面向室內空間的時空數據管理關鍵技術研究.pdf

1、人類生活的絕大部分時間都處在室內空間中，例如辦公樓、購物中心以及機場和地鐵站等。隨著Wi-Fi、藍牙以及RFID等各種新型定位技術和無線通信技術的迅速發(fā)展，室內移動對象的定位已成為可能。同時，集成了藍牙、Wi-Fi功能的手機、掌上電腦等各種智能終端設備的普及，加速了室內位置服務在現(xiàn)實生活的廣泛應用。如何有效管理日益增長的室內移動對象位置數據，支持高效的室內空間查詢處理，滿足多樣化室內位置服務應用需求，已經成為公共安全、商業(yè)服務等諸多應用

2、領域都亟需解決的重要問題。
　　移動對象的軌跡數據是一類典型的時空數據。有效的時空數據管理技術是位置服務的基礎，其研究主題包括時空語義、時空數據建模、時空數據查詢處理以及時空索引等。但是，已有的時空數據管理研究主要針對室外空間中的移動對象，缺乏對室內空間的有效支持。室內空間在空間約束、定位技術、距離度量等方面與室外空間有著較大差異，因此室外時空數據管理技術不能直接應用于室內空間。
　　為了有效支持室內位置服務，研究面向室內空

3、間的時空數據管理相關技術已成為當前十分迫切的問題，同時也對空間數據模型、空間查詢處理、空間索引等研究提出了新的挑戰(zhàn):(1)在空間數據模型方面，室內移動對象受室內空間的約束，因此室內空間數據模型的表達能力是影響室內位置服務的關鍵性因素。(2)在空間查詢處理方面，高效的室內空間查詢處理研究是多樣化室內位置服務應用的技術保障，受室內空間表示模型的限制，現(xiàn)有的室內空間查詢工作對語義相關應用和對象軌跡分析研究較少。(3)在空間索引方面，索引已被證

4、明是提高海量數據上復雜查詢效率的有效技術，室內查詢處理的效率提升也離不開索引的支持，現(xiàn)有的索引技術缺乏對室內空間特點的考慮以及對室內位置服務的有效支持。
　　本文針對基于室內空間的時空數據管理研究中的關鍵問題開展了研究。論文圍繞上述的室內空間數據模型、室內空間查詢處理以及室內空間索引等三個問題，基于室內空間布局信息和移動對象的定位數據，深入研究了適合室內空間的時空數據管理技術。
　　論文首先介紹了室內時空數據管理的研究背景和

5、相關技術，從室內空間數據建模、室內空間查詢處理、室內對象索引技術三個方面分析了室內時空數據管理的國內外研究現(xiàn)狀，指出了目前研究存在的問題。然后，論文分析了室內空間語義特性，提出了一個具有復雜空間語義表達能力的室內空間表示模型，在此基礎上研究了支持不同定位技術的室內移動對象位置與軌跡模型，以提高室內時空數據庫技術的普適性。接著，論文從室內空間語義相關位置服務和移動對象軌跡分析兩個角度入手，研究了高效的室內空間查詢處理方法。最后，探索了新型

6、閃存存儲介質上的室內移動對象軌跡索引，引入了更新緩沖區(qū)提升索引更新性能，并基于室內空間布局信息和移動對象定位數據開展了實驗驗證。
　　本論文的主要貢獻可歸納為以下幾個方面:
　　(1)針對已有室內空間數據模型缺乏復雜語義表達能力的問題，提出了一種新的室內空間多粒度網格圖模型InMGG_Model。模型引入基本幾何體網格類型表達室內空間幾何特性，將室內空間劃分為網格集合并構建網格連通圖，在圖結構之外增加了語義表示層，并定義了室

7、內空間方向和約束規(guī)則，從而實現(xiàn)了室內空間主題特性、幾何特性、連通性特性與距離特性等復雜空間語義的統(tǒng)一表達。
　　(2)針對目前室內空間查詢處理研究無法支持室內空間語義信息的問題，提出了基于語義互相關的室內Top-k空間關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空間語義對象間的查詢關聯(lián)關系，定義對象的互相關語義相似度，并結合查詢距離和互相關語義相似度對室內空間語義對象進行查詢相關性打分排序。查詢優(yōu)化方法則通過預先計算對

8、象的離線語義權重表，降低互相關語義相似度的在線計算復雜度，并基于室內對象索引樹IKB-tree進行對象裁剪，避免對非結果對象的冗余計算，滿足室內空間語義k最近鄰應用的高效查詢需求。
　　(3)針對目前室內空間查詢處理研究缺乏對移動對象軌跡數據分析的問題，提出了室內移動對象軌跡數據的模式分析方法。該方法面向室內移動對象軌跡數據的特點，定義了軌跡位置模式和軌跡時空模式，設計了一種基于模式生長策略的室內軌跡頻繁位置模式挖掘算法，有效避免

9、了對軌跡數據庫的重復遍歷;進而提出了一種室內軌跡頻繁時空模式挖掘算法，對軌跡數據庫的時空投影結果進行兩階段時態(tài)聚類，獲得室內移動對象頻繁時空模式，支持多樣化的室內位置服務。
　　(4)針對目前室內移動對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)點的室內移動對象軌跡索引——OIR-tree。該索引基于InMGG_Model中對象位置與軌跡模型，支持多種室內定位數據的統(tǒng)一處理，并基于閃存設備的讀寫不對稱特性，增加了溢