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«Speicherung raum-zeitlicher Daten und deren Visualisierung Bachelorarbeit vorgelegt von: Markus Bradke Zum Erlangen des akademischen Grades ...»

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5.1.1.5 Attribut SDO_ORDINATES Das Attribut ^ K KZ /E d ^ speichert alle Koordinaten, die die Grenze eines Geoobjekts bilden. Es ist definiert als Zahlenfeld wechselnder Länge (s ZZ z EhD Z). Das Feld muss immer mit dem Attribut ^ K D /E&K angegeben werden, da die Koordinaten sonst falsch interpretiert werden. Ein Polygon aus zweidimensionalen Punkten wird in der Form x1, y1, x2, y2, x3, y3, x1, y1 angegeben. Da ein Polygon geschlossen ist, muss zum Abschluss immer die Anfangskoordinate angegeben werden. Eine beliebige dreidimensionale Geometrie wird in der Form x1, y1, z1, x2, y2, z2 usw. deklariert. [Brink08, OSDG09] Mit den Erkenntnissen der vorangegangenen Abschnitte können nun die in Abbildung 5.1 dargestellten Geometrien als ^ K ' KD dZz Objekttyp gespeichert werden. Zunächst werden der dreidimensionale Linienzug und die grau hinterlegte Fläche in die Datenbank überführt.

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Alternativ kann das graue Polygon auch über ein einfaches Polygon definiert werden. Dazu müssen alle begrenzenden Koordinaten im Gegenuhrzeigersinn angegeben werden.

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Die Beschreibung des Quaders über sechs Polygone ist sehr aufwändig. Für solche Körper ist es daher sinnvoll den Geometrietyp 3008 (^K/ ) zu verwenden und über die diagonal gegenüberliegenden Eckpunkte zu beschreiben.

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5.1.2 Räumliche Indexierung Ein Vorteil einer Geodatenbank gegenüber anderen Datenbanksystemen besteht in der Möglichkeit, räumliche Daten effizient über räumliche Indexe abzufragen.

Räumliche Indexe dienen zur Beschleunigung des Datenzugriffs auf große Mengen räumlicher Daten. Grundsätzlich werden verschiedene Indexstrukturen4 unterschieden. Dazu zählen u. a. Quadtrees, Gridfiles und R-Bäume. Da Oracle ab Version Einen Überblick über die aufgeführten Indexstrukturen bietet [Brink08, S. 172 ff.] 5 Oracle Spatial 3D und TimeDB 47 11 nur noch das R-Tree-Verfahren unterstützt, soll nachfolgend detaillierter auf diese Indexstruktur eingegangen werden.

5.1.2.1 Metadaten Bevor Geometriedaten indexiert werden können, muss der Eintrag in der Metadatensicht h^ Z ^ K ' KD D d d aktualisiert werden. Exemplarisch wird die Geometrietabelle „Object3D“ aus Abschnitt 5.1.1 in die Metadatensicht übernommen.

8SGDWH GHU 6LFKW 86(5B6'2B*(20B0(7$'$7$,16(57,172 XVHUBVGRBJHRPBPHWDGDWD 7$%/(B1$0( &2/801B1$0( ',0,1)2 65,'

–  –  –

18// 65,' 5.1.2.2 R-Tree Index Der R-Baum basiert auf den theoretischen Untersuchungen von Antonin Guttman (1984). Der R-Baum ist eine Rechteckstruktur, d.h. dass für den räumlichen Zugriff ein minimal umschließendes achsenparalleles Rechteck (MBR)5 zur Beschreibung der Geometrien genutzt wird (siehe Abb. 5.2). Zunächst werden für alle Geometrieobjekte die MBR gebildet.

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Ohne räumliche Indexierung müsste bei der Abfrage nach einer bestimmten Geometrie der gesamte Objektraum durchsucht werden. Durch die Bildung von Hierarchiestufen kann die Anzahl der zu prüfenden Geometrien stark eingegrenzt werden.

5 Oracle Spatial 3D und TimeDB 49 5.1.2.3 Indexierung in Oracle 11g Ein räumlicher Index nach dem R-Tree-Verfahren wird in Oracle mit der folgenden SQL-Anweisung erzeugt.

&5($7(,1'(; SRLQWV GBVLG[ RQ 2EMHFW ' JHRPHWU\,1'(;73(,6 PGV\V VSDWLDOBLQGH[ 3$5$0(7(56 VGRBLQG[BGLPV Der generierte Index bezieht sich auf die in der Tabelle “Object3D” gespeicherten vom Typ ^ K ' KD dZz. Für dreidimensionale Objekte ist der Spalte Zusatz in der Parametereinstellung von Bedeutung, um einen räumlichen Index explizit für dreidimensionale Geometrien zu erzeugen.

5.1.3 Räumliche Anfragebearbeitungen Räumliche Anfragen werden in Oracle nach dem Prinzip der mehrstufigen Anfragebearbeitung durch den Einsatz von Filtern verarbeitet (siehe Abb. 5.4).

Abb. 5.4: Zweistufige Anfragebearbeitung in Oracle Spatial (vgl. [OSDG09]) Ziel einer solchen Anfragebearbeitung ist es, eine Untermenge des gesuchten Datensatzes bereits mithilfe des Primärfilters zu extrahieren. Dazu werden schnell ausführbare Algorithmen verwendet. Die exakte Ergebnismenge kann infolge aufwändigerer Berechnungen auf den reduzierten Datensatz mithilfe des Sekundärfilters zurückgegeben werden. [OSDG09]

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5.1.3.1 SDO_FILTER Der Operator ^ K &/d Z gibt alle Geometrien als Ergebnismenge zurück, die eine Überlappung mit ein oder mehrerer Anfragegeometrien aufweist. Der Operator

weist die folgende Form auf:

–  –  –

Der Parameter spezifiziert das geometrische Attribut in einer Tabelle.

Die vorliegende Geometrie vom Typ ^ K ' KD dZz muss räumlich indexiert sein.

Der Parameter beschreibt die Anfragegeometrie. Dabei kann die Geometrie aus einer anderen Tabelle stammen oder in einer Variablen gespeichert sein. Ein räumlicher Index muss nicht vorliegen. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass für die Filterung der Geometrien lediglich der Primärfilter genutzt wird. Da der Primärfilter lediglich die Objektapproximationen, also das eine Geometrie minimal umschließende Rechteck, nutzt, ist es möglich, dass Geometrien in die Resultatmenge gelangen, deren exakte Geometrie nicht innerhalb des Abfragefensters liegt. [Brink08, OSDG09]





5.1.3.2 SDO_RELATE

Im Gegensatz zu ^ K &/d Z nutzt der Operator ^ K Z d sowohl den Primärals auch den Sekundärfilter, sodass eine exakte topologische Schnittmenge als Resultat zurückgegeben werden kann [OSDG09]. Tabelle 5.5 beschreibt alle in Oracle Spatial enthaltenen topologischen Beziehungen, die auf Grundlage des 9Intersection-Modells nach ' E,K& Z definiert sind.

5 Oracle Spatial 3D und TimeDB 51 Tab. 5.5: Topologische Beziehungen in Oracle Spatial

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Die Form ist ähnlich zu dem im Abschnitt 5.1.3.1 vorgestellten Operator ^ K &/d Z. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass die topologischen Untersuchungen über das Schlüsselwort in den Parametereinstellungen eingeleitet werden. Im Release 1 von Oracle 11g können topologische Beziehungen bisher nur auf zweidimensional indexierte Geometrien angewendet werden. Für dreidimensionale Geometrien können aber topologische Schnittbeziehungen mithilfe des Operators ^ K Ez/Ed Z d geprüft werden.

5 Oracle Spatial 3D und TimeDB 52 5.1.3.3 SDO_WITHIN_DISTANCE Der räumliche Operator ^ K t/d,/E /^d E gibt als Resultatmenge alle Geometrien zurück, die innerhalb eines definierten Umkreises der Abfragegeometrie

liegen. Der Operator wird wie folgt dargestellt:

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Im Parameter wird das geometrische Attribut einer Tabelle beschrieben.

Im Parameter wird die Anfragegeometrie spezifiziert. Der Parameter enthält weitere Einstellungen zur Anfrage (z.B. die Distanz des Puffers um die Anfragegeometrie). [Brink08, OSDG09] 5.1.4 Import räumlicher Daten Bei Geodaten handelt es sich zumeist um sehr große Datenmengen. Die einfachste Möglichkeit Geometrien in die Datenbank zu überführen, ist die Nutzung der Standard SQL Syntax, auch als Transactional Insert bezeichnet. Diese Methode weist allerdings einige Nachteile auf. Zum einen ist die Formulierung einer entsprechenden SQL-Anweisung sehr aufwändig und die Gefahr einer fehlerbehafteten Syntax sehr hoch. Zum anderen hat das /E^ Zd-Statement von Oracle eine Beschränkung von 999 Argumenten [OSDG09], sodass sich diese Methode eher für kleinere Datensätze eignet.

Um ein räumliches Datenmodell effektiv mit großen Datenmengen zu füllen, wird daher die so genannte Bulk Loading6-Methode von Oracle zur Verfügung gestellt.

Zum Import wird das Werkzeug SQL*Loader benötigt, das den Import größerer Datenmengen aus ASCII-Dateien (z.B.: *.txt oder *.xyz) unterstützt. Die Spalten werden durch ein beliebiges Trennzeichen voneinander getrennt. Nachkommastellen Bulk Loading: „Massenladen“ 5 Oracle Spatial 3D und TimeDB 53 von Zahlenwerten werden, anders als in SQL Statements, durch ein Komma getrennt. SQL*Loader benötigt für den Import eine Kontrolldatei (*.ctl), in der Name und Ort der Importdatei, die Zieltabelle inklusive der Attribute in Oracle und das Trennzeichen zwischen den Spalten definiert ist.

5.1.4.1 Import von Punktdaten Im Nachfolgenden sollen exemplarisch einige Punktdatensätze mithilfe der Bulk Loading-Methode in Oracle importiert werden. Dazu muss zunächst die Ladekontrolldatei definiert werden.

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Die importierten Punkte entsprechen allen dargestellten Punkten des in Abbildung

5.1 dargestellten Quaders mit Bezug auf das WGS84-Referenzsystem (^Z/ :

4326).

Der SQL*Loader wird über das Programm ^Y Z im Kommandozeilenfenster des Betriebssystems gestartet.

VTOOGU XVHULG %HQXW]HUQDPH! 3DVVZRUW!#'LHQVWQDPH!

FRQWURO ( ?'DWHQ? GBSXQNWH FWO 5.1.4.2 Import von Flächen und Körpern Der Import von Flächen und Körpern soll wiederum anhand des Quaders aus Abbildung 5.1 erläutert werden. Anders als beim Import von Punkten müssen nun zusätzlich die Attribute ^ K D /E&K und ^ K KZ /E d ^ in der Kontrolldatei gesetzt werden.

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Die Datei enthält einfache dreidimensionale Polygone und einen Körper, der über die Diagonalen des Quaders bestimmt wurde.

5.2 TimeDB TimeDB unterstützt eine temporale Version von SQL, die als ATSQL2 bezeichnet wird. TimeDB ermöglicht durch die Übersetzung von temporalen SQL Statements in Standard SQL Statements die Erweiterung von nicht-temporalen relationalen DBMS um temporale Funktionalitäten. Das in Java geschriebene Programm hat den Vorteil, dass es lediglich als Frontend auf ein bereits bestehendes Datenbanksystem aufsetzt, sodass aufwendige Modifikationen der Datenbank entfallen.

5.2.1 Merkmale von TimeDB

TimeDB ist ein bitemporales DBMS, d.h. dass sowohl Gültigkeits- als auch Transaktionszeiten unterstützt werden. Es basiert auf der temporalen Sprache ATSQL2 als Weiterentwicklung von TSQL2 (vgl. Abschnitt 4.2.3: TSQL2 Datenmodell), die neben temporalen Abfragen auch Datenmanipulationen, Datendefinitionen sowie die Formulierung von temporalen Integritätsbedingungen zulässt. [Ste98] 5.2.2 Architektur des TimeDB DBMS

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Der stellt für diese Anfragen die benötigten Operationen zur Verfügung.

Bei syntaktisch korrekten Anfragen wird das Statement in einen algebraischen Ausdruck übersetzt und an den gesendet, der den Ausdruck auf dem kommerziellen relationalen DBMS ausführt. Die Anfrageergebnisse werden nachfolgend im angezeigt. [Ste98] 5.2.3 Temporale Ausdrücke und Vergleichsoperatoren In TimeDB werden sowohl absolute als auch relative temporale Primitive unterstützt (siehe Tabelle 5.6).

Tab. 5.6: Temporale Primitive in TimeDB und deren Bedeutung

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Darüber hinaus werden für die temporalen Primitive Arithmetische und Vergleichsoperatoren angeboten, die in Tabelle 5.7 zusammengefasst sind.

Tab. 5.7: Temporale Primitive und zulässige Operationen in TimeDB

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5.2.4 Kalender In TimeDB wird ein einfacher minimaler Kalender unterstützt. Der Kalender beginnt mit Jahr 1 und endet in der Zukunft mit dem Jahr 9999 ( Operator). Jeder Monat hat 30 Tage und jeder Tag 24 Stunden (von 0 bis 23). Die kleinste darstellbare Zeiteinheit ist die Sekunde.

6 Realisierung eines 4D-Datenmodells 58 6 Realisierung eines 4D-Datenmodells Die Modellierung der Phänomene der realen Welt ist eine der zentralsten und schwierigsten Aufgaben bei der Entwicklung eines GIS. Modelle werden benötigt, um natürliche oder künstliche Objekte durch eine Reduzierung der Komplexität und Abstrahierung der Ausgangsmenge zu repräsentieren. Dieses Kapitel baut auf den Erkenntnissen der vorangegangen Abschnitte auf. Zunächst werden zwei 3DModelle vorgestellt und die jeweiligen Vor- und Nachteile der Modelle herausgearbeitet. Anschließend wird das temporale Modell beschrieben und mit dem topologischen Modell verknüpft. Somit handelt es sich beim entwickelten 4D-Modell um ein temporales dreidimensionales topologisches Datenmodell, das auf Basis der beiden Datenbanktechnologien Oracle und TimeDB implementiert wurde.

6.1 Dreidimensionales geometrisches Datenmodell Abbildung 6.1 beschreibt das dreidimensionale geometrische Datenmodell in einem ER-Modell.

Abb. 6.1: Geometrisches 3D-Datenmodell in ER-Notation Das Modell besteht aus vier Relationen. Drei dieser Relationen dienen lediglich zur thematischen Beschreibung eines 3D-Geoobjekts. In der Tabelle „Object_Metadata“ werden Metadaten wie Art, Name oder eine Beschreibung des 3DObjekts verwaltet (siehe Tabelle 6.1). Optional kann ein MBR gespeichert werden, 6 Realisierung eines 4D-Datenmodells 59 um beispielsweise ein gesamtes Objekt für eine effiziente räumliche Suche abzufragen.

Tab. 6.1: Tabelle 'Object_Metadata' im geometrischen Modell

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In der Relation „Object_Part“ (siehe Tab. 6.2) werden unterschiedliche Objekteigenschaften verwaltet. Ein Objekt der Klasse Gebäude kann beispielsweise aus den Objektteilen Dach, Fassade oder Mauer bestehen. Eine Spezialisierung der in dieser Relation gespeicherten Eigenschaften bietet die Tabelle „Part_Part“ (siehe Tab. 6.3), in der die Attribute um spezielle Eigenschaften erweitert werden. Es ist zum Beispiel möglich, eine spezielle Dachform (Spitzdach etc.) zu spezifizieren. Die beiden Tabellen sind über einen Fremdschlüssel miteinander verknüpft.

Tab. 6.2: Tabelle 'Object_Part' im geometrischen Modell

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Der Kern dieses Datenmodells liegt in der Relation „Object_Geometry“ (siehe Tab.

6.4). In dieser Tabelle werden alle 3D-Geometrien der 3D-Objekte gespeichert und räumlich indexiert. Des Weiteren werden über die Fremdschlüssel und die Verbindungen zu den thematischen Eigenschaften der Objekte aufgebaut.

Tab. 6.4: Tabelle ‚Object_Geometry’ im geometrischen Modell

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Ferner ist es möglich, weitere geometrische Datenmodelle speziell für unregelmäßige Oberflächen (TIN) und 3D-Punktwolken in Oracle 11g zu implementieren.

Mögliche Datenmodelle werden in [Brink08, S. 427-434] beschrieben.



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