面向室內(nèi)空間的時(shí)空數(shù)據(jù)管理關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、人類生活的絕大部分時(shí)間都處在室內(nèi)空間中，例如辦公樓、購(gòu)物中心以及機(jī)場(chǎng)和地鐵站等。隨著Wi-Fi、藍(lán)牙以及RFID等各種新型定位技術(shù)和無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，室內(nèi)移動(dòng)對(duì)象的定位已成為可能。同時(shí)，集成了藍(lán)牙、Wi-Fi功能的手機(jī)、掌上電腦等各種智能終端設(shè)備的普及，加速了室內(nèi)位置服務(wù)在現(xiàn)實(shí)生活的廣泛應(yīng)用。如何有效管理日益增長(zhǎng)的室內(nèi)移動(dòng)對(duì)象位置數(shù)據(jù)，支持高效的室內(nèi)空間查詢處理，滿足多樣化室內(nèi)位置服務(wù)應(yīng)用需求，已經(jīng)成為公共安全、商業(yè)服務(wù)等諸多應(yīng)用

2、領(lǐng)域都亟需解決的重要問題。
　　移動(dòng)對(duì)象的軌跡數(shù)據(jù)是一類典型的時(shí)空數(shù)據(jù)。有效的時(shí)空數(shù)據(jù)管理技術(shù)是位置服務(wù)的基礎(chǔ)，其研究主題包括時(shí)空語義、時(shí)空數(shù)據(jù)建模、時(shí)空數(shù)據(jù)查詢處理以及時(shí)空索引等。但是，已有的時(shí)空數(shù)據(jù)管理研究主要針對(duì)室外空間中的移動(dòng)對(duì)象，缺乏對(duì)室內(nèi)空間的有效支持。室內(nèi)空間在空間約束、定位技術(shù)、距離度量等方面與室外空間有著較大差異，因此室外時(shí)空數(shù)據(jù)管理技術(shù)不能直接應(yīng)用于室內(nèi)空間。
　　為了有效支持室內(nèi)位置服務(wù)，研究面向室內(nèi)空

3、間的時(shí)空數(shù)據(jù)管理相關(guān)技術(shù)已成為當(dāng)前十分迫切的問題，同時(shí)也對(duì)空間數(shù)據(jù)模型、空間查詢處理、空間索引等研究提出了新的挑戰(zhàn):(1)在空間數(shù)據(jù)模型方面，室內(nèi)移動(dòng)對(duì)象受室內(nèi)空間的約束，因此室內(nèi)空間數(shù)據(jù)模型的表達(dá)能力是影響室內(nèi)位置服務(wù)的關(guān)鍵性因素。(2)在空間查詢處理方面，高效的室內(nèi)空間查詢處理研究是多樣化室內(nèi)位置服務(wù)應(yīng)用的技術(shù)保障，受室內(nèi)空間表示模型的限制，現(xiàn)有的室內(nèi)空間查詢工作對(duì)語義相關(guān)應(yīng)用和對(duì)象軌跡分析研究較少。(3)在空間索引方面，索引已被證

4、明是提高海量數(shù)據(jù)上復(fù)雜查詢效率的有效技術(shù)，室內(nèi)查詢處理的效率提升也離不開索引的支持，現(xiàn)有的索引技術(shù)缺乏對(duì)室內(nèi)空間特點(diǎn)的考慮以及對(duì)室內(nèi)位置服務(wù)的有效支持。
　　本文針對(duì)基于室內(nèi)空間的時(shí)空數(shù)據(jù)管理研究中的關(guān)鍵問題開展了研究。論文圍繞上述的室內(nèi)空間數(shù)據(jù)模型、室內(nèi)空間查詢處理以及室內(nèi)空間索引等三個(gè)問題，基于室內(nèi)空間布局信息和移動(dòng)對(duì)象的定位數(shù)據(jù)，深入研究了適合室內(nèi)空間的時(shí)空數(shù)據(jù)管理技術(shù)。
　　論文首先介紹了室內(nèi)時(shí)空數(shù)據(jù)管理的研究背景和

5、相關(guān)技術(shù)，從室內(nèi)空間數(shù)據(jù)建模、室內(nèi)空間查詢處理、室內(nèi)對(duì)象索引技術(shù)三個(gè)方面分析了室內(nèi)時(shí)空數(shù)據(jù)管理的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指出了目前研究存在的問題。然后，論文分析了室內(nèi)空間語義特性，提出了一個(gè)具有復(fù)雜空間語義表達(dá)能力的室內(nèi)空間表示模型，在此基礎(chǔ)上研究了支持不同定位技術(shù)的室內(nèi)移動(dòng)對(duì)象位置與軌跡模型，以提高室內(nèi)時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的普適性。接著，論文從室內(nèi)空間語義相關(guān)位置服務(wù)和移動(dòng)對(duì)象軌跡分析兩個(gè)角度入手，研究了高效的室內(nèi)空間查詢處理方法。最后，探索了新型

6、閃存存儲(chǔ)介質(zhì)上的室內(nèi)移動(dòng)對(duì)象軌跡索引，引入了更新緩沖區(qū)提升索引更新性能，并基于室內(nèi)空間布局信息和移動(dòng)對(duì)象定位數(shù)據(jù)開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　本論文的主要貢獻(xiàn)可歸納為以下幾個(gè)方面:
　　(1)針對(duì)已有室內(nèi)空間數(shù)據(jù)模型缺乏復(fù)雜語義表達(dá)能力的問題，提出了一種新的室內(nèi)空間多粒度網(wǎng)格圖模型InMGG_Model。模型引入基本幾何體網(wǎng)格類型表達(dá)室內(nèi)空間幾何特性，將室內(nèi)空間劃分為網(wǎng)格集合并構(gòu)建網(wǎng)格連通圖，在圖結(jié)構(gòu)之外增加了語義表示層，并定義了室

7、內(nèi)空間方向和約束規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)空間主題特性、幾何特性、連通性特性與距離特性等復(fù)雜空間語義的統(tǒng)一表達(dá)。
　　(2)針對(duì)目前室內(nèi)空間查詢處理研究無法支持室內(nèi)空間語義信息的問題，提出了基于語義互相關(guān)的室內(nèi)Top-k空間關(guān)鍵字查詢算法及兩種查詢優(yōu)化方法。該算法通過深入分析室內(nèi)空間語義對(duì)象間的查詢關(guān)聯(lián)關(guān)系，定義對(duì)象的互相關(guān)語義相似度，并結(jié)合查詢距離和互相關(guān)語義相似度對(duì)室內(nèi)空間語義對(duì)象進(jìn)行查詢相關(guān)性打分排序。查詢優(yōu)化方法則通過預(yù)先計(jì)算對(duì)

8、象的離線語義權(quán)重表，降低互相關(guān)語義相似度的在線計(jì)算復(fù)雜度，并基于室內(nèi)對(duì)象索引樹IKB-tree進(jìn)行對(duì)象裁剪，避免對(duì)非結(jié)果對(duì)象的冗余計(jì)算，滿足室內(nèi)空間語義k最近鄰應(yīng)用的高效查詢需求。
　　(3)針對(duì)目前室內(nèi)空間查詢處理研究缺乏對(duì)移動(dòng)對(duì)象軌跡數(shù)據(jù)分析的問題，提出了室內(nèi)移動(dòng)對(duì)象軌跡數(shù)據(jù)的模式分析方法。該方法面向室內(nèi)移動(dòng)對(duì)象軌跡數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，定義了軌跡位置模式和軌跡時(shí)空模式，設(shè)計(jì)了一種基于模式生長(zhǎng)策略的室內(nèi)軌跡頻繁位置模式挖掘算法，有效避免

9、了對(duì)軌跡數(shù)據(jù)庫(kù)的重復(fù)遍歷;進(jìn)而提出了一種室內(nèi)軌跡頻繁時(shí)空模式挖掘算法，對(duì)軌跡數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)空投影結(jié)果進(jìn)行兩階段時(shí)態(tài)聚類，獲得室內(nèi)移動(dòng)對(duì)象頻繁時(shí)空模式，支持多樣化的室內(nèi)位置服務(wù)。
　　(4)針對(duì)目前室內(nèi)移動(dòng)對(duì)象索引缺乏位置更新性能優(yōu)化的問題，提出了一種基于R樹和溢出節(jié)點(diǎn)的室內(nèi)移動(dòng)對(duì)象軌跡索引——OIR-tree。該索引基于InMGG_Model中對(duì)象位置與軌跡模型，支持多種室內(nèi)定位數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理，并基于閃存設(shè)備的讀寫不對(duì)稱特性，增加了溢