2018, Vol. 29
表 1(Table 1)
路网环境下的最近邻查询技术
引用本文
鲍金玲, 王斌, 杨晓春, 朱怀杰. 路网环境下的最近邻查询技术[J]. 软件学报, 2018, 29(3): 642-662.http://www.jos.org.cn/1000-9825/5442.htm
Bao JL, Wang B, Yang XC, Zhu HJ. Nearest Neighbor Query in Road Networks[J]. Journal of Software, 2018, 29(3): 642-662(in Chinese).http://www.jos.org.cn/1000-9825/5442.htm
路网环境下的最近邻查询技术
1. 东北大学 计算机科学与工程学院, 辽宁 沈阳 110169;
2. 白城师范学院 计算机科学学院, 吉林 白城 137000
2. 白城师范学院 计算机科学学院, 吉林 白城 137000
摘要:
最近邻查询作为基于位置服务的重要支持性技术之一，引起了众多学者的广泛关注和深入研究.相对于欧式空间而言，路网环境下的最近邻查询更贴近人们的生活，有着更重要的研究意义.路网环境下庞大的数据量和复杂的数据结构，使得最近邻查询的操作代价变得非常昂贵，如何有效地提高查询效率，是研究者面临的主要挑战.对路网环境下的最近邻查询技术进行综述，分别从最近邻查询采用的索引结构和查询处理过程对现有路网环境下的最近邻查询方法进行了分析和比较，也介绍了路网环境下最近邻的变体查询技术的研究情况，最后探讨路网上最近邻查询技术未来的研究重点.
关键词:
基于位置的服务
路网
最近邻查询
欧式距离
路网距离
Nearest Neighbor Query in Road Networks
1. School of Computer Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110169, China;
2. School of Computer Science, Baicheng Normal College, Baicheng 137000, China
2. School of Computer Science, Baicheng Normal College, Baicheng 137000, China
Foundation item: Foundation item: National Natural Science Foundation of China (61532021, 61572122); Fundamental Research Funds for the Central Universities (N161606002); Liaoning BaiQianWan Talents Program
Abstract:
Nearest neighbor query, as one of the building blocks of location-based service, has become a hot research topic in recent years. Compared with Euclidean space, road network is a more practical model in real applications; hence, nearest neighbor query in road network has received broader research efforts. In road network, tremendous data are generated along with sophisticated data structure, making nearest neighbor query computationally expensive. This poses a major challenge to spatial database community on its effort to effectively improve the query processing efficiency for nearest neighbor query. This work summarizes existing nearest neighbor query techniques in road network, and conducts analysis and comparison among them, from various perspectives including indexing structure and algorithm implementation. Additionally, several variants of nearest neighbor query are also summarized in this work. Finally, future research focus and trend for nearest neighbor query in road network are discussed.
Key words:
location-based service
road network
nearest neighbor query
Euclidean distance
road network distance
随着无线技术的高速发展和移动通信设备的不断普及, 基于位置的服务(location-based service, 简称LBS)得到了广泛的应用.其中的最近邻(nearest neighbor, 简称NN)查询作为基于位置服务中最重要的支持性技术之一, 引起了学者们的广泛关注.
NN查询问题起源于Knuth在1973年提出的邮局问题[1].该问题可以简单地描述为:已知N维空间中集合P包含n个数据点, 在集合P中找出一个数据点p, 使得p到查询点q的距离最近.而k(k≥1)NN查询是NN查询的一般化形式.如果数据对象子集NN(q)中仅含有一个对象, 则该查询是NN查询; 如果数据对象子集NN(q)中含有k(k > 1)个对象, 则是kNN查询.
目前, 对于NN查询的研究主要基于欧式空间和路网环境.欧式空间中的NN查询问题的研究已趋成熟[2-13], 现有方法大多采用R-tree索引结构, 基于分支界定策略的剪枝技术缩小查询空间.其中的DF(depth-first)算法[2]和BF算法(best-first)算法[4]是欧式空间NN查询技术中的经典算法, 为其他NN查询技术奠定了一定的理论基础.然而, 欧式空间的NN查询是理想情况下的研究, 在欧式空间, 两点之间的距离指直线距离, 这一距离仅仅取决于两点的坐标值, 而且对象可以处在空间的任何位置.相比较而言, 路网环境下NN查询的应用更贴近人们的生活, 这方面的研究也有着更重要的意义.但在路网环境中, 对象的位置和运动都被约束在网络上, 对象之间的距离受限于它所处的网络, 由路网的连通性决定(如公路交通网等).这就导致路网环境下的NN查询空间检索范围更广, 路径计算量更大.因此, 欧式空间中的解决方法是不能通过简单的修改就应用于路网环境的.
路网环境下庞大的数据量和复杂的数据结构给NN查询带来了极大的挑战, 主要体现在以下两个方面.
(1) 有效的剪枝策略.由于搜索空间较大, NN查询处理的关键在于剪枝效果.如何构造有效的索引结构和高效的剪枝策略是关键, 也是研究的难点.空间索引结构的不断改进在一定程度上提高了对空间数据的处理能力, 但是由于空间数据的特殊性, 空间索引结构仍无法彻底改变高维数据所带来的束缚.每种索引结构都有自己的优缺点, 要想找到一种能够适应各种空间数据类型的索引结构是非常困难的;
(2) 可伸缩性.不同区域的路网规模不同, 对象分布密度不同, 用户查询的k值也会不停地变化, 路网本身也会时时更新, 一个好的查询方法要具有很强的伸缩性, 更好地适应这些变化.
目前, 许多大学和研究机构已经对路网环境下的NN查询展开了深入的研究, 如南加州大学[14]、马里兰大学[15, 16]和宾西法尼亚州立大学[17]、奥尔堡大学[18-20]、香港科技大学[21]、香港大学[22, 23]和清华大学[24]等.路网环境下的NN查询技术的研究取得了许多有价值的研究成果, 然而目前缺少对这些研究成果的归纳和总结.文献[25]中对路网环境下的最近邻查询技术进行了分析和比较, 不过涉及到的只有5种比较典型的最近邻查询方法:INE[21], IER(incremental euclidean restriction)[21], DisBrw[16], ROAD[23]和G-tree[24]方法.因此, 本文主要对路网环境下的NN查询技术进行综述.
本文着重讨论路网环境中的NN查询技术, 分别从路网数据模型、索引结构和查询过程等方面阐述路网环境下的NN查询技术的研究进展.第1节介绍路网数据的存储模式.第2节介绍查询的处理过程, 研究路网环境下主要的NN查询技术, 并对现有常用的NN查询技术进行分析和比较.第3节探讨NN查询的变体查询技术的研究情况.第4节总结全文并展望未来的研究重点.
1 路网数据模型路网数据模型的建立不仅能够真实地描述道路网络的特性, 而且还支持各种基于路网环境的查询研究, 而掌握路网数据的一些特有性质, 是构建路网数据模型和完成查询处理的关键.
1.1 路网数据的特征普通意义上的数据具有选择性、可靠性、时间性、完备性、详细性和综合性等特点, 而路网数据作为一种特殊的空间数据, 除了具有一般数据的全部特征以外, 还有一些区别于一般数据的特征[26], 主要表现在以下几个方面.
(1) 数据结构的复杂性和多样性.对于路网数据来说, 对象的信息不但包含其位置信息, 还包含对象之间的拓扑结构信息, 因此在存储的过程中, 需要根据具体情况选择合适的数据结构.这就导致存储路网信息的数据结构更为复杂, 形式更为多样;
(2) 数据的动态性.路网数据经常会发生更新, 例如新建了一条道路, 或者某处新开了一家酒店等.道路的属性也是动态变化的, 例如在交通高峰时段, 某条道路行驶的车辆很多, 导致道路拥塞, 此时, 通过该条道路的时间会变长; 高峰过后, 通过该条道路的时间又会变短.这就要求存储路网信息的数据结构能够适应由插入、删除或者更新等操作所引起的数据变化, 进而保证NN查询过程中有效的处理这些更新操作;
(3) 数据的海量性.一个地区的道路可能会有成千上万条, 这些道路之间又会有很多的相交点, 道路上分布着密密麻麻的兴趣点, 再加上各种道路的规则信息等.因此, 路网数据的数据量是非常庞大的.一个城市的地理信息系统中的数据可以达到几十GB, 若将视频数据也加在其中, 可以达到TB的数量级.因此, 对于路网数据的存储, 不能仅仅依赖于主存;
(4) 数据的无序性.路网数据除了空间对象的位置信息, 还包含了对象的拓扑信息.路网环境下, 对象的拓扑关系受限于网络环境的约束, 这些信息有助于空间数据的查询和空间分析, 但是因为这些信息的限制, 无法对空间数据进行线性排序, 这就增加了对路网数据一致性和完整性维护的复杂度.
路网数据的复杂性与多样性, 再加上数据的海量性和无序性, 给查询优化带来了困难.另外, 路网对象的拓扑信息, 增加了数据编辑和存储的难度以及空间数据一致性和完整性维护的复杂度.
1.2 路网数据模型通过观察可以发现:道路网络结构是由路段组成, 路段和节点是构成路网的最基本元素.节点是道路的起点、终点和道路间的交叉点.实际中, 道路网络除了节点和路段集合外, 还包含众多的用户兴趣点(points of interest), 当然, 也有许多如车辆行驶方向等各种限制策略.因为图论的思想比较简单, 容易对道路网络进行建模, 路网上的空间问题也便于转化为图论问题.所以, 目前国内外有关道路网络的建模方法一般采用图论思想建模, 然后基于该路网模型提出解决空间位置查询问题的处理方法.
下面本文以图论的方式介绍路网数据模型.
定义1(路网(road network)). 将路网结构表示为一个有向带权图N=(V, E, W), 其中, V表示路网中路段间的交叉点集合, E表示路网中路段集合, W表示路段对应的权值.路段的权值可以表示该路段的长度, 也可以表示通过该路段花费的时间等属性信息.其中, 交叉点v∈V是指3条及以上路段汇集而成的节点.
定义2(查询点(query point)). 指查询请求在路网中的位置.在传统的欧式空间中, 查询点往往给出查询请求的坐标位置; 而在路网环境下, 坐标位置对于查询来说没有作用, 反而会给查询带来额外的代价.
定义3(查询对象(query object)). 指查询请求的路网中对象, 例如加油站、学校等.路网中每一个对象(包括查询点和查询对象)都位于路段边上, 查询对象在路网中可用三元组oi=(ni, nj, dist)来表示, 其中, ni和nj表示路段的起点和终点, dist表示该对象到路段起点的距离.
定义4(路网距离(road network distance)). 指从查询点到查询对象的最短路径度量.如果查询路径考虑权重(比如道路拥挤程度、时间速度等限制), 路网距离为带权重的综合最短路径的度量.
定义5(最近邻查询(nearest neighbor query)). 给定数据对象集合P和一个查询点q, 最近邻查询就是在集合P中找到一个数据对象子集, 满足下面条件:
| $ NN(q)=\{p\in P|\forall o\in P, dist\left( q, p \right)\leqslant dist\left( q, o \right)\} $ | (1) |
定义6(k最近邻查询(k nearest neighbor query)). 给定数据对象集合P和一个查询点q, k最近邻查询就是在集合P中找到k个满足公式(1)要求的数据对象子集.
k(k≥1)NN查询是NN查询的一般化形式, 如果数据对象子集NN(q)中仅含有一个对象, 则该查询是NN查询; 如果数据对象子集NN(q)中含有多个对象, 则该查询是kNN查询.
如图 1所示, 图 1(a)为截取的北京市区域路段的路网, 图 1(b)是对北京区域路段网络建模后的路网结构.图 1(b)中, {v1, v2, …, v14}表示路网中的交叉点, {p1, p2, p3}表示查询对象, 在此表示为大学.图 1(c)中, q为查询点, q发出查询最近的一所大学的请求, 此类查询是NN查询.此时, q的查询结果R={p3}, 其中, q到p3的网络距离=dist(q, p3)=dist(q, v6)+dist(v6, p3).如果要查询最近的两所大学, 则是kNN查询, 此时k=2, 查询结果R={p3, p2}.
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Fig. 1 Beijing regional road network modeling 图 1 北京市区域路段网络建模 |
2 路网环境下的最近邻查询技术的研究
相比较而言, 路网环境下的NN查询比欧式空间的NN查询更贴近人们的生活, 这方面的研究也有着更重要的意义.由于路网数据与一般的空间数据的主要区别就是网络的连通性, 因此, 欧式空间中的NN查询方法不能通过简单的修改就直接应用于路网环境.
2.1 最近邻查询过程路网数据一般复杂且庞大, 为了提高查询处理的效率, NN查询过程通常分为过滤和精炼两步进行, 如图 2所示.
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Fig. 2 Precess of query 图 2 查询处理过程 |
(1) 过滤:这是NN查询技术中与查询效率密切相关的阶段.在这一步骤中, 时空对象一般按照某种空间索引结构被近似地以简单的形式进行表示, 例如R树中将对象表示为最小外包矩形.NN查询过程在近似的基础上执行过滤步骤, 返回一个候选集合, 作为完全满足某种要求的所有对象的集合;
(2) 精炼:这个阶段需要处理的是上一步骤(即过滤)产生的候选集, 算法需要依据每个对象的精确几何信息及所提供的精确谓词对候选集进行进一步的检查, 确定候选对象是否匹配.
2.2 最近邻查询方法通过对空间数据查询过程的分析可以看出, 索引结构和过滤策略直接影响着路网环境下的NN查询方法的性能.在路网环境中, 对象的位置和运动都被约束在网络上, 对象之间的距离受限于它所处的网络, 由道路网络的连通性决定, 所以影响路网环境下的NN查询方法性能的另外一个因素是NN查询过程中所采用的扩展方式.按照查询处理过程中所采用的扩展方式, 可以将路网环境下的NN查询方法分为3类:Dijkstra式查询方法、启发式查询方法和相邻区域迭代式查询方法.在介绍查询方法之前, 先给出一个例子, 如图 3所示, v1, …, v12是路网中的交叉节点, p1, p2, p3表示查询对象点, q是查询点, 目标是查找q的k最近邻点, 这个例子将作为下面所有方法的实例.
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Fig. 3 Example of query 图 3 查询实例图 |
2.2.1 Dijkstra式查询方法
Dijkstra算法[27]是由Dijkstra在1959年提出的求解图中单源最短路径的经典算法.基本原理是从源点出发, 每次新扩展一个到源点距离最近的节点, 然后更新与其相邻的节点距离.Dijkstra式扩展模式解决kNN查询问题的基本思想就是从查询点出发, 沿着查询点的邻接边向距离查询点最近的节点扩展搜索, 然后再更新该节点到其相邻节点的距离, 一直找到查询点的k个最近邻对象为止.为了提高kNN查询的效率, 很多kNN查询方法需要依靠有效的空间索引结构和剪枝策略.
下面按照不同的空间索引结构, 分别探讨基于Dijkstra式扩展模式的kNN查询方法.
(1) 采用R-tree索引结构的查询方法
在路网环境中, R-tree索引结构主要通过R-tree对折线(两个节点的连线)的MBR进行索引, 以此支持对网络空间属性的查询.以图 3为例的路网存储结构如图 4所示, 主要包括3部分:邻接表组件、边的折线表组件和路网R-tree组件.邻接表表示路网的连通性, 每个节点记录了它的邻接点的存储位置、与邻接点形成路段的网络距离以及对应的MBR, 还存储了对应路段在折线表中的存储位置.边的折线表存储了网络中每个路段的详细信息, 还包括路段对应端点在邻接表中的存储位置.路网R-tree组件主要存储每个MBR中的边和查询对象信息.
Papadias等人[21]在2003年讨论了空间网络数据库环境下的kNN查询处理方法, 提出了INE(incremental network expansion)方法, 此方法基于R-tree索引结构, 在路网上多次使用Dijkstra算法实现kNN查询.首先以查询点q为中心, 沿着邻接边逐步进行扩展, 在扩展过程中比较所有遇到的对象到查询点的距离, 当扩展半径达到查询点q的第k个对象的距离时, 查询结束.
同年, Huang等人[19]基于R-tree索引结构提出了处理多步骤kNN查询算法(MkNN).该算法是对INE方法的改进.它采用主存选择性地高速缓存查询结果, 然后在下一步的查询中重用缓存的查询结果.基于这一思想提出了6种缓存算法, 并且通过实验验证了这6种缓存算法在不同的路网环境下拥有各自的优势, 可以完成不同情况下的多步骤的kNN查询.另外, 孙亚[28]在INE方法的基础上利用R-tree索引结构, 提出了一种基于道路网络扩展的kNN查询算法NE(network expansion), 可以有效地提高NN查询的效率.
INE方法以及改进的INE方法在对一个节点进行扩展的时候, 采用的是在该节点的R树上进行搜索, 并最终返回每个邻边的所有节点.即使此邻边并不包含兴趣点, 也要执行搜索, 所以它的性能和Dijkstra算法一样, 需要遍历整个路网.INE算法的效率取决于待查询对象的分布密度, 在查询对象密集的网络中, 查询性能较好; 而对于较为稀疏的网络, 因为搜索空间增大, 会执行许多冗余的操作, 由此导致算法的性能下降.
(2) 采用R-tree与B-tree结合的索引结构的查询方法
lmeida等人[29]在2006年提出了基于Dijkstra算法来解决路网环境下的kNN查询问题.鉴于道路网络的相对稳定性, 采用R-tree索引路网节点; 而对于查询的对象点, 则采用B-tree进行索引.基于上述两种索引结构的有效结合, 采用改进的Dijkstra算法实现增量的kNN查询.但是该方法存在一定的局限性, 它假设了路网的相对稳定, 不适用路网更新的情况.另外, 侯士江[30]也基于R-tree与B-tree结合的两层存储模式, 提出了增量kNN查询算法(IkNNQA).
(3) 采用Voronoi图与R-tree结合的索引结构的查询方法
Voronoi图与R-tree结合的索引结构的主要思想是将整个路网划分为若干个Voronoi单元, 每个Voronoi单元以数据对象p为中心, 并预先计算每个Voronoi单元内部的边界点之间的最短路径距离, 将预计算的距离值加以保存, 然后通过R-tree索引所有的Voronoi单元.以图 3的路网结构为例, Voronoi的划分情况如图 5(a)所示, 存储结构如图 5(b)所示, 其中, b1, b2, b3和b4是划分过程中产生的边界点.
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Fig. 5 Example of network Voronoi diagram storage schema 图 5 网络Voronoi图存储模式实例 |
Safar[31]基于Voronoi图与R-tree结合的索引结构, 提出了PINE(progressive incremental network expansion)方法.PINE方法的执行过程是:首先定位查询点所在的Voronoi单元, 确定它的1NN对象点; 然后, 利用改进的Dijkstra算法扩展到其他的Voronoi单元, 查询其余的最近邻对象点.PINE方法是对VN3方法[14]的改进, 这样可以避免过多的预计算代价和存储代价.但是对于大规模的路网, 预计算代价仍然较高; 而在k值增大时, PINE方法的查询效率也会明显下降.
(4) 基于中心节点构建索引的查询方法
基于中心节点构建的索引一般以数据点为中心, 或者以路网的交通节点(也就是交叉节点)为中心, 预先计算出中心节点周围一定数量的最近邻对象以及节点到最近邻对象的距离, 然后存储在相应节点的最近邻列表中.使用这种索引结构处理kNN查询的目标就是通过权衡预计算与网络扩展的代价, 来平衡NN查询与更新的性能.
在2005年, Huang等人[18]提出了一种Island机制处理kNN查询.Island索引结构的特点是:给定的一个距离值r, 以数据点dp为中心、r为半径的路网距离区域为dp的Island, 所有与dp的距离小于r的节点都与dp在同一个Island内.假设r=3, 那么以p1为中心的Island的划分如图 6(a)所示, 存储结构如图 6(b)所示.
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Fig. 6 Example of road network Island storage schema 图 6 路网Island存储模式实例 |
首先, 预计算到数据点的距离在半径r以内的对象点, 并存储起来, 以此降低查询过程中的计算代价.Island方法查询过程分两步:首先检查查询点q所在的Island, 然后比较k与Island中的对象个数:如果q的Island中的对象个数大于k, 那么距离查询点q最近的k个对象就是查询结果; 否则, 沿着q所在的Island, 采用Dijkstra式扩展模式向其他Island搜索.
Island方法的关键是确定合适的r值.当r较大时, 查询对象的候选集过大, 使得预计算的代价较高; 而当r较小时, 会因候选集不足而不得不进行网络扩展, 降低了查询的效率.因此, Island方法在某种程度上依赖于r的取值, 但是如何确定最佳的r值没有一个严格的标准, 实施起来比较困难.
CHO和CHUNG[32]在2005年提出的UNICONS(unique continuous search algorithm)算法与Island方法非常类似, 主要处理路网中NN查询和连续NN查询问题.它摒弃了Island算法中针对查询点进行预计算的策略, 而是以路网中的交叉节点为中心, 预计算交叉节点的最近邻对象点, 得到查询路径上各个交叉节点的最近邻列表, 然后通过在线计算得到划分点.
UNICONS方法的查询过程:首先定位查询点所在的边, 然后比较这条边的两个端点(也就是路网上的交叉节点)的最近邻列表中的对象点的数目m与k值的大小:如果m大于k, 那么选择距离查询点最近的k个对象点作为结果; 否则, 需要通过Dijkstra算法向其邻接边扩展查找其他的最近邻对象.
算法中利用预计算的NN列表信息来减少当前节点NN的计算, 但是从某种程度上来说, 进一步扩展的最近邻计算会增加查询的时间.该方法的优势是不依赖路网中查询对象的分布密度, 因此在密集或者稀疏的网络中都表现出较好的查询性能.
(5) 采用最短路径树索引结构的查询方法
Hu等人[23]为了解决路网上kNN查询问题, 在2006年提出了一种利用最短路径树索引网络拓扑的处理方法.该方法将路网生成为内部互联的最短路径树SPT(shortest path trees).假设数据点位于路网的节点上, 并且边与边之间的权重满足三角形不等式, 然后将SPT转换成SPIE(shortest path tree with horizontal edges and triangular inequality edges)结构.在这一结构中, 同一层的节点之间用快捷边连接, 两个节点之间快捷边的权重就是这两个节点之间的最短路径距离.对于SPIE结构中的每一个节点, 需要存储该节点的后继节点中的最近邻数据点以及该节点到这一最近邻数据点的距离.
SPIE方法的查询过程:首先, 通过SPIE索引, 在查询点q的后继节点中查找最近邻对象, 然后再向查询点的父节点扩展, 在其父节点的后继节点中查找q的最近邻对象点.如此迭代下去, 一直扩展到根节点为止.这一方法可以有效地避免网络扩展产生的代价, 但是此方法的性能在很大程度上依赖于已知的对象集合.该方法限制查询点位于数据结点上, 但实际中, 查询点往往位于网络中的边上; 另外, 在构建SPIE的过程中需要增加节点, 这样也就增大了网络的规模, 导致预计算代价较高, 需要的存储空间较大.
(6) 采用网格索引结构的查询方法
网格索引结构的主要思想是基于哈希网格索引技术, 将路网划分成相等的网格, 然后通过网格对路网上的节点进行索引.网格间的公共节点称为边界节点.如果一条边的两个节点位于不同的网格中, 那么这条边的中点也是边界节点, 划分过程如图 7(a)所示.对于划分之后的路网, 按照图 7(b)所示的结构存储边的起点和终点, 还有同一网格中节点到边界节点的距离信息和同一网格中边界节点之间的距离信息.
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Fig. 7 Example of gird storage schema 图 7 网格存储模式实例 |
2007年, Huang等人[20]提出了S-GRID方法处理路网的kNN查询问题.该方法也可扩展用于CkNN和范围查询, 并可以适应道路情况变化的情况.S-GRID方法的查询过程:先定位查询点所在的网格, 接着在网格内查找最近邻的对象点, 然后再沿着边界点基于Dijkstra式搜索模式向外扩展到其他网格单元查找剩余的最近邻对象点.它是一种为减少磁盘访问、提高查询效率而进行预计算的kNN查询方法.
这种网格索引的方式实现起来还是比较简单的, 加上高效的编码技术, 可以很快地查找到符合条件的对象, 但是在网格划分的过程中需要添加额外的边界节点, 加大了数据的存储空间.另外, 在大规模稀疏的路网中, 或者当k增大时, 该方法的查询效率会明显下降.
(7) 采用B+-tree索引结构的查询方法
Lee等人[17, 33]在2009年提出了ROAD框架, 解决路网上的位置查询问题, 主要思想就是在分层次的路网结构上进行Dijkstra算法的扩展.ROAD采取路线覆盖和关联目录分别索引路网数据和空间对象.路线覆盖部分是将路网分层进行子图划分(如图 8(a)所示), 再利用B+树对路网节点进行索引(如图 8(b)所示), 其键值为节点ID, 每一个叶子项指向一个路网节点以及对应的捷径树, 非边界节点(比如v1)的捷径树只有一项, 存储该节点到其邻近节点的边以及长度; 而边界节点(比如v4)的捷径树按照该点所在区域子网的层次进行构造, 该树非叶子节点存同一层包含该节点的区域子网以及每个子网的快捷边, 叶子节点存储到它邻近节点的边.关联目录作为对象查找结构, 采用B+树对空间对象进行索引, 如图 8(c)所示.键值为节点的ID, 叶子节点包含路网节点和区域子网两类:若为路网节点, 存储与该节点相邻对象的距离信息; 而区域子网节点则存储其对象目录.
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Fig. 8 Example of ROAD storage schema 图 8 ROAD存储模式实例 |
利用ROAD框架结构执行NN查询的过程:首先, 从查询点开始扩展, 在查询点的邻接子图中如果不包含要查询的对象点, 那么沿着快捷边越过该子图; 然后, 采用Dijkstra算法继续向其他的子图扩展.利用ROAD框架进行NN查询的方法不能有效地过滤掉那些在路网上广泛而均匀分布的对象, ROAD的性能和Dijkstra算法一样, 不得不遍历整个路网.
2.2.2 启发式查询方法基于启发式扩展模式的kNN查询方法主要采用BF(best-first)算法的思想, 按照启发式策略查找最有可能成为kNN对象点的候选集, 尽量提前结束查找过程.常见的方法是在有效的空间索引结构的基础上, 计算路网上的每一个对象点(或者子区域)到查询点的距离下限(可能不是路网距离):如果某个对象点(或者子区域)到查询点的距离下限小于已求得的kNN对象点距离, 那么这一对象点(或者这一子区域)就是所求候选集, 之后再按照距离下限从小到大的顺序计算候选集中的对象点(或者子区域)到查询点的实际路网距离; 如果这个距离下限大于已求得的最近邻距离, 那么舍弃这一对象点或者这个子区域.在启发式扩展模式的方法中, 确定距离下限是非常关键的工作, 有效的距离下限可以有效降低搜索代价, 提高kNN查询效率.
下面针对现有方法中采用的不同空间索引结构, 介绍基于启发式扩展模式的kNN查询方法.
(1) 采用R-tree索引结构的查询方法
Papadias等人[21]在2003年讨论空间网络数据库环境下的kNN查询处理问题时, 除了INE方法, 还提出了IER方法.这种方法也是基于R-tree完成kNN查询的, 所采用的存储结构如图 4所示.IER方法是一种基于启发式的搜索模式扩展查询最近邻的方法, 利用查询点q到对象点的欧式距离作为距离下限完成查询.
IER方法的查询过程如图 9所示:首先计算查询点q到其欧式距离最近的对象点p2的路网距离dN(q, p2), 然后在距离查询点q的半径分别为dE(q, p2)和dN(q, p2)的环形区域内查找到查询点q的欧式距离小于dN(q, p2)的对象点.p3是满足条件的对象点, 那么计算查询点q到点p3的路网距离dN(q, p3).因为dN(q, p3) < dN(q, p2), 所以接着在距离查询点q的半径分别为dE(q, p3)和dN(q, p3)的环形区域内查找到查询点q的欧式距离小于dN(q, p3)的对象点.如此迭代下去, 最后得到的路网距离dN(q, pn)最小的对象点就是距离查询点q最近的对象点.
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Fig. 9 Example of IER 图 9 IER查询实例 |
如果查找查询点q的kNN对象点, 方法与查找NN对象点的类似, 首先选择到查询点q的欧式距离最近的k个对象点, 然后分别计算这些对象点的路网距离, 并对这些对象点按照所求的路网距离升序排序, 将其中值最大的dEmax=dN(q, pk)作为界限, 接着计算查询点q到第k+1个欧式距离近邻点p(k+1)的路网距离, 如果dN(q, pk) > dN(q, p(k+1)), 将p(k+1)加入k近邻集合, 并从k近邻集合删除pk, 如此迭代下去.
IER方法中, 如果对象点到查询点的欧式距离排序顺序和它们之间的路网距离排序顺序相差不多, 那么IER方法的查询效率很高; 否则, 在查找k近邻的时候, 需要计算几乎所有的对象点到查询点的欧式距离, 这样, IER方法的效率就会大大降低.
(2) 采用Quadtree索引结构的查询方法
2005年, Sankaranarayanan等人[15]提出了SILC(spatially induced linkage cognizance)技术, 可以有效解决路网上增量的kNN查询问题.2008年, Samet等人[16]基于SILC技术提出了Distance Browsing(简称DisBrw)方法完成路网上的kNN查询问题.该方法对文献[15]中的增量kNN查询方法进行了改进, 利用查询点到第k个最近邻对象的路网距离的估计值作为上限进行剪枝, 查询kNN对象, 而不再是文献[15]中增量的获得kNN对象.在具体实现过程中, 主要体现在有效减少了优先队列中不必要的插入操作.
SILC技术是基于路网上的最短路径一致性思想实现的.在路网环境中, 较近的两个起始节点到达另外两个较近的目标节点之间的最短路径会共享很多公共的路段, 这就是路网中最短路径一致性.对于一个节点s∈V, SILC技术首先预先计算节点s到其他所有节点的最短路径, 并对节点s的每一个邻接点设置唯一的颜色.每一个节点u∈V与节点s到节点u的最短路径上经过的节点设置成相同的颜色, 然后利用区域四叉树对路网进行迭代划分, 这样可以将空间复杂度由当时技术的O(|V|3)有效地降低到O(|V|1.5).图 10说明了节点v4着色编码的过程.SILC技术可以迅速找到从节点s到节点t的最短路径.首先, 通过节点s所在的四叉树可以识别出t的颜色, 再凭借节点t的颜色确定从s到t的最短路径上的第1个节点v, 然后再通过节点v的四叉树, 识别从s到t的最短路径上的下一个节点.如此迭代下去, 直到到达节点t为止.
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Fig. 10 Shortest-Path quadtree of vertex v4 图 10 节点v4最短路径四叉树 |
DisBrw方法使用了一个对象分层的机制去避免计算所有对象的路网距离区间, 也就是计算包含对象区域的距离区间.在接受kNN查询请求后, DisBrw方法首先在查询点q(v4)的最短路径四叉树上访问距离查询点最近的包含对象点的子区域, 然后再计算查询点到该区域最近的对象点的路网距离, 接着, 按照同样的策略继续查找其他的子区域.为了实现kNN查询, 需要在区域四叉树上存储一些额外的信息.对于包含在区域四叉树单元内部的每一个节点v, 计算四叉树所属的节点s到节点v的路网距离与他们之间的欧式距离的比值, 然后在每一个四叉树单元中存储本单元内的最小比值λ-和最大比值λ+.执行kNN查询时, 对于遇到的任意节点t, 通过节点s到节点t的欧式距离与t所在的四叉树单元存储的最小比值λ-和最大比值λ+相乘, 可以得到一个距离区间[δ-, δ+], 这个距离区间可以作为节点s到节点t路网距离的下限和上限, 帮助剪掉不满足kNN查询的对象.在查询的过程中, 当得到最短路径中的下一个节点u时, 修正这一距离区间, 此时的距离区间就变为节点s到节点u的实际路网距离与节点u到节点t的距离区间的和.如此迭代下去, 这一距离区间会很快收敛到一个确定的路网距离值.
文献[16]方法与文献[15]中的方法相比, 在存储空间和查询效率方面都有所改进, 但他们依然存在着共同的问题:如果在很小的区域聚集了大量的对象, 这两种方法就变得效率很低.虽然降低了存储空间, 但是预处理代价还是比较大.对于大型公路网, 采用这种方法搜索k最近邻是不切实际的, 尤其是路网数据更新频繁的情况.
(3) 基于距离签名索引结构的查询方法
Hu等人[22]于2006年提出了一种距离索引技术, 叫做distance signature(简称Dist Sign).该方法预先计算了所有节点到每个对象的路网距离, 然后将这些距离按照长度范围分类, 并编码为distance signatures.如图 11所示:节点到对象的距离分为4类:0~4算作第1类别, 4~10算作第2类别, 10~16算作第3类别, 大于16为第4类别.用这种距离范围的大小可以表示出节点与对象之间距离的远或近, 代替了精确的距离表示, 缩减节点与对象距离的存储空间.该方法需要存储每个节点到对象点的距离类别和节点到对象的最短路径中的后继节点, 查询点与对象点之间的距离类别就是它们之间的距离界限.
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Fig. 11 Example of Distance Signature storage schema 图 11 Distance Signature存储模式实例 |
Dist Sign方法查询的过程:计算距离查询点的距离类别序号为0的对象点数目, 如果这个数目小于k, 再统计距离类别序号为1的对象点数目, 依此类推, 直到对象点的数目大于或者等于k为止; 然后再计算查询点到这些对象点的精确距离, 最终找到kNN对象点.计算查询点到对象点的精确对象距离时, 需要访问索引中节点的下一个指针指向的邻接对象节点.虽然此方法采用距离分类压缩了预处理的存储空间, 但是需要预处理和存储的代价仍然较大.
(4) 基于G-Tree索引结构的查询方法
为了进一步提高kNN查询效率, Zhong等人[24, 34]在2013年提出了一种平衡的搜索树G-Tree索引结构.首先将整个路网按照层次迭代进行子图划分, 如图 12(a)所示; 然后构建成G-Tree索引结构, 如图 12(b)所示.
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Fig. 12 Example of G-Tree storage schema 图 12 G-Tree存储模式实例 |
在G-Tree中, 每一个节点存储着对应的子图信息, 包括该子图的边界节点集合和一个预先计算好的距离矩阵.对于非叶子节点, 矩阵中存储的是任意两个边界节点之间的最短路径距离; 而对于叶子节点, 矩阵中的信息就是对应子图中的边界节点与子图中所有节点之间的最短路径距离, 并将所有的节点都利用哈希表与叶子节点一一对应.
G-Tree方法的查询过程:已知查询点vq、对象点集合C和k, 在执行kNN查询时, 首先利用哈希表确定查询点和对象点所在的叶子节点; 接着计算查询点到对象点所在子图的最短路径距离, 并将其存入最小优先队列中; 然后按照出队顺序计算查询点到对象点的实际距离, 如果查询点与子图的最短路径距离大于当前得到的查询点到对象点的最短路径距离, 那么放弃计算查询点到该子图的对象点的最短路径距离.
该方法将空间复杂度降低到O(|V|log|V|).但是由于该方法的G-tree中的非叶子节点的距离矩阵中需要存储每个子图内的边界节点之间的距离信息, 因为每个子图的边界节点一定是其孩子的边界节点, 所以G-tree中存储了大量冗余的距离信息.另外, 为了降低存储空间, G-tree中只存储了子图中的边界节点的距离信息, 没有存储任意节点对之间的距离信息, 所以当路网规模增大, G-tree的深度随着增大的时候, 搜索代价明显提高, 这就会导致在大规模路网中执行kNN查询时效率降低.
2.2.3 相邻区域迭代式查询方法采用相邻区域迭代扩展模式的kNN查询方法的主要依据就是查询点的kNN对象点必定在查询点所在区域的某些邻近区域.主要思想是:按照一定的规则将路网划分为不同的区域, 执行NN查询时, 首先在查询点所在的区域查找对象点, 如果查询点所在区域内的对象点数目不满足查询要求, 那么访问查询点所在区域的相邻区域, 接着查找NN对象点.如此迭代下去, 直到找到满足条件的kNN对象点.
(1) 采用Voronoi图与R-tree结合的索引结构的查询方法
Kolahdouzan和Shahabi[14]在2004年提出了一种路网环境下基于Voronoi图的kNN查询方法——VN3方法.这种方法的主要思想是将整个路网划分为若干个Voronoi单元(如图 5(a)所示).每个Voronoi单元以数据对象p为中心, 并预先计算出每个p所在的单元中所有边界点到p的距离以及每个单元内的边界点之间的距离, 并将预计算的距离值加以保存, 然后通过R-tree来索引所有的Voronoi单元(存储结构如图 5(b)所示).
VN3方法将查找第1个最近邻问题简化为点定位问题; 如果想要查找kNN(k > 1)对象点, 文献[14]证明:q的kNN必定是q的iNN(i < k)在NVD(network voronoi diagram)中的某些邻近的Voronoi单元, 所以接着就逐一访问查询点所在Voronoi单元的相邻单元.如此迭代搜索下去, 找到第k个最近邻对象为止, 将查询空间限制在一定范围之内.
由以上分析可知:VN3处理方法在查询1NN时的效率最高, 它也可以改善文献[21]中INE算法在稀疏的网络中进行kNN查询时效率降低的情况; 但是当查询数目k增加时, 由于许多路径在多个Voronoi区域之间穿过, 计算代价很高, 严重影响了查询的性能.针对那些数据对象分布密集的网络, 划分得到的Voronoi单元的数量就很大, 预计算代价和存储代价都很高, 并且增加了算法精炼步骤的计算代价, 影响了算法的效率.因此, VN3方法只适合规模适中对象分布密度适中的网络.
(2) 基于中心节点构建索引的查询方法
王恒[35]在2011年提出了基于预计算的跳跃式kNN查询(简称Leaping-kNN)算法.该方法基于非交叉点子路径上的预计算定理, 首先获得路网中的交叉点, 并计算出交叉点的m个最近邻对象, 存储到对应的最近邻列表中.因为查询点的最近邻对象可能被限定在它所在的子路径的开始结点或者结束结点的最近邻列表中, 所以当获得查询请求后, 确定查询点q所在的子路径, 如果查询点所在子路径的最近邻列表中的查询对象个数小于k, 不计算下一个邻接点的m个最近邻, 而是通过跳跃式方式得到相邻子路径中的开始结点和结束结点的最近邻列表, 并加入到候选子集中.最终, 通过计算q到候选子集中查询对象的距离, 取k个到达查询点距离最小的查询对象即为查询结果.
该算法在交叉点分布稀疏的路径中具有明显的优势, 但是该方法的缺点是在交叉点密集分布的情况下, 性能将会退化为普通的处理方法.而且此方法与m的取值有关:当m较大时, 查询对象的候选集过大, 使得预计算的代价较高; 而当m较小时, 会因候选集不足而不得不进行相邻子路径的迭代扩展, 这样就会降低查询的效率.
2.3 最近邻查询方法比较本节通过实验分析, 从路网规模、对象点的分布密度和k值大小的影响方面分析和比较最近邻查询方法的性能.其中, 改进的Dijkstra方法、MkNN方法、NE方法和IkNNQA方法都是在INE方法的基础上稍作改进实现的, 从索引结构到扩展模式都没有变化, 而DisBro方法是SILC方法的升级版, 因此本节实验中没有考虑改进的Dijkstra方法、MkNN方法、NE方法、IkNNQA方法和SILC方法.另外, IER方法按照文献[25]中的PHL改进策略实现.
2.3.1 实验设置(1) 实验环境
本节所有的算法都是在Linux操作系统上使用C++语言实现, 运行在以下配置的计算机上:Intel Core i5-4570 CPU@3.2GHz, 32GB RAM, 并且所有算法均基于单线程, 每种算法中的索引结构均基于内存实现.
(2) 数据集
实验中使用了5个真实的数据集[25], 均从美国人口调查局公开发表的美国路网数据中采集, 数据集的规模参见表 1.实验中所用的对象集包括真实对象集[25]和人工合成两部分, 其中:真实对象集见表 2; 人工合成部分主要从真实的路网数据集中随机选取一定数目的节点作为用户的兴趣点(POIs), 按照实验中对象分布密度参数d从0.0001~1的变化进行设置.
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Table 1 Road network datasets 表 1 路网数据集 |
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Table 2 Real-world object sets 表 2 真实对象集 |
2.3.2 实验分析
路网的规模、对象点的分布密度和k值大小在一定程度上影响着查询方法的性能, 下面从这3方面着手分析kNN查询方法的性能.
(1) 路网规模的影响(对象点分布密度d=0.001, k=10, 查询时间单位为μm).
通常情况下, kNN查询方法的性能受路网规模影响, 随着路网中节点数目|V|的增加, kNN查询过程中的计算代价和存储代价增加, kNN查询方法的查询效率会降低.表 3中的数据显示了kNN查询方法受路网规模变化影响的情况.基于Dijkstra式扩展模式搜索的方法变化幅度不大, 而基于启发式搜索模式的方法受影响比较大, 特别是DisBro方法, 在数据集E和US上, 无法正常创建索引.另外, 基于网络Voronoi图的查询方法受影响也比较大, 在数据集E和US上, 也无法正常创建索引.
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Table 3 Effect of road network size |V| 表 3 路网规模的影响 |
(2) 对象点分布密度的影响(NW数据集, k=10, 查询时间单位为μm).
大多数查询处理方法的性能受网络空间中查询对象的分布密度d影响, 一般随着d增大, 对象之间的平均距离降低, 查询的执行时间会相应变小(见表 4).基于Dijkstra式扩展模式搜索的方法受对象密度影响比较大, 变化幅度很明显, 特别是INE方法, 当对象密度达到1时, 成为所有方法中表现最优的.因为UNICONS方法和Leaping-kNN方法预处理的最近邻列表中就存储了每个交叉节点的10个最近邻对象, 所以在查询过程中受密度影响不是很大, 查询时间变化幅度也比较小.
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Table 4 Effect of density d 表 4 对象分布密度的影响 |
(3) k值变化的影响(NW数据集, 对象点分布密度d=0.001, 查询时间单位为μm).
表 5中的数据表明:随着k值增大, 几乎所有的kNN查询方法的查询效率呈明显降低趋势.有些处理方法随着k值的增大, 查询性能变得不可接受, 严重影响了查询的意义.比如VN3方法, 在搜索1NN时效率最高; 当k值增大时, 效率明显下降, 成为所有方法中性能最差的方法.
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Table 5 Effect of k 表 5 k值变化的影响 |
除了路网规模、对象点分布密度和k值大小对kNN查询方法的性能影响之外, 创建索引的代价也会影响查询方法的扩展性.比如DisBro方法, 虽然已经将空间复杂度有效地降低到O(|V|1.5)(|V|为路网节点的数目), 但是创建索引的空间代价和时间代价都很高, 当路网上节点个数超过1 000万时, DisBro索引的存储空间已经达到17G, 影响了DisBro查询方法的应用.另外, 路网数据是动态变化的, 首先是路网中的结点、边和兴趣点是动态变化的; 其次, 路网中道路的权值是动态变化的.有的索引方法不支持路网更新, 严重束缚了查询方法的应用, 比如DisBro方法, 在更新频繁的网络中无法应用.
2.3.3 查询方法分析下面就从以下3个方面比较和评估kNN查询方法(见表 6).
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Table 6 Comparison of kNN query techniques 表 6 kNN查询方法比较 |
(1) Dijkstra式查询方法
基于Dijkstra式搜索模式的查询方法在规模适中的高密度网络中查询性能处于优势, 尤其是INE方法, 在对象分布密集的路网中表现突出, 而均采用改进的Dijkstra式搜索模式的ROAD方法与INE方法相比较, 有时ROAD方法访问快捷边的时间已经超过了通过快捷边绕过不包含对象的子图所节省的时间, 所以会出现前者略慢于后者的现象.基于启发式搜索模式中表现最好的G-tree方法的查询效率明显不如基于Dijkstra式搜索模式的ROAD方法.
(2) 启发式扩展模式
随着路网中节点|V|数目逐渐增大, 尤其是大规模的路网环境下, 对象分布密度比较低的情况, 基于启发式搜索模式的kNN查询方法的适应性会明显好于其他两种搜索模式.文献[25]中的实验结果也表明:随着路网中节点|V|数目逐渐增大, 改进后的基于启发式搜索策略的IER方法处于优势地位.随着查询请求中k值的增大, 启发式搜索模式的优势也比较明显, 受k值变化影响幅度没有其他方法那么明显.
(3) 相邻区域迭代式扩展模式
当查询请求中k值较小时, 尤其是在查询1NN时, 基于相邻区域迭代式搜索模式的方法效率最高; 当k值较大时, 这一方法要迭代访问当前查询区域的所有相邻区域, 冗余计算比较大, 查询效率降低.基于Dijkstra式搜索模式的查询方法随着k值的增大, 性能也会明显降低; 而基于启发式搜索模式的方法比较占优势, 随着k值增大, 性能降低较慢.
综上所述, 基于Dijkstra式搜索模式的查询方法一般适用路网规模适中而对象分布密度较高的路网环境; 而基于启发式搜索模式的方法一般适用于密度较低的较大规模的网络; 基于相邻区域迭代式搜索模式的查询方法则适用于网规模不大的网络中k值较小的NN查询处理, 尤其是1NN查询效果最佳.
当然, 各种算法的适应性也受其采用的索引结构的限制.有的索引结构(例如SILC和基于网络Voronoi图的索引结构), 在路网规模或者对象点数目较大的网络中, 创建索引所用时间以及索引所占用的空间是内存算法无法适应的.
3 路网环境下的最近邻查询技术的扩展随着基于位置服务的广泛应用, 用户不断提出各种复杂多样的位置查询请求.为了满足用户个性化的查询需求, 最近邻的变体查询研究也取得了许多成果, 其中包括连续最近邻(continuous nearest neighbor, 简称CNN)查询、聚集最近邻(aggregate nearest neighbor, 简称ANN)查询等技术的研究.这些技术主要是结合最近邻变体查询的特征, 在已有的最近邻查询方法的基础上进行改进的.
3.1 连续最近邻查询技术随着时间的变化, 移动数据对象的空间位置也发生了改变, 比一般的空间数据对象更复杂.连续最近邻(continuous nearest neighbor, 简称CNN)查询面临的挑战就是:如何减少随着查询对象的移动而带来的重复计算.目前, 解决这一问题的方法大体可以分为两种情况:静态对象的CNN查询技术和移动对象的CNN查询技术.
(1) 静态对象的连续最近邻查询技术
给定起点是s、终点是e的路径path, 若查询点q在该路径上由s向e移动, 求解查询点q在确定路径上的所有最近邻对象.比如查找起点s到终点e最短路径中的最近加油站.这一问题最终转化为求解q位于每一个子路段[si, sj]内的最近邻查询问题.典型的处理方法就是根据查询条件计算出安全区域(或者是安全路段), 只有当移动对象离开或进入安全区域时才更新查询结果.从本质上讲, 就是求移动对象在指定路径中快照的最近邻, 相当于查找静态对象的连续最近邻.
文献[36]采用分治思想, 将待查询路径分为不含目标点的子路径, 利用子路径端点的kNN集与分割点的关系, 计算出该子路径上的目标分割点和内部分割点的位置, 最后合并各子路径的分割点集得到待查询路径的连续k最近邻居.文献[37, 38]中为了解决网络中的CNN查询问题, 提出了启发式的区域裁剪算法, 通过这一算法可以获得预计算的查询区域, 然后再基于查询区域计算查询路径上每个结点的NN.Shekhar等人[39, 40]也提出了4种解决路径上最近邻查询的方法, 其中一种方法是基于区域预计算的.即:预先计算出每个对象点支配的区域, 类似于Voronoi单元, 确定了查询点所在的区域, 就可以确定查询点当前的最近邻对象点.最后通过实验证明, 基于区域预计算的方法远远优于其他解决方法.但是预计算方法要依赖于路网中数据对象和查询点的分布情况, 并且还需要较大的额外存储空间.上述方法只能解决k=1的CNN查询问题, 无法解决CkNN查询问题.
Kolahdouzan等人[41, 42]提出了两种基于VN3的解决网络空间CkNN查询的处理方法:IE(intersection examination)和UBA(upper bound algorithm).这两种方法首先将路网划分为Voronoi单元, 在每个单元内, 最近邻对象点都是唯一确定的, 只要确定查询点当前所处的Voronoi单元, 就可以计算出它的最近邻对象.其中的UBA算法对IE算法进行了改进, 它仅在最近邻查询被需要时才计算, 减少了kNN的计算次数.Cho等人[32]提出的UNICONS处理方法也可以处理连续的最近邻查询, 实验验证:在解决CkNN查询时, UNICONS方法优于UBA查询处理方法.文献[43]提出了一种IIE算法解决CkNN查询问题, 该方法能够有效地确定安全区域的分隔点的位置及其相应的kNNs, 可以利用较少的静态查询产生连续查询的结果.
Li等人[44]改进了道路网络模型, 并在该模型基础上结合Dijkstra单源最短路径算法实现了CkNN的查询计算.Feng等人[45]提出了一种CkNN查询方法, 该方法只需要计算整条查询路线始末位置的kNN, 并且减小了算法使用的存储空间.Li等人[46]讨论了无线广播环境下路网中CkNN查询处理问题, 提出了一种基于Voronoi图的分布式索引结构NVD-DI, 基于这种索引结构, 提出了一种有效的CkNN查询处理算法.Shahabi等人[47, 48]提出了一种基于嵌入技术的方法来解决CkNN查询问题:利用欧式距离快速计算出任意两点间的最短路径距离范围, 以此作为上下界实现查询过程中的剪枝.文献[49-51]对文献[47, 48]的工作进行了一定的改进, 使上下界更加接近实际最短路径距离, 并且降低了存储开销.
(2) 移动对象的连续最近邻查询技术
基于移动对象的CNN查询技术的关键是监视移动对象的变化情况, 根据移动对象的当前位置和移动速度, 计算某一时间段的连续最近邻.
Jensen等人[52]探讨了一种通用的结构框架来解决移动对象在路网中的NN查询问题, 该结构框架包含了数据模型和抽象定义, 使用类似Dijkstra算法的思想来计算从查询点到目标对象间的最短距离, 进而完成CkNN的查询.
Mouratids等人[53]探讨了移动对象的CkNN监测问题, 给出了一种增量监测算法IMA(incremental monitoring algorithm).该算法在移动对象发生更新时, 从前面的时间戳结果中增量获得查询结果用来重复评估当前的查询, 使得重复查询产生的开销降低.但是位置更新的自然离散性使两个连续更新之间查询对象的kNN是未知的, 造成IMA算法在两个连续更新的时间戳之间无法返回有效结果.
Huang等人[54]提出了一种路网中移动对象CkNN的监测算法, 该算法大体上可分为剪枝阶段和提炼阶段两个部分.方法中, 由于剪枝策略中设置的剪枝距离过大, 不能有效地去除一些不合格的对象, 导致了提炼阶段的性能不佳.Demiryurek等人[55]提出ER-CkNN(Euclidian restriction based CkNN)查询处理方法, 用于解决移动查询对象在动态变化的移动空间网络数据中的CNN查询.Liao等人[56]给出了一种路网有向图模型, 并且引入单向网络距离度量和双向网络距离度量方式, 提出了单向网络扩展(UNE)算法和双向网络扩展(BNE)算法的CkNN查询处理方法.
Chen等人[57]提出了k-PNN(k-path nearest neighbor)问题, 就是已知用户的当前位置和用户的目标位置, 在当前位置到目标位置的最短路径上为用户提供满足其要求的最近邻对象列表, 因为用户的当前位置是随时变化的, 所以到目标位置的最短路径也是动态的.为了解决这一问题, 文献[57]中提出了一种包括查找、验证和监视等3个阶段的BNE(best-first network expansion)算法.
Li等人[58-60]研究了解决路网中移动对象的CkNN查询的方法, 处理速度不确定时移动对象的kNN查询问题.Shen等人[61]提出了V-Tree索引结构, 并基于这一索引结构处理路网上的移动对象的kNN查询.文献[61, 62]中, 利用V-Tree索引结构有效地降低了移动对象位置变化时索引更新的代价, 在查询时可以有效过滤掉无关的节点, 提高了移动对象的kNN查询性能, 是目前最为高效的移动对象kNN查询方法.
3.2 聚集最近邻查询技术聚集最近邻的定义是:已知一组数据点集合P和查询点集合Q, 从数据点集合P中查找到达查询点集合Q的聚集距离最小的点p.比如几个朋友位于不同的地方, 计划找一个到他们所在地方距离和最小的餐厅聚会. ANN查询的关键就是如何减少不必要的距离计算和聚集距离计算.目前, 主要的方法有利用欧式距离剪枝的改进的IER方法、利用平均距离作为剪枝下限的TA(the threshold algorithm)算法和基于Voronoi的迭代扩展方法.
Yiu等人[63]为了有效地解决ANN问题分别提出了IER(incremental Euclidean restriction)算法、改进的IER算法、TA算法和CE(concurrent expansion)算法.其中的IER算法是利用欧式距离进行剪枝, 利用改进的A*算法查找ANN对象点, 而TA算法和CE算法就是基于路网上的平均距离阈值作为剪枝条件, 直接扩展查询实现的, CE算法是对TA算法的改进.
文献[64]也在改进的IER框架基础上, 采用欧式距离作为剪枝策略, 提出了一种单源的多目标A*算法处理ANN查询问题, 并在验证阶段进行了改进.
Zhu等人[65, 66]提出利用Voronoi图的相邻性和预处理技术来解决ANN查询问题, 文中将查询分为查找阶段和剪枝阶段.在查找阶段, 分别从每个查询点开始寻找下一个最近邻目标对象, 直至某个目标对象被所有查询点都扩展到, 从而获得一个ANN候选集合; 剪枝阶段就是去除ANN候选集合中不可能为ANN结果的目标对象, 直到该候选集合中只有一个目标对象.文献[67]中又提出了一种基于Voronoi图的解决kANN问题的方法, 该方法首先通过R树索引查找出每一个查询点的1NN, 接着, 按照某种策略不断计算某个查询q的下一个最近邻, 然后检测这个最近邻对象点是否被所有的查询点扩展到:如果是, 那么它就是所求的1ANN; 如果不是, 那么更新它的当前聚集距离, 再继续查找其他查询点的下一个最近邻.依此类推, 最终可以找到所求的kANN对象点.
还有的学者研究了连续的ANN查询问题.Qin等人[68]提出了增量的BUA(bidirectional updating algorithm)算法解决连续ANN查询问题, 也就是从移动的数据点集中查找到多个查询点的聚合距离最小的top-k个数据点.Moumtidis等人[69]研究了动态路网中的ANN查询.文献[69]中提出了IMA算法和GMA算法, IMA算法存储最短路径扩展树并提出了affecting edges的概念, 通过对目标节点更新、查询点更新和边权值更新这3种情况分别讨论, 并分别提出了相应的处理方法.在GMA算法中提出了sequence的概念, 对处于同一sequence中的查询点利用IMA算法并行处理.
4 总结与展望本文对路网环境下的最近邻查询技术进行了分类, 从索引技术和查询方法两方面介绍了路网环境下的最近邻查询技术, 并从网络规模、k值的大小和对象分布密度3个因素探讨了最近邻查询技术之间的区别.目前的研究已经取得了阶段性的成果, 但是还存在值得进一步研究的问题.
(1) 路网动态更新.路网数据是动态变化的:一是路网中的节点、路段和兴趣点是动态变化的; 其次, 路网中道路的权值是动态变化的; 另外, 查询点和查询对象都可能是动态变化的.在上述情况下, 如何适应路网数据的动态更新、高效完成最近邻查询处理, 是路网环境下最近邻查询技术需要面临的重大挑战.
(2) 考虑用户的个性化查询.随着基于位置服务的广泛应用, 用户往往会有很多个性化的位置查询需求, 这些查询大多都是以最近邻查询为基础的, 比如带有时间约束或者包含关键字的最近邻查询问题.
(3) 可伸缩性.不同区域的路网规模不同、对象分布密度不同, 而且同一区域路网的规模和对象分布密度也在不断增长, 查询方法的可伸缩性就显得非常重要.目前, 最近邻技术可伸缩性还有待进一步提高.
(4) 实验评测.文献[25]对路网环境下的主流技术进行了实验比较, 但是评测还可以考虑更多的技术, 同时也需要考虑各种技术在路网更新的情况下的适应性.
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