Просторова база даних

Просто́рова ба́за да́них — це база даних, яка оптимізована для зберігання та запиту даних, які являють собою об'єкти у геометричному просторі. Більшість просторових баз даних дозволяють відображати прості геометричні об'єкти, такі як: точки, лінії та багатокутники. Деякі просторові бази даних обробляють більш складні структури, такі як: 3D об'єкти, топологічні покриття, лінійні мережі та ^[en]. Хоча типові бази даних були розроблені для управління різними цифровими та характерними типами даних, такі бази даних потребують додаткової функціональності для ефективної обробки просторових типів даних, та розробники часто додавали геометрію чи особливі типи даних. Open Geospatial Consortium (OGC) розробив специфікацію Simple Features (вперше випущена в 1997)  і встановлює стандарти для додавання просторових функціональних можливостей до систем баз даних.  Стандарт ISO/EIC просторового інтерфейсу SQL/MM є частиною мультимедійного стандарту SQL/MM та розширює стандарт Simple Features з тими даними, які підтримують кругову інтерполяцію.

База геоданих

База геоданих (також географічна база даних та геопросторова база даних) це база географічних даних, таких як: країни, адміністративно-територіальні одиниці, міста та інша відповідна інформація. Такі бази даних можуть бути корисними для вебсайтів, які бажають визначати місцерозташування користувачів для подальших налаштувань. 

Особливості просторових баз даних 

Системи баз даних використовують індекси для швидкого пошуку значень, але спосіб, який використовують більшість баз даних для індексування даних не є оптимальним для (просторових запитів). Замість такого способу, просторові бази даних використовують просторовий індекс для прискорення роботи бази даних. 

Окрім типових SQL-запитів, таких як оператори SELECT, просторові бази даних можуть виконувати різноманітні просторові операції. Наступні операції та багато іншого визначаються стандартом Open Geospatial Consortium:

• Просторові вимірювання: обчислює довжину лінії, площу багатокутника, відстань між геометричними об'єктами, тощо.
• Просторові функції: змінює наявні функції, щоб створювати нові, наприклад, створюючи навколо них буфер, перехресні функції тощо.
• Просторові педанти: Дозволяє отримати правильні / неправильні запити про просторові зв'язки між геометричними об'єктами. Приклади включають «зробіть перекриття двох полігонів» або «чи існує резиденція, розташована в межах милі від площі, яку ми плануємо побудувати на полігоні?» (дивіться ^[en]). 
• Геометричний конструктор: створює нові геометричні об'єкти, зазвичай за допомогою визначення вершин (точок або вузлів), які визначають форму.
• Функція спостерігача: запити, які повертають певну інформацію про функцію, наприклад, місце розташування центра кола. 

Деякі бази даних підтримують лише спрощені або модифіковані множини цих операцій, особливо у випадках систем NoSQL, таких як MongoDB та (CouchDB).

Просторовий індекс

Просторовий індекс використовується просторовими базами даних (базами даних, які зберігають інформацію, пов'язану з об'єктами у просторі) для оптимізації (просторових запитів). Загально прийняті типи індексів не ефективно обробляють просторові запити, такі як: наскільки відрізняються дві точки, чи точка входить у просторову область інтересів. Методи спільного просторового індексу включають: 

• ^[en]
• ^[en]
• ^[en]
• Дерево квадрантів
• (Дерево октантів)
• (Дерево UB)
• (Дерево R+): Як правило, це основний метод індексації просторових даних. Об'єкти (форми, лінії та точки) згруповані за допомогою (мінімального обмежувального прямокутника) (МОП). Об'єкти додаються до МОП в межах індексу, що призводить до мінімального збільшення його розміру.
• ^[en]
• (R*-дерево)
• ^[en]
• ^[en]
• (К-вимірне дерево)
• ^[en] — індекс m-tree може бути використаний для ефективного вирішення запитів подібності до складних об'єктів порівняно з використанням довільної метрики.
• Точковий метод доступу
• Бінарне розбиття простору (Дерево BSP): Розділяє простір на гіперплощини

Просторовий запит

Просторовий запит - це спеціальний тип запиту до бази даних, підтримуваний просторовими базами даних. Запити відрізняються від не-просторових SQL запитів кількома важливими аспектами. Два з найважливіших - вони дозволяють використовувати геометричні типи даних, такі як точки, лінії та полігони, і ці запити враховують просторові відношення між цими геометричними примітивами.

Назви функцій для запитів відрізняються в різних просторових базах. Далі показано кілька прикладів функцій, вбудованих в , розширення PostgreSQL. (Термін 'geometry' позначає точки, лінії, паралелепіпеди або інші дво- або тривимірні форми):

Опис функції: назваФункції (параметри) : тип результату

• ST_Distance(geometry, geometry) : number
• ST_Equals(geometry, geometry) : boolean
• ST_Disjoint(geometry, geometry) : boolean
• ST_Intersects(geometry, geometry) : boolean
• ST_Touches(geometry, geometry) : boolean
• ST_Crosses(geometry, geometry) : boolean
• ST_Overlaps(geometry, geometry) : boolean
• ST_Contains(geometry, geometry) : boolean
• ST_Length(geometry) : number
• ST_Area(geometry) : number
• ST_(geometry) : geometry
• ST_Intersection(geometry, geometry) : geometry

Так, ^[en] між містами що задаються точками і країнами що задаються полігонами може бути виконане SQL-виразом, на зразок:

SELECT * FROM cities, countries WHERE ST_Contains(countries.shape, cities.shape)

Операцію перетину (^[en], одна з основних операцій в ГІС) можна було б відтворити так:

SELECT ST_Intersection(veg.shape, soil.shape) int_poly, veg.*, soil.* FROM veg, soil where ST_Intersects(veg.shape, soil.shape)

Системи просторових баз даних

Перелік

• Усі продукти сумісні з специфікаціями OpenGIS
• Просторові бази даних з політикою відкритого коду та API, деякі з них сумісні з OpenGIS
• ^[en] надає можливості Sybase ASE.
• ^{[en] [en]}, рідна база даних GE ^[en] GIS
• ^[en] розширює Sqlite спеціальними типами даних, функціями та утилітами.
• Просторовий розширювач IBM DB2 може розповсюджувати будь-яке видання DB2, включаючи безкоштовний DB2 Express-C, з підтримкою просторових типів.
• ^[en] пропонує інтерактивну підтримку для дистанцій, відповідності діапазону та багатокутників, а також агрегації.
• ^[en]
• Oracle Locator
• Vertica Place, геопросторове розширення для HP Vertica, додає в OGC-сумісні просторові функції до бази даних реляційної колонки-магазину.
• Microsoft SQL Server має підтримку просторових запитів 2008
• PostgreSQL СУБД (система управління базами даних) використовує просторову розширювану PostGIS для реалізації стандартизованої геометрії типів даних та відповідних функцій.
• Teradata Geospatial містить функції 2D-простору (OGC-сумісний) у своїй системі зберігання даних.
• Розширення MonetDB / GIS для MonetDB додає прості функції OGS до бази даних реляційної колонки-магазину.
• Linter SQL Server підтримує просторові типи та просторові функції відповідно до специфікацій OpenGIS
• MySQL СУБД реалізує геометрію типу даних, а також деякі просторові функції, реалізовані відповідно до специфікацій OpenGIS. Проте в MySQL версії 5.5 і вище функції, які перевіряють просторові зв'язки, обмежуються роботою з мінімальними обмежуючими прямокутниками, а не фактичними геометріями. Версії MySQL раніше ніж 5.0.16 підтримували лише просторові дані в таблицях MyISAM. Що стосується MySQL 5.0.16, InnoDB, NDB, BDB та ARCHIVE вони також підтримують просторові функції.
• Neo4j — графічна база даних, яка може побудувати 1D та 2D індекси як Б-дерево, Quadtree та криву Гільберт прямо на графу
• AllegroGraph — графічна база даних, яка забезпечує новий механізм для ефективного зберігання та вилучення двовимірних геопросторових координат для даних баз даних опису ресурсів. Він включає синтаксис розширення для запитів SPARQL.
• MarkLogic [ 5 лютого 2021 у Wayback Machine.], MongoDB, RavenDB [ 22 березня 2022 у Wayback Machine.], та (RethinkDB) підтримують геопросторові показники в 2D середовищі.
• Esri має ряд як однокористувацьких, так і багатокористувацьких баз геоданих.
• SpaceBase [ 18 жовтня 2019 у Wayback Machine.], просторова база даних в реальному часі.
• (CouchDB) система бази даних на основі документів, яка може бути просторово включена додатком під назвою Geocouch
• CartoDB [ 24 липня 2015 у Wayback Machine.], хмарна геопросторова база даних на вершині PostgreSQL з PostGIS
• , відкрита система керування великими даними з рідними геопросторовими можливостями.
• Kinetica [ 2 січня 2018 у Wayback Machine.], база даних прискорених графічних процесорів, оптимізована для геопросторової аналітики великого набору даних.
• MapD [ 14 грудня 2017 у Wayback Machine.], відкрите джерело GPU-прискореної бази даних та платформи для візуалізації та аналітики в режимі реального часу на великих наборах даних, здебільшого на геопросторових даних.
• SpatialDB [ 4 лютого 2014 у Wayback Machine.] від MineRP перша у світі просторова база даних з відкритими стандартами (OGC) з розширеннями просторового типу для гірничої промисловості.
• H2 підтримує типи геометрії та просторові показники версії 1.3.173 (2013-07-28). Розширення з назвою H2GIS [ 16 грудня 2017 у Wayback Machine.] доступне на Maven Central, дає повну підтримку простих функцій OGC.
• GeoMesa — це хмарна просторово-часова база даних, побудована на вершині Apache Accumulo та Apache Hadoop. GeoMesa надає повну підтримку простих функцій OGC і додаток GeoServer.
• Ingres 10S and 10.2 [ 6 листопада 2016 у Wayback Machine.] включає натуральну комплексну просторову підтримку. Ingres також містить бібліотеку перехресних платформ просторових даних бібліотеки абстракції геопросторових даних.
• Tarantool підтримує геопросторові запити з індексом RTREE [ 17 грудня 2015 у Wayback Machine.].
• SAP HANA підтримує геопросторовий процес із SPS08
• Redis з Geo API

Таблиця безкоштовних систем для обробки просторових даних

DBS	Ліцензія	Розподілення	Просторові об'єкти	Просторові функції	Інтерфейс PostgreSQL	Інтерфейс UMN (MapServer)	Документація	Модифікації	HDFS
	Apache License 2.0	так	так (звичайно)	центр, радіус, відстань, площа, перетин та клітинка	ні	ні	добре в Google Code	власні типи даних, функції та індекси	можливо
(Esri) GIS для Hadoop	Apache License 2.0	так	так (власні особливі API)	так (об'єднання, різниця, перетин, кліп, вилучення, буфер, рівність, в межах, належність, дотики, знаки)	ні	ні	лише коротко	вилучення	так
GeoMesa [ 8 грудня 2017 у Wayback Machine.]	Apache License 2.0	так	так Simple Features	так (^[en])	ні(технологія ^[en])	ні	частина функцій, кілька прикладів	з Simple Features у віртуальній машині Java та Apache Spark всі проблеми є вирішуваними	так
H2GIS [ 16 грудня 2017 у Wayback Machine.]	LGPL(починаючи з v1.3) GPL раніше	ні	так (звичайно, без растру)	Simple Features та спеціальні функції для H2Network	так	ні	так(домашня сторінка)	SQL	ні
	GNU General Public License	Приклад	Приклад	так (вміст, покриття, охоплення, знаки, непересічність, перетин, перекриваються, в межах, найближчий сусід)	ні	ні	лише коротко	вилучення	так
Ingres	GNU General Public License або патентований засіб	так (якщо встановлено розширення)	так (звичайно, без растру)	Приклад	ні	з MapScript	лише коротко	з С та ОМЕ	ні
spatial/Neo4J-spatial [ 28 липня 2020 у Wayback Machine.]	Загальна публічна ліцензія GNU	ні	так Simple Features	так (вміст, покриття, охоплення, непересічність, перетин, перетин вікон, перекриття, дотик, в межах, в межах відстані)	ні	ні	лише коротко	Розгалуження ^[en]	ні
(Postgres-XL) з ^[en]	Публічна ліцензія Mozilla та загальна публічна ліцензія GNU	так	так Simple Features та растр	так Simple Features Access та функції растру	так	так	PostGIS: так, Postgres-XL: коротко	SQL, у поєднанні з R, Tcl або Python	ні
(Postgres-XL) з ^[en]	GNU General Public License	ні	так Simple Features та растр	так Simple Features Access та функції растру	так	так	докладно	SQL, у поєднанні з R	ні
^[en]	сервер GNU, клієнт LGPL, корпоративне підприємство	так	тільки растр	растрові маніпуляції з rasql	так	з Web Coverage Service або Web Processing Service	докладно вікіпедія	власна визначена функція у корпоративному випуску	ні
(RethinkDB)	Affero General Public License	так	так	відстань одержання перехрестя отримати найближчі включає в себе перетин	ні	ні	офіційні документи	вилучення	ні

Див. також

• ^[en]
• ^[en]
• (Просторовий запит)
• (Просторовий аналіз)
• Геоінформаційна система
• ^[en]
• ^[en]

Література

1. McKee, Lance (2016). «OGC History (detailed)» [ 12 грудня 2017 у Wayback Machine.] OGC. Retrieved 2016-07-12. […] 1997 […] OGC released the OpenGIS Simple Features Specification, which specifies the interface that enables diverse systems to communicate in terms of 'simple features' which are based on 2D geometry. The supported geometry types include points, lines, linestrings, curves, and polygons. Each geometric object is associated with a Spatial Reference System, which describes the coordinate space in which the geometric object is defined.*
2. . Архів оригіналу за 12 грудня 2017. Процитовано 10 грудня 2017.
3. (eds.), Wolfgang Kresse, David M. Danko (2010). Springer handbook of geographic information (1. ed.). Berlin: Springer. pp. 82–83. ISBN
4. PostGIS Function Reference. PostGIS Manual. OSGeo. Процитовано 4 січня 2023.
5. . Архів оригіналу за 14 грудня 2017. Процитовано 24 березня 2022.
6. Wei Li (2008). «2.1 Spatio-temporal Databases» [International Standard Book Number|ISBN] Retrieved 2016-07-07. Commercial spatial database management systems include IBM DB2's Spatial Extender [42], Oracle's Spatial and Oracle Locator [66], and Microsoft's SQL Server 2008 [58], etc.
7. Vertica Place"^{[недоступне посилання з липня 2019]}. December 2015.
8. «GeoSpatial — MonetDB» [ 14 грудня 2017 у Wayback Machine.]. 4 March 2014.
9. . Архів оригіналу за 9 квітня 2016. Процитовано 10 грудня 2017.
10. product page on the Parallel Universe website^{[недоступне посилання з липня 2019]}
11. product page on the MineRP website^{[недоступне посилання з липня 2019]}
12. . Архів оригіналу за 12 грудня 2017. Процитовано 10 грудня 2017.
13. . Архів оригіналу за 12 грудня 2017. Процитовано 10 грудня 2017.
14. (PDF). Архів оригіналу за 5 березня 2016. Процитовано 10 грудня 2017.

Подальше читання

• Spatial Databases: A Tour [ 11 вересня 2015 у Wayback Machine.], Shashi Shekhar and Sanjay Chawla, Prentice Hall, 2003 ()
• ESRI Press [ 4 липня 2008 у Wayback Machine.]. ESRI Press titles include Modeling Our World: The ESRI Guide to Geodatabase Design, and Designing Geodatabases: Case Studies in GIS Data Modeling , 2005 Ben Franklin Award [ 23 вересня 2006 у Wayback Machine.] winner, PMA, The Independent Book Publishers Association.
• Spatial Databases — With Application to GIS [ 20 травня 2013 у Wayback Machine.] Philippe Rigaux, Michel Scholl and Agnes Voisard. Morgan Kaufmann Publishers. 2002 ()
• Evaluation of Data Management Systems for Geospatial Big Data [ 18 червня 2018 у Wayback Machine.] Pouria Amirian, Anahid Basiri and Adam Winstanley. Springer. 2014 ()

Посилання

• PostgreSQL PostGIS as components in a Service Oriented Architecture [Архівовано 28 лютого 2006 у Archive.is] SOA
• A Trigger Based Security Alarming Scheme for Moving Objects on Road Networks^{[недоступне посилання]} Sajimon Abraham, P. Sojan Lal, Published by Springer Berlin / Heidelberg-2008.
• geodatabase [ 9 березня 2019 у Wayback Machine.] ArcGIS Resource Center description of a geodatabase