Räumliche Anfragen
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Räumliche Anfragen
GIS-Seminar WS04/05
Marius Zirngibl
FBI, Universität Hamburg
Räumliche Anfragen Marius Zirngibl / FB Informatik Uni Hamburg
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Übersicht
1. Motivation
2. Konzepte von Anfragesprachen
3. Grundlagen der Datenauswertung
4. Anfrageoptimierung
5. Praktisches Beispiel
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Motivation
• These:
Der Wert eines Informationssystems wird auch und besonders daran gemessen, welche Fragen an das System gestellt werden können.
=> Ohne geeignete Abfragemöglichkeit sind gespeicherte Daten wertlos.
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Grundsätzliche Fragen
• Wie mächtig ist die benutzte Sprache?
• Wie formuliere ich meinen Wunsch?
• Für welche Benutzergruppen ist die Abfragemethode geeignet?
• Wie effizient ist die Auswertung?
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Anfragesprachen
• Schnittstelle für den Benutzer, um Informationen aus einem System zu bekommen, ohne die interne Struktur der Datenbank genau zu kennen
• sehr verschiedene Arten von Anfragesprachen • Zwei Hauptkriterien zur Beurteilung der Qualität
einer Anfragesprache:
Benutzerfreundlichkeit <-> Funktionsumfang
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Konzepte von Anfragesprachen
• Grundsätzliche Unterscheidung von Anfragesprachen:
- nach Art der Interaktion zwischen Benutzer und System
- nach Art der möglichen Operationen
- nach Art der angefragten Daten
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Unterscheidung von Anfragesprachen
• Nach Art der Interaktion:
- Graphische Anfragesprachen
- Dialogsysteme
- Formale Anfragesprachen
- Natürliche Anfragesprachen
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Unterscheidung von Anfragesprachen
• Nach der Art der Operationen:
- reine Abfragesprache
- Data Manipulation Language (DML): auch Veränderung der Daten
- Data Definition Language (DDL): auch Definition der Daten
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Unterscheidung von Anfragesprachen
• Nach der Art der Daten:
- Graph-Anfragesprachen
- Räumliche Anfragesprachen (Spatial Query Language, SpQL)
- Geographische Anfragesprachen (Geographical Query Language, GQL)
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GEOQL – Beispiel einer formalen geographischen Anfragesprache
• GEOQL ist eine Erweiterung von SQL
• Funktionalität und Syntax sehr ähnlich SQL
• Zusätzlich spezielle räumliche Operatoren
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Beispiel für eine räumliche Anfrage mit GEOQL
• Fragestellung: „Finde alle Städte mit einer Einwohnerzahl über 5000 im Umkreis von 200 km um den Bodensee“
• Problem mit reinem SQL: keine Möglichkeit, Entfernungen zwischen Objekten abzufragen
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Räumliche Anfrage mit GEOQL
Formulierung der Frage in GEOQL:
SELECT CITY.Name
FROM CITY, LAKE
WHERE LAKE.Name = ´Bodensee´ and
CITY.Population >= 5000 and
CITY within 200 km of LAKE.
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Räumliche Operatoren von GEOQL
intersects
adjacent
joins
ends_at
contains
situated_at
within
closest
furthest
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Grundlagen der Datenauswertung
Man unterscheidet grundsätzlich zwei Methoden der Datenauswertung:
- Thematische Datenselektion
- Geometrische Datenselektion
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Thematische Datenselektion
• In den meisten Datenbanken zu finden, nicht nur in GIS
• Selektion bestimmter Objekttypen mit bestimmten Attributen
• Formale Struktur einer thematischen Selektionsanfrage: <Operand 1> <logischer Operator> <Operand 2>
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Geometrische Datenselektion
• Nur in raumbezogenen Informationssystemen zu finden
• Selektion von geometrischen Objekten, die zu anderen geometrischen Figuren in einer bestimmten topologischen Beziehung stehen
• Formale Struktur einer geometrischen Selektionsanfrage:
<Operand 1> <geometrischer Operator> <Operand 2>
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Topologische Beziehungen
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Unterarten geometrischer Datenselektion
• „m nearest neighbour query“: Abfrage der m nächsten Objekte zu einem vorgegebenen Objekt
• Homöomorphismen: geometrische Ähnlichkeit zwischen Objekten
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Anfrageoptimierung
• Große Datenmengen => hoher Rechenaufwand bei komplexen Anfragen
• Deshalb Unterteilung des Raumes mittels eines räumlichen Index
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Quadtree
• Algorithmus basiert auf der rekursiven Zerlegung einer Fläche in vier Teile
• Entstandene Teilflächen werden durchnumeriert (indiziert)
• Grad der Zerlegung abhängig von der Objektdichte
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Quadtree
• Erstellung des Quadtree auf Grundlage einer bestehenden Datenbasis
• Position im DB-System zwischen Datenbasis und Anfragesystem
• Fungiert als Zwischenspeicher („cache“)
• Speicherung als Baumstruktur mit genau vier Blättern je Knoten (daher „Quadtree“)
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Quadtree
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Anfrage im Quadtree
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Einfügen neuer Knoten
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Octree
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Beispiel für räumliche Indizierung
• Frage: Wie viele Windkraftwerke gibt es in Hamburg, und wo liegen sie?
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Beispiel für räumliche Indizierung
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Darstellung der Auswertungsergebnisse
• Verschiedene Möglichkeiten der Datenausgabe:
- textuelle Darstellung (Listen, Tabellen)
- graphische Darstellung (Diagramme)
- kartographische Darstellung
• Kombinationen häufig und nützlich
=> Übersicht vs. Detailgenauigkeit
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Literaturverzeichnis
• Dirk Findeisen: Datenstruktur und Abfragesprachen für raumbezogene Informationen, Kirchbaum Verlag, Bonn, 1990
• Beng Chin Ooi: Efficient query processing in geographic information systems, Springer Verlag, Berlin, 1990
• Matthias Ziegler: Untersuchung geographischer Anfragesprachen auf der Basis relationaler und objektrelationaler Datenbankmanagementsysteme, München, 2001
• Nabil Adam, Aryya Gangopadhyay: Database Issues in Geographic Information Systems, Kluwer, Boston,1997
• Philippe Rigaux, Michel Scholl, Agnes Voisard: Spatial Databases with Apllication to GIS, Morgan Kaufmann, 2002
• Hanan Samet: Neighbor finding in images represented by Octrees, University of Maryland, 1988
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Diskussion
• Wie könnten graphische Anfragesprachen aussehen und wie sinnvoll ist deren Einsatz?
• Wie effizient können natürliche Anfragesprachen sein?