Bases de datos espaciales

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Bases de datos espaciales

• Michael Gould
• Universitat Jaume I

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Índice

• Bases de datos relacionales
• Datos no espaciales
• Indices (indexación) de bases de datos
• Ordenación (sorting) de datos
• Modelado de datos espaciales
• Dos tipos de consulta
• Indices espaciales

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BB DD relacionales

• Por qué usar una base de datos?
• Organización, recuperación eficaz
• Una BD no tiene por que ser relacional !!!
• BDR optima para interrelacionar tablas de texto
• Trabaja en el espacio de nombres,
  unidimensional
• BBDD espaciales son MUY grandes
• Muchos elementos (puntos, líneas..) y muchas
  relacionales necesarias para guardar todo que es
  interesante en interacciones espaciales

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BB DD relacionales (2)

• El uso de campos largos no es la mejor solución
• Es simple, pero no nos ayuda en mejorar
  rendimiento de recuperación
• Una BDR mejora su recuperación mediante índices
  (indexación) de atributos (items)
• Pero hay que ordenar (sort) los datos,
  alfabéticamente, según la coord X o Y (pero no
  las 2)
• Cada vez ordenando sobre una sola dimensión...

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Indices

• Ordenando según la dist de cada elemento a un
  punto origen, sirve para desordenarlos para todos
  demás puntos
• No sabes a priori todas las posibles consultas
  del usuario
• Indices implícitos mejor que explícitos
• No hace falta reordenar los datos, solo despúes
  de cambios

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Indexación

• Cómo ordenamos los datos?
• Mediante índices primarios y secundarios
• Para datos no espaciales, uno puede indexar cada
  atributo
• Pero no sirve cuando consulta utiliza
  combinaciones de valores de atributos
• El registro más cercano a Pepe Pérez en términos
  de peso y edad (no existe el concepto peso-edad)

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Indexación (2)

• Para consultas booleanas, sí, tiene sentido
• todos entre 25 y 30 años y entre 50 y 70 Kilos
• Cómo construir índices?
• otra relación nueva
• clave extranjera
• siguen siendo ejemplos relacionales,
  unidimensionales...

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Modelado de datos

• Para imágenes, usaremos un tuplo para cada
  pixel?
• Un BLOB solo dice que la imagen existe, nada de
  su contenido
• Un tuplo para cada parte de cada elemento
  vectorial (ej, punto, línea) ??
• Un tuplo para cada elemento entero ?

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Modelado de datos (2)

• Cómo enlazar al elemento entero con un tuplo?
• la caja mínima requiere atributos en 2
  dimensiones
• puedes usar un punto representivo (centroide)
• Lo que falta en el modelo relacional es la
  manera de utilizar la ubicación como índice a una
  estructura espacial
• Por eso hemos creado índices espaciales

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Interacción con la BD

• Muchos lenguajes de consulta
• SQL domina, solo porque el modelo relacional
  también domina
• SQL inicialmente separado al modelo relacional
• Poco a poco se integran
• Tiene muchas limitaciones para datos no normales
  (ej. CAD, sistemas MM, SIG)

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Interacción con la BD (2)

• SQL no permite la interacción con gestos
• Cuál es el edificio más cercano a este
  ltseñalizar con el ratóngt punto, que vale menos de
  50 MM
• No incluye operadores espaciales, ej. Cerca de,
  tocando con, etc.
• Existen propuestas para SQL-extendidos
• SQL-3, SQL-MM, Geo-SQL

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Consultas mixtas

• Consultas dobles, utilizando datos espaciales y
  no espaciales (atributos)
• Localiza todas las ciudades dentro de 100 Km
  del río Ebro, y de más de 100.000 habitantes
• Optimizar la recuperación
• Si la región es reducida, ejecutar la búsqueda
  espacial antes
• Si hay muchas ciudades grandes en la BD, haz la
  selección relacional (pob gt 100000) antes

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Consultas mixtas (2)

• Hay que tratar dos tipos de datos distintos
• Datos espaciales
• puntos discretos en el espacio
• espacio ocupado por fenómenos continuos que
  tienen extensión en 2-d
• Datos no espaciales
• nombres de regiones
• limite de velocidad en una carretera...

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Consultas espaciales

• El gestor de BBDD relacionales sirve para los
  datos no espaciales
• No es nada óptimo para consultas espaciales
• Tres tipos de consultas espaciales
• Rango (una ventana completa)
• Rango parcial (solo algunos atributos)
• Puntual (solo un objeto)

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Consultas de rango

• Rango ámbito espacial
• Basadas en el límite de cada elemento
• No hace falta que todas las posibles
  relacionales espaciales estén explícitamente en
  la BD
• Consultas por atributo todos los sitios que
  tienen cítricos
• Consultas por ubicación ciudad más cercana a
  este punto?

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Indices espaciales

• Objetivo Como siempre con la indexación...
  tratar de no visitar y tocar cada vez a todos los
  n elementos en la base de datos !!
• Los índices espaciales nos permiten ir al grano,
  optimizando la recuperación
• Ejemplo simple rectángulo mínimo (MBR)
• guardamos los MBR, y si una consulta toca a un
  MBR, sus elementos pueden ser relevantes los de
  fuera seguramente NO!

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Indices espaciales (2)

• Los MBR no forman una descomposición completa
  del plano (rectángulos pueden solaparse)
• Quadtree (árbol cuadernario) libro Samet
• índice espacial jerárquico
• descomposición regular, multiresolución
• se pueden aplicar a todos tipos de datos
  espaciales

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Quadtree

• Mal nombrado es una descomposición en bloques
  regulares no tiene por que usar arboles
• Algoritmo Dividir región en cuatro subregiones
• cada subregión heterogenea, se divide en otras 4
• división recursiva
• guardamos los niveles y los elementos/atributos
  en cada nivel (en un árbol, lista, etc.)

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Quadtree (2)

• Divisiones (cuadrantes) numeradas 0,1,2,3
• Orden de Morton, de Peano, etc.
• Cada región a cualquier nivel tiene una
  coordinada en el quadtree
• 1,1,1 tercer nivel, esquina derecha superior
• También sabemos sus coordinadas geográficas,
  basadas en las coords del primer nivel (root)

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Quadtree (3)

• Quadtree es una estructura (índice) simple y
  potente
• Forma parte de casi todos los SIG de gama alta,
  para mejorar el rendimiento de la BD
• Quadtree óptimo para consultas por ubicación
  Qué hay aquí en esta región X?
• La estructura Pirámide es una variación

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Pirámide

• Como el quadtree, donde cada nodo en el árbol
  guarda un sumario de la información de sus hijos
• Así, el pirámide es mejor para recuperación por
  atributo dentro de una región
• Hay cítricos en esta región? Si el nivel 1 no
  tiene cítricos, entonces imposible que este más
  abajo entre sus hijos, nietos, etc.

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Página de demos de Samet

• http//www.cs.umd.edu/brabec/
• quadtree/index.html

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Otros temas Transacciones largas

• Qué pasa cuando alguien tiene abierta la base
  de datos de carreteras, durante 2 días, para
  hacer modificaciónes?
• Control de sesiones
• Control de acceso bloqueo a nivel de fichero,
  elemento ??
• Procesos de Commit y Rollback

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Otros temas BDR extendidas

• Productos SDO (Spatial Data Option) de Oracle, y
  Spatial Data Engine (SDE) de ESRI
• solución TODA relacional espacial, no espacial
• manejo de geometrías múltiples
• conforman con OpenGIS
• Datablades espaciales para Informix, DB2...

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Otros temas Procesos

• SIG basado en BDR normalmente supone una
  geometría
• Supone una foto de la situación
• Complica la actualización de elementos,
  atributos, esp en situación dinámicas !!
• BD y sistemas Orientadas a Objetos...en el
  futuro.