 42
4.1 模糊时空XML 文档的一致性条件 42
4.2 模糊时空XML 文档中的不一致性的检查 43
4.3 模糊时空XML 文档中的不一致性的修复方法 47
4.3.1 不一致类型Ⅰ和类型Ⅱ的修复方法 47
4.3.2 不一致类型Ⅲ的修复方法 48
4.4 实验评估 49
4.4.1 实验环境 49
4.4.2 检查和修复不一致性算法的性能测试 52
4.4.3 内存消耗测试 54
4.4.4 不一致性修复方法的实验对比 54
4.4.5 DOM 和DOM4J 的性能比较 60
4.5 本章小结 61
参考文献 62
第三部分 模糊时空数据在XML 与关系数据库之间的转换
第5章 模糊时空数据从XML 到关系数据库的转换 69
5.1 模糊时空XML 数据模型 69
5.2 XML 到关系模糊时空数据库的转换 75
5.3 评测 79
5.3.1 在气象中的应用 79
5.3.2 实验 80
5.4 本章小结 84
第6章 模糊时空数据从关系数据库到XML 的转换 85
6.1 模糊时空数据关系模型 85
6.2 模糊时空数据关系模型到XML 的转换 88
6.3 在气象中的应用 96
6.4 本章小结 100
参考文献 101
第四部分 模糊时空数据在XML 与面向对象数据库之间的转换
第7章 模糊时空数据模型 107
7.1 模糊时空数据 107
7.2 模糊时空XML 数据模型 112
7.3 模糊时空面向对象数据模型 118
7.4 本章小结 123
第8章 模糊时空数据从面向对象数据库到XML 的转换 124
8.1 模糊时空数据从面向对象数据库到平面式XML 的转换 125
8.2 模糊时空数据从面向对象数据库到嵌套式XML 的转换 135
8.3 应用与验证 144
8.3.1 建模热带气旋Sandy 144
8.3.2 Sandy 的FSODM Schema 到XML Schema 的转换 147
8.4 本章小结 154
第9章 模糊时空数据从XML 到面向对象数据库的转换 155
9.1 模糊时空数据从平面式XML 到面向对象数据库的转换 155
9.2 模糊时空数据从嵌套式XML 到面向对象数据库的转换 160
9.3 应用与验证（Sandy 的XML Schema 到FSODM Schema 的转换） 165
9.4 本章小结 170
参考文献 172
第五部分 模糊时空XML 数据查询
第10章 模糊时空XML 数据查询方法 179
10.1 Dewey 编码扩展 179
10.2 模糊度计算 183
10.3 模糊时空属性匹配 185
10.4 Twig 查询算法 188
10.4.1 数据结构 188
10.4.2 FSTTwigFast 算法 189
10.5 算法分析 193
10.6 实例分析 194
10.7 实验评估 196
10.7.1 实验环境 196
10.7.2 查询效率比较 199
10.7.3 不同类型时空数据查询效率比较 201
10.7.4 FSTTwigFast 算法与TwigStack 算法查询效率比较 202
10.8 本章小结 204
第11章 模糊时空XML 数据查询系统 205
11.1 查询系统的设计 205
11.2 查询系统的应用 208
11.3 本章小结 215
参考文献 216
彩图

    第一部分 基础篇
    本部分主要介绍本书的研究背景及与研究内容相关的概念知识。第1章介绍并分析有关模糊时空数据的研究情况，提出对模糊时空数据的XML建模、关系数据库建模和面向对象数据库建模的需求，以及对XML与关系数据库和面向对象数据库之间的相互转换进行研究的必要性和可操作性，同时概括分析模糊时空数据在XML中的不一致性问题及修复方案，还说明在模糊时空XML数据查询方面的发展及研究的必要性。第2章主要涉及模糊时空数据的相关知识，并根据后面章节研究的需要进行有侧重点的讲解。
    第1章 绪论
    空间数据库和时态数据库在20世纪90年代之前是相互独立的、没有交集的研究领域，随着时态数据库和空间数据库的发展，科研人员发现了这两种数据库的关系，并逐渐将二者结合起来进行研究，一个新的研究领域—时空数据库由此诞生。时空数据库用来存储和处理包含时态和空间信息的数据，是一种复杂的系统，成为数据库研究领域的一个重要分支。经过近些年的研究，在时空数据建模、时空信息索引与查询等方面取得了很多重要的成果。同时，时空数据库在很多领域获得了广泛的应用，这得益于其可以为时空对象提供空间和时间信息的管理。由于在实际应用中存在大量的时空数据在时空数据模型的建立方面受到了更多研究者的关注。为了使建立的模型准确有效，当前主要有两种比较成熟的方法。一种是基于场的模型，这种模型认为现实世界有很多随空间变化而变化的属性，这些属性可以用连续的函数表示。例如，在一个地图中使用压强或者温度的等高线来表示一系列常量值的点。另一种是面向对象建模方法，这种方法认为可以把现实世界接近区分为可定义的可分离对象，如在气象图中，温度区域和多雨或多雾区域都用它们在数据库中专享的属性进行区分。
    众所周知，在时空应用中，信息绝大多数都是模糊的。所以很多研究者开始将模糊性与时空数据结合起来，寻求建立模糊时空数据模型的方法。有两种建模方法使用得比较多，第一种是使用模糊集理论对时空数据对象和它们的属性建模，第二种是使用面向对象建模的方法将空间和时间上的属性与一个模型框架相结合。
    使用模糊集理论的建模方法倾向于关系数据库的应用。由于传统的关系数据库具有可靠性、成熟性和独立性的特点，目前大量数据都存储在传统的关系数据库中。由于关系数据库有利于存取数据，并且对关系数据的高效访问已经发展了数十年；数据库技术发展迅猛、数据模型的丰富多样以及数据库新技术层出不穷，使得数据库的应用领域广泛深入；同时模糊值也已经被构造成模型并且可用于处理关系数据库中的模糊信息，模糊数据与关系数据库的结合可以有效地解决模糊数据的存储问题。
    应用面向对象建模的方法倾向于使用面向对象数据库。与传统的数据库模型相比较，面向对象数据库模型提供了有力的面向对象建模的能力，并且因此被用来表示和处理在时空应用中的复杂的数据。同时，面向对象数据库模型能够处理对象的结构和属性之间的关系。但是，面向对象数据库的功能是存储数据，像电子商务和医疗健康服务这些快速发展的基于Web的应用，在生活中越来越普遍，为了满足基于Web应用的发展需求，需要一种新的技术将存储在面向对象数据库中的模糊时空数据运用到基于Web的应用中。
    XML（extensible markup language）是一种可扩展标记语言，是标准通用标记语言的子集。具有简单性、可读性和可移植性，逐渐被作为数据交换和数据融合的媒介。近年来，随着互联网的迅速发展和广泛普及，XML应用越来越广泛。作为一种用于标记电子文件使其具有结构性的标记语言，XML扮演了越来越重要的角色。与此同时，XML树型结构以及半结构化等特征，更加有利于数据管理。因此，XML是研究模糊时空数据模型的一个很好的工具，用于解决一些传统数据库中难以解决的问题，如在时态处理、空间信息处理等方面均有所建树。在时态处理方面，相对于在传统数据库的基础上对模糊时空数据进行复杂的时空扩展，XML数据树可以添加带标签的边来标识模糊时空数据的时间属性、空间属性以及模糊属性，使其更加简单易操作。在处理空间信息方面，前人提出使用可能性理论和相似性关系定义新的标签来表达模糊性；并提出将时间段标记成一条边，作为时间维度，然后通过增加这条被标记的边来处理时间上的信息。同理，管理空间上的信息也可用类似的方法。这种方法支持对不同的模糊时空数据之间的关系确定。在模糊时空数据的查询方面，相比于对SQL进行时空扩展的STSQL（spatio temporal SQL），使用XML对模糊时空数据建模，可以利用XQuery（W3C所指定的一套标准查询语言）直接进行查询，更加简单易操作，前人还应用丰富的数据类型定义对象之间的聚合关系和继承关系。因此，XML是研究模糊时空数据的可靠工具。此外，诸如XMLDTD（document type declaration）和XML Schema等模式描述语言的发展，也为有效地表示、推理、查询XML数据提供了新的契机。从本质上来说，XML Schema更加适合对复杂的模糊时空数据进行结构化处理。
    然而，由于模糊时空数据自有的特点，在对模糊时空XML文档进行操作（更新、插入或删除）时，其节点和边可能会产生不一致性。这些不一致性主要有时间不一致、时空转换不一致、时空不一致三种。由于节点间的时间信息的不同步以及信息传输延迟导致的节点间在时间理解上存在差异，称为时间不一致。产生原因为两种应用均有各自的时钟标准，导致对同一时间的时间观测值不同，从而引发了时间不一致。由于节点间的时间不一致，同时导致了它们对同一实体的位置观测存在差异，称为时空转换不一致。时间不一致通过时空转换不一致，进而造成了不同节点对同一实体的位置观测差异，这种差异导致了时空不一致。在模糊时空XML文档的操作中，这些不一致状态的出现，导致不能对未进行修复的模糊时空XML进行数据操作，因此本书提出了一种不一致性修复方法。
    XML数据以纯文本的形式进行存储，提供了一种独立于软件和硬件的数据存储方法，可以在不兼容的系统中自由交换数据，是各种应用程序之间进行数据传输的最常用的工具。为了更好地共享数据信息，对模糊时空数据在XML和关系数据库之间的研究存在理论意义和实际价值。现有的关于数据在关系数据库与XML之间的转换比较成熟的方法的应用范围都是常规数据，但是这些方法对于模糊数据来说是不接近适用的。XML的灵活性和简单性为在关系数据库中存放模糊时空XML数据增加了难度。针对模糊时空数据在关系数据库与XML之间的转换，还需要进行深入的研究。这种转换将会解决模糊时空数据在关系数据库与XML之间不能自由进行信息共享、信息传递的问题，提高模糊时空数据在关系数据库与XML之间的互操作性。
    同时，模糊时空数据在XML和面向对象数据库之间的研究也存在很大价值。为了扩展模糊时空数据在XML和关系数据库之间转换的研究领域，近些年来，还提出了模糊时空数据在面向对象数据库与XML之间转换的研究方向。随着计算机技术的发展，人们对数据的处理能力也在不断增强，对复杂数据的应用范围也有所扩大，通过对模糊时空数据的研究，人们可以更加有效地使用这些模糊的、动态的、空间的数据，如对自然灾害的预测、移动目标的监测等方面。本书提出了对模糊时空数据在面向对象数据库和XML之间双向转换的方法体系的研究，将从支持模糊时空语义的数据模型入手，提出表达能力更强的模糊时空XML数据模型和模糊时空面向对象数据模型，用以处理大量存在于网络应用和面向对象数据库中的模糊时空信息。本书深入研究了模糊时空数据在XML和面向对象数据库中的表示方法；同时，基于所建立的模糊时空数据模型和表示方法，深入研究模糊时空数据在XML和面向对象数据库之间的相互转换，并使用实际时空应用中的模糊时空数据，对所提出转换方法作进一步的评估和论证。
    对于XML查询技术的需求也日益增长，大量的XML数据查询规范和查询技术在众多应用的需求下被提出来，如Lorel、XML-QL、XQL、Quilt、XQuery等。这些查询语言都将路径表达式作为核心内容，用路径表达式来描述XML中的元素在数据层次中的定位。目前众多XML查询处理方法中，应用最广泛的是结构连接和整体Twig查询。结构连接就是将Twig模式分解为一系列二元结构关系，结构连接算法从XML数据库中获得与二元结构匹配的数据，将这些匹配的数据连接起来形成最终结果。这种方法会产生大量冗余的中间结果，当内存无法容纳时，频繁地换页会产生大量I/O操作，严重影响系统的性能。然而，整体匹配算法无须执行对给定的Twig查询进行分解处理再合并的操作，可以优选地减少不必要的中间结果，从而达到提高查询性能的目的。所以，近年来整体匹配的Twig查询成为一个热门研究课题。
    整体Twig查询的研究日趋成熟，但是该查询方法是针对一般数据的。随着地理信息系统等大量基于时空信息应用的发展，时空数据应运而生。由于时空数据的时间和空间属性在实际应用中通常是模糊的，关于模糊时空数据的研究，尤其是查询模糊时空数据，已经获得了相关领域学者的广泛关注。XML作为新一代互联网信息交换的标准语言，具有查询模糊时空数据的能力。同时，模糊时空数据中复杂的模糊时间和模糊空间属性不同于传统关系型数据库中的二维表，这点使得模糊时空数据查询应用的研究受到了很大的。XML的树型结构可以很好地解决这一问题，同时在处理模糊数据方面也相对容易。然而，尽管关于模糊集合理论的研究为研究查询模糊时空数据和查询模糊XML数据提供了很好的理论基础，但是在定量查询模糊时空XML数据领域被提出的相关理论还是不够充足。在众多基于时空数据应用的需求下，定量查询模糊时空XML数据的研究迫在眉睫。
    后续章节将围绕模糊时空数据在XML文档中的不一致性、在XML与关系数据库之间的转换和XML与面向对象数据库之间的转换，以及XML查询展开。