[发明专利]基于多级空间索引技术的分布式空间矢量数据管理方法

说明书

技术领域

本发明属于地理信息学技术领域，具体而言，涉及一种基于多级空间索引技术的分布式空间矢量数据管理方法，主要应用于大规模空间矢量数据的弹性分布式部署。

背景技术

分布式管理指基于网络远程管理包括计算机软件、硬件、设备仪器和知识资源等能够被使用的实体的一种计算机管理模式，该管理系统在物理上分散在逻辑上集中，由若干节点或站点组成，通过网络连接在一起，从而达到分散管理数据以支持高性能的数据维护和查询检索的目的。

目前针对大规模海量数据的分布式管理主要是采用Hadoop的分布式文件系统，简称HDFS，该系统采取客户端-服务器架构，其基本思路是一次写入、多次读取，它将海量数据分布存储在一个大集群的多台计算机上，把文件分块进行存储，不同分块文件采取TCP协议作为系统底层通信的支撑协议。HDFS在处理大数据的分布式存储上具备优势，同时其对硬件需求比较低，可以运行在低廉的商用硬件集群上。

空间矢量数据是指在统一空间坐标系统范围内利用点、线、面等连续的几何元素来表示及记录空间实体的位置、形状、大小及其分布等多方面信息的数据，具有定位、定性、时间和空间关系等特性。空间矢量数据规模庞大，不仅具有属性信息，同时具备空间信息，一旦数据量过大，对其读取速度将会变得非常缓慢，而现有的HDFS不涉及空间位置信息，并不理解空间矢量数据的存储及表达方式，因此在解决分布式空间矢量数据管理时存在缺陷。对空间矢量数据进行管理往往采取添加空间索引的方式，满足系统对海量数据的高效率管理要求。

空间索引是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的规则排列成的一种数据结构，最终目的是提高系统对空间数据获取的效率(闫超德赵学胜.《GIS空间索引方法述评》2004年第20卷第4期)。目前空间索引主要分为三种系列，包括R树系列索引、四叉树系列索引和格网系列索引。R树索引是根据空间图元对象的MBR(最小外接矩形)确定索引结构的一种面对对象的平衡树，其所有非叶子节点均存储该节点所包含的MBR和指向子节点的指针，叶子节点则存储该节点内的MBR和空间图元对象，R树索引的优点在于其无需预先知道整个空间对象的存储范围，而是按照图元对象数据来建立索引，同时其缺点在于插入和删除空间数据时会引起相应节点的分裂和合并，操作频繁时，可能会严重降低空间对象的查询效率。四叉树索引是将已知范围的空间不断递归等分为四个相等的子空间，直至满足精度要求，其根节点和中间节点不存储空间对象，而是将其全部存储在叶子节点上，四叉树索引的优点在于其操作简单、耗内存较少，数据的插入和删除操作均比较简单，但是其缺点在于由于检索精度的提高会引起四叉树层次变深，而导致查询效率的下降，同时由于同一空间图元对象可能存储在多个结点上，引起数据量的冗余。格网索引算法简单，其将空间数据范围划分为若干相同的网格，记录每一网格包含的空间实体，因此通过遍历网格即可实现数据单元的快速查询，但是由于格网索引缺乏层次而导致索引数据冗余较大，同时事先需要知晓空间数据的分布范围以及需要确定格网索引的精度，缺乏灵活性，比较适合对空间点数据索引的建立。目前国外空间数据生产商主要利用R树系列作为其数据管理索引，国内空间数据生产商主要利用四叉树作为其数据管理索引。

发明内容

本发明提供一种基于多级空间索引技术的分布式空间矢量数据管理方法，用以克服现有技术中存在的至少一个问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于多级空间索引技术的分布式空间矢量数据管理方法，包括以下步骤：

根据所确定的空间数据管理范围，为地理空间矢量数据建立多级四叉树空间索引；

计算包含矢量图元的最小网格矩形，根据该矢量图元的最小网格矩形与多级四叉树空间索引中每一级四叉树中的矩形之间的拓扑关系，确定该矢量图元所在的索引级别，并建立相应的图元索引；

将多级四叉树中同一节点内图元数据和其对应的索引数据存储至同一服务器设备，该索引数据包括空间对象的标识号和其最小外包矩形的范围坐标；将不同节点内图元数据和其对应的索引数据按照存储量大小采取分布式系统管理方式存储至若干个服务器设备。

进一步的，上述方法还包括以下步骤：

接受用户对存储的空间矢量数据进行查询、删除和/或插入操作。

进一步的，建立多级四叉树空间索引时，其迭代次数依据图元数据的管理精度要求而定。