Availability: Geodatenbanksysteme in Theorie und Praxis

Geodatenbanksysteme in Theorie und Praxis: Einführung in objektrelationale Geodatenbanken unter besonderer Berücksichtigung von Oracle Spatial

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Main Author:	Brinkhoff, Thomas 1964- (Author)
Format:	Book
Language:	German
Published:	Heidelberg [u.a.] Wichmann 2008
Edition:	2., überarb. und erw. Aufl.
Subjects:	ORACLE > Datenbanksystem Objektrelationales Datenbanksystem Räumliches Datenbanksystem
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adam_text	Inhaltsverzeichnis Vorwort...................................................................................................................... V 1 Einleitung................................................................................................................... 1 1.1 Geoinformationssysteme..................................................................................... 2 1.1.1 Anwendungen......................................................................................... 3 1.1.2 Aufbau von Geoinformationssystemen.................................................. 4 1.1.3 Entwicklung zu offenen Geoinformationssystemen............................... 4 1.2 Datenbanksysteme.............................................................................................. 6 1.2.1 Aufbau von Datenbanksystemen............................................................ 6 1.2.2 Datenbanksysteme versus Dateien......................................................... 6 1.3 Relationale Datenbanksysteme........................................................................... 9 1.3.1 Tabellen.................................................................................................. 9 1.3.2 Beziehungen........................................................................................... 12 1.3.3 Anfragen................................................................................................. 14 1.4 Objektrelationale Datenbanksysteme.................................................................. 18 1.4.1 Objekte................................................................................................... 19 1.4.2 Vererbung und Polymorphic .................................................................. 20 1.4.3 Objekte in objektrelationalen Datenbanken........................................... 23 1.5 Geodatenbanksysteme......................................................................................... 24 1.5.1 Anforderungen an Geodatenbanksysteme.............................................. 25 1.5.2 Speicherung von Geodäten in relationalen Datenbanken....................... 25 1.5.3 Objektrelationale Geodatenbanksysteme............................................... 29 2 Oracle......................................................................................................................... 33 2.1 Struktur von Oracle............................................................................................. 33 2.1.1 Datenbank-Server................................................................................... 33 2.1.2 Physische Datenbankstruktur................................................................. 34 2.1.3 Logische Datenbankstruktur................................................................... 35 2.1.4 Verbindung zwischen Clients und Datenbank-Server............................ 36 2.2 Besonderheiten von Oracle SQL........................................................................ 36 2.2.1 RowID.................................................................................................... 37 2.2.2 Large Objects (LOBs) ............................................................................ 38 2.2.3 Sequenzgeneratoren................................................................................ 39 2.3 Programmierung und Datenimport..................................................................... 40 2.3.1 PL/SQL................................................................................................... 40 2.3.2 Trigger.................................................................................................... 43 2.3.3 Programmierung externer Routinen mit Java......................................... 44 2.3.4 SQLLoader........................................................................................... 45 2.4 Objektrelationale Erweiterungen in Oracle........................................................ 48 2.4.1 Felder...................................................................................................... 48 2.4.2 Klassen................................................................................................... 50 2.4.3 Vererbung und Polymorphic .................................................................. 56 VIII Inhaltsverzeichnis 3 Modellierung von Geodäten..................................................................................... 59 3.1 Eigenschaften von Geodäten............................................................................... 60 3.1.1 Thematische Eigenschaften.................................................................... 60 3.1.2 Geometrische Eigenschaften.................................................................. 62 3.1.3 Topologische Eigenschaften................................................................... 63 3.1.4 Metainformationen................................................................................. 64 3.2 Standardisierang von Geodäten.......................................................................... 64 3.3 Feature-Geometry-Modell.................................................................................. 65 3.3.1 Teilpakete............................................................................................... 66 3.3.2 Paket „Geometry root ........................................................................... 67 3.3.3 Geometrische Primitive.......................................................................... 67 3.3.4 Koordinatenbehaftete Geometrien......................................................... 69 3.3.5 Geometrieaggregate................................................................................ 71 3.3.6 Komplexe Geometrien........................................................................... 72 3.4 Simple-Feature-Modell....................................................................................... 73 3.4.1 Geometrieschema................................................................................... 73 3.4.2 Repräsentationsformen........................................................................... 78 3.4.3 Basismethoden........................................................................................ 79 3.4.4 Topologische Prädikate.......................................................................... 80 3.4.5 Geometrische Funktionen....................................................................... 84 3.4.6 Informationsschema............................................................................... 86 3.5 SQL/MM Spatial ................................................................................................. 87 3.5.1 Geometrieschema................................................................................... 88 3.5.2 Repräsentationsformen........................................................................... 91 3.5.3 Informationsschema............................................................................... 92 3.6 Räumliche Bezugssysteme.................................................................................. 92 3.6.1 Kategorien von Koordinatensystemen................................................... 92 3.6.2 Beschreibung von räumlichen Bezugssystemen.................................... 94 3.7 Lineare Bezugssysteme....................................................................................... 96 4 Datenbankschema von Oracle Spatial .................................................................... 99 4.1 Geometrieschema................................................................................................ 99 4.1.1 Klasse SDOGEOMETR Y ............................... .. ... . . . .. . ... .................. 99 4.1.2 Klasse STGEOMETRY....................................................................... 107 4.1.3 Informationsschema............................................................................... 109 4.2 Operationen......................................................................................................... Ц2 4.2.1 Basismethoden und -funktionen ............................................................. 113 4.2.2 Geometrische Funktionen....................................................................... 118 4.2.3 Geometrische Aggregatfunktionen......................................................... 131 4.3 Räumliche Bezugssysteme............................................................................. 134 4.3.1 Informationsschema............................................................................... 134 4.3.2 Verwendung von räumlichen Bezugssystemen...................................... 136 4.3.3 Koordinatentransformationen................................................................. 140 4.4 Lineare Bezugssysteme....................................................................................... 141 4.4.1 Repräsentation...................................................................................... 141 4.4.2 Anfragen................................................. 143 Inhaltsverzeichnis IX 4.5 Import von Geodäten.......................................................................................... 146 4.5.1 Import von Punktdaten........................................................................... 147 4.5.2 Import von Flächen................................................................................ 149 5 Anfragebearbeitung und Approximationen........................................................... 151 5.1 Räumliche Basisanfragen.................................................................................... 151 5.2 Mehrstufige Anfragebearbeitung........................................................................ 153 5.2.1 Charakteristika von Geodäten................................................................ 153 5.2.2 Prinzip der mehrstufigen Anfragebearbeitung....................................... 153 5.3 Filterung über Approximationen......................................................................... 154 5.3.1 Konservative und progressive Approximationen................................... 155 5.3.2 Einelementige Approximationen............................................................ 156 5.3.3 Mehrelementige Approximationen......................................................... 158 5.4 Approximationen in Oracle Spatial .................................................................... 159 5.4.1 Fixed Indexing ........................................................................................ 159 5.4.2 Hybrid Indexing ..................................................................................... 160 6 Indexierung von Geodäten....................................................................................... 161 6.1 Indexierung in Datenbanksystemen.................................................................... 161 6.1.1 B- und B+- Bäume.................................................................................. 163 6.1.2 Hash- Verfahren...................................................................................... 168 6.2 Indexierung von Geodäten.................................................................................. 172 6.2.1 Clipping .................................................................................................. 174 6.2.2 Transformation in den höherdimensionalen Raum................................ 175 6.2.3 Einbettung in den eindimensionalen Raum............................................ 177 6.2.4 Überlappende Blockregionen................................................................. 179 6.2.5 Mehrschichtentechnik............................................................................ 180 6.2.6 Fazit........................................................................................................ 180 6.3 Quadtrees ............................................................................................................ 181 6.3.1 PR-Quadtrees.......................................................................................... 181 6.3.2 Lineare Quadtrees ................................................................................... 182 6.3.3 Verwendung in Oracle Spatial ............................................................... 187 6.4 Gridfiles.............................................................................................................. 192 6.4.1 Struktur und Suchanfragen..................................................................... 192 6.4.2 Dynamisches Verhalten.......................................................................... 192 6.4.3 Speicherung von Rechtecken................................................................. 196 6.4.4 Organisation des Grid Directorys ........................................................... 198 6.5 R-Bäume............................................................................................................. 201 6.5.1 R-Baum.................................................................................................. 201 6.5.2 R-Baum................................................................................................ 206 6.5.3 Weitere Varianten................................................................................... 210 6.5.4 Verwendung in Oracle Spatial ............................................................... 212 6.6 Filterung in Oracle Spatial .................................................................................. 214 6.6.1 SDO_FILTER........................................................................................ 214 6.6.2 SDO WITHIN DISTANCE.................................................................. 217 X Inhaltsverzeichnis 7 Geometrische Algorithmen...................................................................................... 219 7.1 Algorithmische Geometrie.................................................................................. 219 7.1.1 Algorithmische Entwurfsmethoden........................................................ 220 7.1.2 Behandlung numerischer Probleme........................................................ 223 7.2 Konvexe Hülle.................................................................................................... 228 7.2.1 Berechnung der konvexen Hülle............................................................ 228 7.2.2 Minimal umgebende konvexe Polygone................................................ 234 7.3 Inklusionsprobleme............................................................................................. 234 7.3.1 Punkt-in-Polygon-Test........................................................................... 234 7.3.2 Polygon-in-Polygon-Test....................................................................... 236 7.4 Schnittprobleme.................................................................................................. 237 7.4.1 Schnitt von Rechtecken.......................................................................... 237 7.4.2 Schnitt von Strecken............................................................................... 242 7.4.3 Schnitt von Polygonen............................................................................ 247 7.5 Objektzerlegung.................................................................................................. 253 7.5.1 Trapezzerlegung..................................................................................... 253 7.5.2 Triangulation.......................................................................................... 254 7.5.3 Verwaltung der Zerlegungskomponenten.............................................. 257 7.6 Verfeinerungsschritt in Oracle Spatial ................................................................ 258 7.6.1 SDO_RELATE....................................................................................... 258 7.6.2 SDO_WiTHINJDISTANCE.................................................................. 260 8 Verarbeitung komplexer Basisanfragen................................................................. 261 8.1 Räumlicher Verbund........................................................................................... 261 8.1.1 Räumlicher Verbund ohne Index........................................................... 262 8.1.2 Räumlicher Verbund zwischen R-Bäumen............................................ 263 8.1.3 Räumlicher Verbund mittels z-Ordnung................................................ 267 8.1.4 Anwendung in Oracle Spatial ................................................................. 269 8.2 Nächste-Nachbarn-Anfrage................................................................................ 272 8.2.1 Algorithmus von Hjaltason und Samet .................................................. 273 8.2.2 Anwendung in Oracle Spatial................................................................. 275 9 Anwendungsprogrammierung................................................................................. 279 9.1 Zugriff auf Datenbanken..................................................................................... 279 9.1.1 Datenbankzugriffsschnittstellen............................................................. 279 9.1.2 Datenbankkopplung an eine Programmiersprache................................. 280 9.1.3 Zugriff auf die Daten.............................................................................. 280 9.2 Java und JDBC.................................................................................................... 282 9.2.1 JDBC-Treiber......................................................................................... 283 9.2.2 JDBC-API.............................................................................................. 285 9.3 Zugriff auf Geodäten........................................................................................... 292 9.3.1 Zugriff auf SQL-Objekte........................................................................ 292 9.3.2 Bibliothek oracle.spatial......................................................................... 294 9.3.3 Zugriff über GeoTools............................................................................ 301 Inhaltsverzeichnis XI 10 Repräsentation von Geodäten mit XML................................................................ 303 10.1 Bestandteile von XML........................................................................................ 303 10.1.1 Extensible Markup Language (XML).................................................... 303 10.1.2 Document Type Definition..................................................................... 308 10.1.3 XML Schema......................................................................................... 309 10.1.4 XSL-Transformation (XSLT) ................................................................. 312 10.1.5 Verarbeitung von XML-Dokumenten.................................................... 314 10.2 Geography Markup Language (GML) ................................................................ 315 10.2.1 Geometry Schema.................................................................................. 315 10.2.2 Feature Schema...................................................................................... 321 10.2.3 Nutzung.................................................................................................. 322 10.3 Datenbanken und XML....................................................................................... 325 10.3.1 Grundsätzliche Verfahren....................................................................... 325 10.3.2 XPath...................................................................................................... 326 10.3.3 XQuery................................................................................................... 329 10.3.4 Oracle..................................................................................................... 330 10.4 GML in Oracle.................................................................................................... 341 10.4.1 Erzeugung von GML.............................................................................. 342 10.4.2 GML-Konstruktoren............................................................................... 343 10.4.3 Bearbeitung räumlicher Anfragen auf GML-Dokumenten.................... 343 11 Topologie .................................................................................................................... 349 11.1 Grundbegriffe...................................................................................................... 349 11.1.1 Netzwerke und Graphen......................................................................... 350 11.1.2 Mosaike und Gebietsaufteilungen.......................................................... 351 11.2 Topologische Datenmodelle............................................................................... 352 11.2.1 Feature-Geometry-Modell...................................................................... 352 11.2.2 SQL/MM Spatial .................................................................................... 355 11.2.3 TIGER/Line-Datenmodell...................................................................... 356 11.3 Netzwerkdatenbanken......................................................................................... 358 11.3.1 Analyseoperationen................................................................................ 358 11.3.2 Physische Organisation.......................................................................... 365 11.4 Oracle Spatial ...................................................................................................... 367 11.4.1 Netzwerk-Datenbankschema.................................................................. 367 11.4.2 Allgemeines Topologie-Datenbankschema............................................ 375 12 Rasterdaten................................................................................................................ 397 12.1 Konzepte............................................................................................................. 397 12.2 Speicherung von Rasterdaten durch BLOBs...................................................... 399 12.2.1 Abspeichern von Rasterdaten................................................................. 399 12.2.2 Georeferenzierang.................................................................................. 401 12.2.3 Lesen von Rasterdaten............................................................................ 402 12.3 Oracle Spatial GeoRaster .................................................................................... 403 12.3.1 Datenmodell........................................................................................... 403 12.3.2 Einsatz.................................................................................................... 405 XII Inhaltsverzeichnis 13 SD-Geodatenbanken................................................................................................. 417 13.1 Datenmodelle...................................................................................................... 418 13.1.1 Feature-Geometry-Modell...................................................................... 419 13.1.2 Simple-Feature-Modell und SQL/MM Spatial ....................................... 420 13.2 Anfragebearbeitung............................................................................................. 420 13.2.1 Räumliche Basisanfragen und Indexstrukturen...................................... 420 13.2.2 Algorithmische Geometrie..................................................................... 421 13.3 3D in Oracle Spatial ............................................................................................ 421 13.3.1 Datenrepräsentation und Anfragen......................................................... 421 13.3.2 Punktwolken........................................................................................... 427 13.3.3 Dreiecksvermaschungen......................................................................... 431 14 Aktuelle Trends......................................................................................................... 435 14.1 Spatio-temporale Datenbanken........................................................................... 435 14.1.1 Datenbankschema................................................................................... 435 14.1.2 Basisanfragen......................................................................................... 438 14.1.3 Indexe..................................................................................................... 439 14.1.4 TPR-Baum.............................................................................................. 440 14.2 Spatial Data Mining............................................................................................ 442 14.2.1 Data Mining............................................................................................ 442 14.2.2 Spatial Data Mining................................................................................ 443 14.2.3 Oracle Spatial ......................................................................................... 444 14.3 Mobile Geodatenbanken..................................................................................... 447 14.4 Sensornetzwerke und Datenströme..................................................................... 448 Literaturverzeichnis................................................................................................. 451 Abkürzungsverzeichnis............................................................................................ 459 Übersetzung englischer Begriffe.............................................................................. 465 SQL-Index................................................................................................................. 469 Java-Index................................................................................................................. 475 Stichwortverzeichnis................................................................................................ 477 Prof. Dr. Thomas Brinkhoff stu¬ dierte Informatik an der Universi¬ tät Bremen. Nach dem Studium war er wissenschaftlicher Mitar¬ beiter am Institut für Informatik der Ludwig-Maximilians-Universi- tät München. Er promovierte dort 1994 mit einer Arbeit auf dem Ge¬ biet der räumlichen Anfragebear¬ beitung. Im Anschluss war er Pro¬ jektleiter für GIS-basierte Ver- kehrstelematiksysteme bei der Mannesmann Autocom GmbH in Düsseldorf. Seit 1999 ist er Profes¬ sorfür Geoinformatik an der FH Ol- denburg/Ostfriesland/Wiihelms- haven. Seine Forschungsschwer¬ punkte liegen in der Anfragebear¬ beitung in Geodatenbanken und der Entwicklung ortsbezogener Dienste und mobiler Geoinforma- tionssysteme. Er ist Autor von rund 50 Veröffentlichungen und Gutachter für zahlreiche wissen¬ schaftliche Konferenzen und Zeit¬ schriften. Geodatenbanken sind essenzieller Bestandteil von Geoinfor- mationssystemen und anderen Anwendungen, die räumliche Daten verarbeiten. Sie dienen der Modellierung, Speicherung und Anfrage von Geodäten. Im Rahmen des Übergangs zu of¬ fenen Geoinformationssystemen werden dateibezogene und proprietäre Datenverwaltungskomponenten durch standar¬ disierte objektrelationale Geodatenbanksysteme ersetzt. Da¬ mit wird eine integrierte Datenhaltung von Sach- und Geodä¬ ten möglich und ein Datenaustausch zwischen verschiede¬ nen Anwendungsprogrammen vereinfacht. Inzwischen er¬ lauben objektrelationale Geodatenbanksysteme nicht nur die Speicherung von einfachen ZD-Vektordaten, sondern auch von dreidimensionalen Geometrien, von georeferenzierten Rasterkarten, von XML-basierten Geodäten und von topolo- gischen Datenmodellen. Dabei stellen solche Geodatenbank¬ systeme auch geometrische und topologische Verschnei- dungs- und Analysefunktionalitäten zur Verfügung, die bis¬ lang nur Geoinformationssysteme aufwiesen. Dieses Lehrbuch bringt allen, die sich mit Geodäten beschäf¬ tigen, die Grundkenntnisse für einen kompetenten Umgang mit Geodatenbanksystemen näher. Dabei wird neben theore¬ tischen Grundlagen auch die Praxis unter besonderer Berück¬ sichtigung von Oracle Spatial 11g vermittelt. Nach einer Ein¬ führung in die Grundprinzipien objektrelationaler (Geo-)Da- tenbanken werden ISO 19107 Spatial Schema, das Simple- Feature-Modell (ISO 19125) und SQL/MM Spatial als Geoda- tenmodelle und deren konkrete Umsetzung vorgestellt. Im Weiteren behandelt das Buch Theorie und Praxis der räumli¬ chen Anfragebearbeitung und Indexierung sowie Verfahren der Algorithmischen Geometrie. Darauf basierend werden die (Geo-)Datenbankprogrammierung mit Java und die Geo¬ graphy Markup Language sowie Raster-, Netzwerk-, Topolo¬ gie- und BD-Geodatenbanken konzeptionell und praktisch dargestellt. Zum Schluss zeigt das Buch Themen wie mobile Geodatenbanken, spatio-temporale Datenbanken und Sensornetzwerke als aktuelle Entwicklungstrends auf. Angereichert wird der Text durch viele konkrete SQL- und Java-Beispiele, die auch auf der Website zum Buch - http://www.geodbs.de - als Download bereitstehen. Das Buch richtet sich an Praktiker, Studierende und Lehrende der Fachrichtungen Geoinformatik, Informatik, Geodäsie, Geographie und Geowissenschaften. Es eignet sich gleicher¬ maßen für die Ausbildung wie auch zum Selbststudium.
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