Integration of spatial vector data in enterprise relational database environments [Elektronische Ressource] / von Knut Stolze

Knut Stolze

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• Publié par: friedrich-schiller-universitat_jena
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 2
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

Integration of Spatial Vector Data
in Enterprise Relational Database
Environments
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.)
vorgelegt dem Rat der Fakult¨at fu¨r Mathematik und Informatik
der Friedrich-Schiller-Universit¨atJena
im Juli 2006
von
Dipl.-Inf. Knut Stolze
geboren am 8. Januar 1975 in Jena, Thu¨ringenGutachter:
1. Prof. Dr. Klaus Ku¨spert, Friedrich-Schiller-University Jena
2. Prof. Johann-Christoph Freytag, Ph.D., Humboldt-Universit¨at zu Berlin
3. Dr. Albert Maier, IBM Deutschland Entwicklung GmbH, B¨oblingen
Tag der letzten Pr¨ufung des Rigorosums: 7. November 2006
Tag der ¨offentlichen Verteidigung: 10. November 2006
iiTo My Wife AnnettivAbstract
Spatial and geometric data can be found in virtually every relational database. Such
data is often not explicitly modeled but rather hidden in addresses, for example. Unless
spatialdataistreatedasfirstclasscitizenintherelationaldatabasemanagementsystems
(RDBMSs), spatial features cannot be leveraged and exploited by applications to their
full extent. Several products provide the capabilities to store and query geometric data
directly inrelationaldatabases. Thoseproducts include dedicated datatypes alongwith
associated spatial functions and indexing mechanisms.
The SQL/MM spatial standard exists to ensure that the spatial interface provided by
products are compatible. The standard covers basic spatial functionality only. Data
types are defined and include a set of routines that are used to construct spatial values
fromexternal dataformats, comparetwo geometries regardingtheirspatialrelationship,
generatenewgeometries, ortoextractspatialproperties. However, moreadvancedfunc-
tionality iscrucial forapplications andtheir business logicis still lacking. Therefore, ap-
plications either disregard spatial information completely or noticeable effort is invested
for the addition of customized spatial logic. This thesis is dedicated to closing the most
significant gaps in the standard that we identified to further broaden the user base.
The first issue addressed in the thesis is the insufficient support of spatial data types
in programming languages and the respective database connectivity mechanisms, most
prominently Java and JDBC. We extend the JDBC interface to incorporate a spatial
class hierarchy. Instances of these classes can be directly retrieved from the RDBMS or
passed to it, avoiding the current clumsy and time-consuming stream-based interface.
Other majorenhancements tothe standard thatarecontributed by this thesis are graph
and network related routines. We exploit the topological properties of geometries for
functions that implement graph algorithms while treating graphs transparently as in-
dexing structures for geometries only. Shortest path or traveling salesman problems can
be solved directly onstreet networks. The results are in arelational fashion so that they
can even be combined with data from other tables in the database.
The SQL/MM spatial standard is only concerned with two-dimensional data. This is in-
sufficient. Manyapplicationsrequireatleastathirddimension,forinstanceCAD/CAM.
We develop and implement the concepts for the integration of 3D geometries into the
standard. This work also comprises the necessary considerations for operations in true
three-dimensional data space.
Enterprises operate diverse database systems and architectures. It is important to es-
tablish transparent access to spatial and non-spatial data alike in such environments.
Federationandreplicationaretwomechanisms toprovide such access indistributed sys-
tems. We develop the techniques to integrate spatial data in federation and replication
setups while relying on the available products only. This restriction is based on the fact
that new and independent solutions and prototypes are usually not an option in more
complex configurations.Kurzfassung (German Abstract)
RaumlicheundgeometrischeDatenexistieren inpraktisch jederrelationalenDatenbank.¨
DieseDatensindjedochoftnichtexplizitmodelliert,sondernz.B.inAdressen versteckt.
Aber nur die explizite Modellierung erlaubt die Nutzung der raumlichen Eigenschaften¨
durch Applikationen. Verschiedene Produkte stellen Funktionalita¨t zur direkten Verwal-
tung von raumlichen Daten in relationalen Datenbanken zur Verfugung. Es sind dedi-¨ ¨
zierte Datentypen, sowie zugeho¨rige Routinen und Indexmechanismen implementiert.
Zur Harmonisierung der Schnittstellen besagter Produkte wurde die SQL/MM Spati-
al Norm entwickelt. Allerdings definiert die Norm nur Grundfunktionalitat. So existie-¨
ren Datentypen und zugeh¨orige Routinen fu¨r die Konvertierung zwischen Geometrien
und zeichenbasierten externen Datenformaten, Routinen zum Vergleich zweier Geome-
trien gem¨aß ihrer ra¨umlichen Beziehung, Routinen zum Erzeugen neuer Geometrien
und Routinen zum Extrahieren von r¨aumlichen Eigenschaften. Fu¨r Anwendungen sind
aber hohere und komplexere Funktionen notwendig, damit raumlichen Daten nahtlos¨ ¨
integriert werden ko¨nnen. Diese Arbeit widmet sich den wichtigsten dieser Lu¨cken und
macht Vorschlage, um sie baldigst in der Norm zu schließen.¨
Ein vordringliches Problem besteht bereits bei der direkten Einbindung der r¨aumlichen
Daten in die Schnittstellen zwischen Datenbanksystem und Anwendung, z.B. Java und
JDBC.JDBCwirdumeine Klassenhierarchie furraumlichen Datenerweitert. Instanzen¨ ¨
dieser Klassen ko¨nnen direkt zwischen Anwendung und RDBMS ausgetauscht werden.
Weitere Modifikationen der SQL/MM Spatial Norm beziehen sich auf Graphen und
Netzwerkoperationen. Die topologischen Eigenschaften von Geometrien werden fur neue¨
Funktionen ausgenutzt, wobei die Graphen transparent als Indexstrukturen Anwendung
finden. Somit konnen kurzeste Pfade berechnet oder das Traveling-Salesman-Problem¨ ¨
direkt auf den gespeicherten Straßendaten gelo¨st werden. Die Ergebnisse werden in
relationaler Form aufgebaut, so dass sie direkt mit anderen Daten in der Datenbank
verbunden werden k¨onnen.
Die SQL/MM Spatial Norm bezieht sich ausschließlich auf zwei-dimensionale ra¨umliche
Daten. Fur CAD/CAM Applikationen ist dies z.B. unzureichend, und zumindest eine¨
weitere Dimension ist notwendig. Die Konzepte fu¨r die Integration von 3D Objekten in
dieNormwerdenentwickelt underprobt.DiesumfasstauchdieErweiterungallerbereits
vorhandener Operationen fu¨r den drei-dimensionalen Raum.
Viele verschiedene Datenbanksysteme und Architekturen finden in kommerziellen Pro-
duktionsumgebungen Einsatz. Transparenter Zugriff auf raumliche und nicht-raumliche¨ ¨
Daten ist in solchen Umgebungen essentiell. F¨oderation und Replikation sind zwei Me-
chanismen, um Daten zwischen den Komponenten verteilter Systeme auszutauschen.
Diese Arbeit entwickelt die Techniken, um ra¨umliche Daten in diese Prozesse zu inte-
grieren, da sie bisher vernachla¨ssigt wurden. Dabei wird gezielt auf die Mo¨glichkeiten
existierender Produkte gebaut, weil neue Losungen und Prototypen ublicherweise nicht¨ ¨
sicher in solch komplexen Konfiguration einzusetzen sind.Contents
List of Figures xiii
List of Tables xvii
List of Listings xix
Preface xxi
I Basics 1
1 Introduction 3
2 Concerning Spatial Data 9
2.1 Spatial Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.1 Types of Geometric Primitives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.2 Spatial Reference Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.3 Properties of Geometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Object-Relational Features in SQL:2003 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 The SQL/MM Spatial Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.1 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.2 Spatial Type Hierarchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.3 Methods on the Spatial Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.4 Supporting Data Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.5 Spatial Information Schema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.6 Sample Usage Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.7 Discussion of the Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.8 Improved Spatial Type Hierarchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.9 Major Gaps in the Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.4 Geography Markup Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5 Products Implementing Spatial Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.1 IBM DB2 Spatial and Geodetic Extenders . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.2 IBM Informix Spatial DataBlade . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
viiContents
2.5.3 MapInfo SpatialWare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.5.4 MySQL Spatial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.5.5 Oracle Spatial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.5.6 PostgreSQL & PostGIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
II Functional Enhancements for SQL/MM 53
3 Spatial Application Development 55
3.1 Sp