Поддержка стандарта OpenGIS в СУБД ЛИНТЕР

Поддержка пространственных типов данных
в реляционной СУБД
Представление пространственных данных в типах языка SQL.
Выбор формата хранения данных в БД
Методы доступа к пространственным данным, хранящимся в БД.
Индексирование пространственных данных и использование индексов для поиска по ним.
Единообразие обработки пространственных и любых других типов данных: транзакционная работа, дискреционный и мандатный доступ, стандартные средства сохранения и восстановления данных

Поддержка пространственных типов данных
в реляционной СУБД
Поддержка множества специальных операций над пространственными данными: преобразования между различными форматами представления данных – текстовыми и бинарными; вычисление характеристик объектов — длины, площади и т.п; вычисление расстояний между объектами; определение взаимного расположения объектов
Работа утилит СУБД с пространственными типами данных в смысле их визуального отображения
Поддержка взаимодействия СУБД с существующими ГИС-приложениями.

Существующие стандарты поддержки ГИС в СУБД
Организация: Open Geospatial Consortium - международный некоммерческий консорциум разработчиков открытых ГИС-технологий
Стандарт: OpenGIS Implementation Specification for Geographic information - Simple feature access - Part 2: SQL option. Последняя версия этого стандарта (1.2.0) вышла в 2006 году
Организация: ISO – международная организация по стандартизации.
Стандарт: ISO/IEC CD 13249-3:2006 Database languages – SQL. Multimedia and Application Packages — Part 3: Spatial. Последняя версия также вышла в 2006 году

Модель данных стандатов OpenGIS/ISO
Каждый геометрический объект связан с некоторой системой координат (Spatial Reference System), которая описывает координатное пространство, в котором определен объект
В основе классификации геометрических объектов стандарты OpenGIS и ISO лежит размерность этих объектов
Возможно представление 2,5D-объектов с ограниченной функциональностью третьей координаты (высоты)
Все геометрические объекты являются топологически замкнутыми
Каждый объект задается множеством базовых точек
Базовые точки могут соединяться отрезками прямых либо дугами окружностей

Общая организация подсистемы обработки геоданных
в СУБД Линтер
Библиотека манипулирования геоданными LINGEO
поддержка компилятором языка SQL
поддержка ядром СУБД ЛИНТЕР
дополнения в системный словарь СУБД ЛИНТЕР

Библиотека манипулирования геоданными LINGEO
модуль преобразования из текстового представления геоданных (WKT)
в двоичное (WKB);
модуль преобразование из двоичного представления геоданных (WKB)
в текстовое (WKT);
модуль базовых процедур работы с внутренним представлением объектов геоданных (которое основано на WKB);
модуль проверок допустимости представлений объектов геоданных;
модуль работы с минимальными ограничивающими прямоугольниками;
модуль вычисления расстояний, длин, площадей и прочих функций, зависящих от системы координат;

Библиотека манипулирования геоданными LINGEO
модуль процедур проверки равенства двух объектов геоданных;
модуль вычисления отдельных функций от объектов геоданных;
модуль процедур вычисления пересечений полигонов с полигонами или ломаными;
модуль процедур определения взаимного расположения объектов геоданных;
модуль процедур вычисления множественных операций над объектами геоданных (UNION, INTERSECTION, DIFFERENCE, SYMDIFFERENCE)

Поддержка подсистемы геоданных компилятором языка SQL
средства распознавания лексем, специфичных для подсистемы обработки геоданных, в модуле лексического разбора
средства проверки правильности синтаксических конструкций, использующие пространственные данные, и разбора их параметров в модуле синтаксического разбора
средства формирования внутреннего представления запросов, содержащих конструкции, использующие пространственные данные

Поддержка подсистемы геоданных ядром СУБД Линтер
в общий механизм сравнения значений включены геометрические типы данных; сравнение значений для них производится путем вызовов соответствующих функций библиотеки LINGEO;
в общий механизм вычисления выражений включено вычисление функций, имеющих аргументы или возвращающих значения геометрических типов. Вычисление производится путем вызовов соответствующих функций библиотеки LINGEO;
распознавание предикатов, содержащих данные геометрических типов, выбор и выполнение для этих предикатов соответствующих стратегий обработки

Дополнения в системный словарь СУБД ЛИНТЕР
Таблица GEOMETRY_COLUMNS, требуемая стандартом OpenGIS, реализована в СУБД ЛИНТЕР как VIEW над системными таблицами и создается при создании системного словаря базы путем выполнения специального SQL-скрипта
VIEW GEOMETRY_COLUMNS в СУБД ЛИНТЕР является чисто информационным и для функционирования подсистемы геоданных его существование не критично.

Хранение пространственных данных в СУБД ЛИНТЕР
Поддержка типов данных модели OpenGIS: Point, LineString, Polygon, MultiPoint, MultiLineString, MultiPolygon, GeometryСollection
Для совместимости c другими СУБД добавлены типы данных Box, Line и Circle
С точки зрения хранения реализованы как разновидности типа данных VARBYTE (при максимальной длине значения до 4000 байт — по умолчанию) или BLOB (при максимальной длине значения более 4000 байт)‏
В качеcтве внутреннего формата хранения используется модифицированный формат WKB – WKB, следом за которым (в конце) дописан SRID

Создание столбцов геометрических типов в БД
Столбцы геометрического типа создаются в СУБД ЛИНТЕР стандартным способом:
либо при создании таблицы (CREATE TABLE), например:
CREATE TABLE geo_test (p POINT);
либо при добавлении новых столбцов в существующую таблицу (ALTER TABLE ADD COLUMN), например:
ALTER TABLE geo_test ADD COLUMN ls LINESTRING;
Никакой специальной регистрации столбца геометрического типа в БД процедурами типа AddGeometryColumn не требуется.

Особенности реализации стандартных функций над пространственными данными
Функция Centroid – возвращает координаты "центра масс" многоугольника при условии, что вся его "масса" равномерно распределена между вершинами внешней границы многоугольника
Функция PointOnSurface — возвращает первую точку внешней границы аргумента
Пересечение значения типа Circle и значения, вклющего Polygon - окружность аппроксимируется вписанным правильным многоугольником с 32 вершинами

Индексация пространственных данных
Индексирование геометрических данных (как и других типов данных ) в настоящее время выполняется с помощью B-дерева
Синтаксис команды создания индекса тот же, что и для любых других типов данных:
CREATE OR REPLACE TABLE point_test( p0 POINT );
CREATE INDEX p0 ON point_test;
Индекс по геометрическим типам данных может быть и составным:
CREATE OR REPLACE TABLE lspoint_test( p POINT, ls LINESTRING );
CREATE INDEX test ON lspoint_test(p,ls);

Индексация пространственных данных
Каждому значению ставится в соответствие его MBR — минимальный ограничивающий прямоугольник
Для поиска по геометрическим типам данных используется предикат BETWEEN
Нижняя и верхняя граница предиката BETWEEN для геометрических данных задают левый нижний и правый верхний угол прямоугольника, при полном или частичном попадании в который значение предиката BETWEEN считается истинным (TRUE)‏
Для обработки пространственных предикатов других типов (например, проверки расстояние между объектом и фиксированной точкой или двумя объектами) индексы в настоящее время не используются. Стратегия вычисления таких предикаты организована таким образом, чтобы перенести проверку их истинности на самый поздний этап, когда вычислены все остальные предикаты

Проблемы совместимости и производительности
Поскольку подсистема работы с пространственными данными определяет большое количество дополнительных ключевых слов (в основном, названий функций над данными геометрических типов), которые могут совпасть с именами таблиц и столбцов, уже существующих в базах данных, в СУБД ЛИНТЕР предусмотрен режим совместимости с предыдущими версиями. Для включения этого режима ядро СУБД должно быть запущено с ключом "/COMPATIBILITY=GEOPREFIX. При работе в таком режиме для использования имен геометрических функций к ним необходимо добавлять префикс "LIN_".
Ввод пространственных данных сложной структуры (т.е. преобразование их из текстового представления в двоичное) предполагает значительное количество проверок правильности вводимой информации. Если данные берутся из надежного источника (т.е. уже были ранее проверены), то такие проверки можно отключить с помощью выбора специального режима работы:
либо для отдельного соединения:
SET CONNECTION GEODATA VALIDITY CHECKING OFF;
либо для ядра СУБД в целом:
SET DATABASE GEODATA VALIDITY CHECKING OFF;

Сравнение значений геометрических типов
Сравнение значений геометрических типов данных сводится в конечном счете к сравнению вещественных чисел (тип DOUBLE), а эти числа можно сравнивать лишь с определенной точностью
В настоящее время в СУБД Линтер эта точность жестко задана и равна +1e-10. То есть числа, отличающиеся на меньшую величину, считаются равными
В дальнейшем планируется реализовать возможность задания этой величины пользователем.

Тестирование работы подсистемы геоданных
c помощью тестов OpenGIS
поддерживается только одна система координат — декартова прямоугольная; ведутся работы по поддержке других систем координат
не поддерживается обобщенная операция Relate, хотя специфические операции проверки взаимного расположения объектов (Equals, Disjoint, Touches, Within, Overlaps, Crosses, Intersects, Contains) поддерживаются для всех типов пространственных данных.
Для проверки функционирования подсистемы геоданных СУБД ЛИНТЕР используется набор тестов, созданный на основе приложения C3 к стандарту OpenGIS Simple Features for SQL («Conformance Tests»). В настоящее время СУБД ЛИНТЕР корректно выполняет все тесты этого набора, за следующими исключениями:

Тестирование работы подсистемы геоданных c помощью собственных наборов тестов
Тесты преобразования всех типов геометрических объектов в текстовый формат (WKT) и внутренний формат (WKB) из текстового
Тесты вычисления характеристик геометрических объектов различных типов
Тесты вычисления расстояний между различными типами геометрических объектов для всех возможных вариантов их взаимного расположения;
Тесты объединения, пересечения, разности и симметрической разности фигур сложной формы (многоугольники, содержащие исключенные области, в том числе множественные, вложенные друг в друга, имеющие форму «решётки», «расчёски» и т.д.)‏