基于擴(kuò)展XQuery引擎的空間數(shù)據(jù)流查詢方法研究

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　　摘要：針對(duì)目前XML數(shù)據(jù)流處理中通常采用的查詢語言XPath和XQuery均不支持空間運(yùn)算，無法應(yīng)用到空間數(shù)據(jù)流處理技術(shù)中的問題，設(shè)計(jì)了一種通過擴(kuò)展現(xiàn)有商業(yè)化XQuery引擎功能基礎(chǔ)上的空間數(shù)據(jù)流檢索方法。

　　關(guān)鍵詞：可擴(kuò)展標(biāo)記語言數(shù)據(jù)流; XQuery;空間數(shù)據(jù)

　　隨著Web應(yīng)用中數(shù)據(jù)交換越來越頻繁，產(chǎn)生了大量不間斷的數(shù)據(jù)流。由于XML已經(jīng)成為Internet環(huán)境中數(shù)據(jù)表示和交換的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)流大量以XML格式表現(xiàn)。如何從不間斷的XML數(shù)據(jù)流中匹配、抽取和轉(zhuǎn)換部分?jǐn)?shù)據(jù)流以滿足商務(wù)應(yīng)用的需求成為當(dāng)前國際數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前針對(duì)XML數(shù)據(jù)流的處理研究有很多，但研究的對(duì)象均是普遍意義上的XML數(shù)據(jù)流，對(duì)于以XML格式表現(xiàn)的空間信息及查詢中需要空間關(guān)系運(yùn)算的數(shù)據(jù)流處理研究較少。研究如何在目前的XML數(shù)據(jù)流處理中支持空間運(yùn)算有著重要意義。

　　1、存在的問題

　　在目前針對(duì)XML數(shù)據(jù)流的研究中，其基本思想都是將用XPath表示的查詢表達(dá)式轉(zhuǎn)換為狀態(tài)樹型自動(dòng)機(jī)，處理程序以流的方式接收并處理XML 文檔，看其滿足哪一個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的要求以觸發(fā)查詢匹配操作。如果滿足所有狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的要求，則向用戶返回相關(guān)的文檔或結(jié)果[1]。由于XPath表達(dá)復(fù)雜查詢的局限性，W3C制定了專門針對(duì)XML的查詢語言規(guī)范XQuery。XQuery 語言的核心是XPath 和FLWOR(for、let、where、order by和return) 表達(dá)式，復(fù)雜的XQuery查詢語句很難用合適的狀態(tài)機(jī)來表達(dá)。將XQuery直接改造成XML數(shù)據(jù)流的查詢語言也引出了大量研究[2~5]。目前標(biāo)準(zhǔn)的XPath和XQuery規(guī)范均不支持空間數(shù)據(jù)類型及空間運(yùn)算，且空間分析功能算法復(fù)雜。通過這些規(guī)范自身的數(shù)據(jù)類型定義和基本函數(shù)庫來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間數(shù)據(jù)類型以及空間分析功能的擴(kuò)展很困難，使得這些研究很難應(yīng)用到包含空間運(yùn)算的數(shù)據(jù)流查詢中。要在XML數(shù)據(jù)流查詢中支持空間運(yùn)算，需要先擴(kuò)展XQuery規(guī)范以支持空間數(shù)據(jù)操作函數(shù)。自定義實(shí)現(xiàn)支持空間運(yùn)算的XQuery引擎是理想的方法。文獻(xiàn)[6，7]中已提出了直接擴(kuò)展XQuery以支持空間功能的方法。但自定義實(shí)現(xiàn)XQuery引擎需要完整的詞法分析、語法分析、查詢規(guī)范化以及翻譯執(zhí)行等，使得這些方法均停留在理論階段，很難實(shí)際應(yīng)用。

　　針對(duì)這些問題，本文設(shè)計(jì)了一種在商業(yè)化引擎基礎(chǔ)上擴(kuò)展XQuery空間功能的方法，然后以事件流處理方式接收XML文檔以實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)流查詢的方法。

　　2、XQuery引擎空間功能的擴(kuò)展

　　擴(kuò)展XQuery引擎以支持空間運(yùn)算，除了自定義實(shí)現(xiàn)支持空間運(yùn)算的XQuery引擎方法外，還可以利用現(xiàn)有的XQuery引擎進(jìn)行擴(kuò)展。目前的商業(yè)化XQuery引擎均提供使用外部函數(shù)的功能擴(kuò)展方法，如目前知名的商業(yè)化XQuery引擎Saxon提供的功能擴(kuò)展機(jī)制可以允許在XQuery查詢語句中調(diào)用Java或?.NET方法作為外部函數(shù)。其使用方法簡(jiǎn)單，只需要在XQuery查詢語句中聲明外部函數(shù)所在的名稱空間就可以調(diào)用外部方法。這為XQuery引擎實(shí)現(xiàn)包括空間分析的查詢提供了便捷的途徑。

　　2.1空間數(shù)據(jù)類型的表達(dá)方法

　　采取調(diào)用外部方法來擴(kuò)展XQuery引擎的功能，不可避免地會(huì)產(chǎn)生空間數(shù)據(jù)作為參數(shù)傳遞的問題。以采用Java語言實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展方法為例。雖然容易用Java對(duì)象表達(dá)各種空間數(shù)據(jù)類型，但由于XQuery引擎規(guī)范本身不支持直接以Java對(duì)象表達(dá)的空間數(shù)據(jù)類型，為了使XQuery語句中支持空間數(shù)據(jù)類型并能夠使空間數(shù)據(jù)在Java類和XQuery引擎中傳遞，需要找到一種合適的空間數(shù)據(jù)表達(dá)方法。

　　GML是一個(gè)用XML schema描述的XML語法，用來進(jìn)行空間和非空間的地理信息建模、傳輸和存儲(chǔ)。GML已成為Web應(yīng)用中所接受并容易理解的一種空間信息的交換格式。由于GML文檔本身也是一個(gè)XML文檔，可以用DOM對(duì)象document來表達(dá)，在Saxon的XQuery實(shí)現(xiàn)中能夠支持DOM對(duì)象的傳遞，采用GML表達(dá)空間數(shù)據(jù)以支持空間數(shù)據(jù)在XQuery引擎與外部Java類之間的傳遞成為自然的選擇。將GML在XQuery引擎與外部方法之間進(jìn)行傳遞，需要引入GML的schema描述。在GML規(guī)范中，feature.xsd定義了抽象地理特征模型，geometry.xsd定義了具體的幾何形狀信息，提供了點(diǎn)(point)、線(line)、多邊形(polygon)、點(diǎn)集(multipoint)、線集(multiline)和多邊形集(multipolygon)等基本幾何圖形以及復(fù)合類型(complex type)的幾何圖形。在本方法中只用到了空間數(shù)據(jù)類型的幾何定義，所以引入geometry.xsd即可。在XQuery語句中定義如下：

　　import schema namespace GML="http://schemas.opengis.net/gml/"

　　at" geometry.xsd";

　　引入GML的schema后，可以將GML進(jìn)行描述的空間變量定義為schema限制的element變量作為參數(shù)進(jìn)行傳遞，定義如下：

　　Let?$p=doc(′test.xml′)/schema-element(GML:linestring)

　　2.2空間功能的擴(kuò)展

　　定義了空間數(shù)據(jù)的表達(dá)方式后，對(duì)空間運(yùn)算功能的實(shí)現(xiàn)在外部方法中進(jìn)行。參照文獻(xiàn)[6]中定義的空間方法，本文定義了SPATIAL類封裝，實(shí)現(xiàn)了部分空間方法。由于Saxon的XQuery 實(shí)現(xiàn)中，支持對(duì)Java類的靜態(tài)方法調(diào)用以及實(shí)例化對(duì)象方法調(diào)用，但對(duì)于需要實(shí)例化對(duì)象的方法調(diào)用相對(duì)復(fù)雜。為了方便調(diào)用，所有空間方法均定義為SPATIAL類的靜態(tài)成員方法。定義如下：

　　public class SPATIAL{

　　public static boolean WithIn(Document a, Document b){…}

　　public static boolean Toughes(Document a, Document b){…}

　　public static boolean Crosses(Document a, Document b){…}

　　……}

　　實(shí)現(xiàn)了上述定義空間方法后，通過該類就可以擴(kuò)展Saxon的XQuery引擎。擴(kuò)展方法很簡(jiǎn)單，只需在XQuery語句中聲明該空間類的名稱空間，在查詢語句中需要空間運(yùn)算的地方調(diào)用該類的各種方法即可。比如要使用空間包含的方法，先聲明名稱空間：declare namespace SPATIAL=“java:myclass.SPATIAL”;然后只需在調(diào)用方法前加入名稱空間即可，如SPATIAL:Disjoin(…)。

　　另外需要注意的是，如果擴(kuò)展的方法返回值不是簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型則需要進(jìn)一步處理。本文方法只是返回空間的包含相交等關(guān)系是否為真，是簡(jiǎn)單的布爾類型，不需要進(jìn)一步處理。

　　3、基于擴(kuò)展引擎的空間數(shù)據(jù)流查詢方法

　　擴(kuò)展后的XQuery引擎可以處理帶有空間信息的XML文檔。但由于目前的XQuery引擎通常被設(shè)計(jì)來處理在內(nèi)存中裝配好的源XML文檔，對(duì)于動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)流而言無法直接處理。為了能夠?qū)�空間數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，還需要借助SAX(simple API for XML)之類基于事件的XML解析程序輔助處理，以避免在采取操作之前需要存儲(chǔ)文檔的所有內(nèi)容。

　　本文原文

　　SAX是事件驅(qū)動(dòng)的XML處理器，允許正在讀取XML文檔時(shí)處理該文檔。文檔的讀入過程也就是SAX的解析過程。其觸發(fā)的事件主要包括：startDocument表示文檔開始;endDocument表示文檔結(jié)束; startElement表示元素開始;endElement表示元素結(jié)束;characters表示字符數(shù)據(jù)。將SAX與Saxon組合處理以XML格式表達(dá)空間數(shù)據(jù)流時(shí)，需要在相應(yīng)的事件處理程序中調(diào)用XQuery查詢語句。以一簡(jiǎn)單的物流監(jiān)控為例，監(jiān)控中心希望監(jiān)控車輛在某指定時(shí)段內(nèi)的指定區(qū)域的行駛是否符合預(yù)設(shè)路線。假設(shè)車輛每隔5 min將該時(shí)段內(nèi)的行駛軌跡及狀態(tài)信息以XML文檔格式形成不間斷的數(shù)據(jù)流發(fā)送給監(jiān)控中心。其數(shù)據(jù)格式DTD定義如下：

　　〈xsd: complexType name="DTStateHistory"〉

　　〈xsd:element name=ID type="xsd:Integer"〉

　　〈xsd:sequence〉

　　?〈xsd:element name="StateUnit" type="DTstateUnit"minOccurs=

　　"1" maxOccurs="unbounded"/〉

　　〈/ xsd:sequence〉

　　〈/xsd complexType〉

　　〈xsd: complexType name="DTStateUnit"〉

　　〈xsd:elementname="Time" type="xsd:Date" /〉

　　〈xsd:element name="Position" type="GML:Point" /〉

　　…(其他必要屬性信息)

　　〈/xsd complexType〉

　　用SAX和Saxon組合處理該數(shù)據(jù)流，當(dāng)數(shù)據(jù)流不斷到達(dá)時(shí)，SAX處理程序監(jiān)聽數(shù)據(jù)流并觸發(fā)相應(yīng)的事件。在元素DTStateHistory的endElement事件到達(dá)時(shí)，將該段數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為XML文檔存入內(nèi)存，以DOM數(shù)據(jù)類型表示作為Saxon引擎的數(shù)據(jù)源，由Saxon引擎執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的查詢語句。查詢的XQuery語句如下：

　　declare namespace SPATIAL="java:myclass.SPATIAL"

　　declare variable ?$Route as GML: MultiLineString external

　　for ?$StateUnit in datasource("cachedatastream")/DTStateHistory//StateUnit

　　let ?$p=?$StateUnit/schema-element(GML:point)

　　where fn:timeWithin(?$StateUnit/Time, Duration) and SPATIAL:Disjoin(?$p, ?$Route)

　　return 〈alerttime〉{?$StateUnit/Time}〈/alerttime〉

　　〈alertPosition〉{?$p}〈/alertPosition〉

　　該查詢語句檢索存放在緩存中的XML文檔，并將位置信息封裝到一個(gè)element作為參數(shù)與設(shè)定的路徑進(jìn)行匹配。匹配工作由外部的SPATIAL類的Disjoin方法完成。如果該點(diǎn)不在預(yù)訂路線上則返回該點(diǎn)的時(shí)間和位置信息到新的XML文檔。隨著事件的不斷觸發(fā)，程序不斷緩存數(shù)據(jù)并調(diào)用該語句進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流的處理。

　　4、結(jié)束語

　　本文研究了一種處理XML空間數(shù)據(jù)流的方法。該方法通過先擴(kuò)展XQuery引擎的空間運(yùn)算功能，然后結(jié)合XML流式處理方法對(duì)空間數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，為空間數(shù)據(jù)流的查詢和檢索提供了一種簡(jiǎn)便的途徑。在今后的工作中將擴(kuò)展數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析及趨勢(shì)分析等數(shù)據(jù)挖掘等功能，結(jié)合XML數(shù)據(jù)流挖掘技術(shù)的研究，研究基于XQuery的空間數(shù)據(jù)流挖掘方法。

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