metodos de acceso multidimensional-generalidades

7/27/2019 Metodos de Acceso Multidimensional-generalidades

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M u l t i d i m e n s i o n a l A c c e s s M e t h o d s

V o l k e r G a e d e a n d O l i v e r G u n t h e r

I n s t i t u t f u r W i r t s c h a f t s i n f o r m a t i k

H u m b o l d t - U n i v e r s i t a t z u B e r l i n

S p a n d a u e r S t r . 1

1 0 1 7 8 B e r l i n , G e r m a n y

f g a e d e , g u e n t h e r g @ w i w i . h u - b e r l i n . d e

A b s t r a c t

S e a r c h o p e r a t i o n s i n d a t a b a s e s r e q u i r e s o m e s p e c i a l s u p p o r t a t t h e p h y s i c a l

l e v e l . T h i s i s t r u e f o r c o n v e n t i o n a l d a t a b a s e s a s w e l l a s f o r s p a t i a l d a t a b a s e s , w h e r e

t y p i c a l s e a r c h o p e r a t i o n s i n c l u d e t h e p o i n t q u e r y n d a l l o b j e c t s t h a t c o n t a i n a

g i v e n s e a r c h p o i n t a n d t h e r e g i o n q u e r y n d a l l o b j e c t s t h a t o v e r l a p a g i v e n s e a r c h

r e g i o n . M o r e t h a n t e n y e a r s o f s p a t i a l d a t a b a s e r e s e a r c h h a v e r e s u l t e d i n a g r e a t

v a r i e t y o f m u l t i d i m e n s i o n a l a c c e s s m e t h o d s t o s u p p o r t s u c h o p e r a t i o n s . T h i s p a p e r

g i v e s a n o v e r v i e w o f t h a t w o r k . A f t e r a b r i e f s u r v e y o f s p a t i a l d a t a m a n a g e m e n t

i n g e n e r a l , w e r s t p r e s e n t t h e c l a s s o f p o i n t a c c e s s m e t h o d s , w h i c h a r e u s e d t o

s e a r c h s e t s o f p o i n t s i n t w o o r m o r e d i m e n s i o n s . T h e s e c o n d p a r t o f t h e p a p e r i s

d e v o t e d t o s p a t i a l a c c e s s m e t h o d s t o h a n d l e e x t e n d e d o b j e c t s , s u c h a s r e c t a n g l e s o r

p o l y h e d r a . W e c o n c l u d e w i t h a d i s c u s s i o n o f t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s

c o n c e r n i n g t h e r e l a t i v e p e r f o r m a n c e o f v a r i o u s a p p r o a c h e s .

K e y w o r d s : m u l t i d i m e n s i o n a l a c c e s s m e t h o d s , d a t a s t r u c t u r e s , s p a t i a l d a t a b a s e s

T h i s w o r k w a s p a r t i a l l y s u p p o r t e d b y t h e G e r m a n R e s e a r c h S o c i e t y D F G S F B 3 7 3 a n d b y t h e

E S P R I T W o r k i n g G r o u p C O N T E S S A 8 6 6 6 .

1


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C o n t e n t s

1 I n t r o d u c t i o n 4

2 O r g a n i z a t i o n o f S p a t i a l D a t a 6

2 . 1 W h a t I s S p e c i a l A b o u t S p a t i a l ? : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 6

2 . 2 D e n i t i o n s a n d Q u e r i e s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 8

3 B a s i c D a t a S t r u c t u r e s 1 2

3 . 1 O n e - D i m e n s i o n a l A c c e s s M e t h o d s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 2

3 . 1 . 1 L i n e a r H a s h i n g : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 3

3 . 1 . 2 E x t e n d i b l e H a s h i n g : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 3

3 . 1 . 3 T h e B - T r e e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 4

3 . 2 M a i n M e m o r y S t r u c t u r e s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 4

3 . 2 . 1 T h e K - D - T r e e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 4

3 . 2 . 2 T h e B S P - T r e e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 6

3 . 2 . 3 T h e B D - T r e e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 7

3 . 2 . 4 T h e Q u a d t r e e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 8

4 P o i n t A c c e s s M e t h o d s 2 0

4 . 1 M u l t i d i m e n s i o n a l H a s h i n g : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 1

4 . 1 . 1 T h e G r i d F i l e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 2

4 . 1 . 2 E X C E L L : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 4

4 . 1 . 3 T h e T w o - L e v e l G r i d F i l e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 4

4 . 1 . 4 T h e T w i n G r i d F i l e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 4

4 . 1 . 5 M u l t i d i m e n s i o n a l L i n e a r H a s h i n g : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 6

4 . 2 H i e r a r c h i c a l A c c e s s M e t h o d s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 7

4 . 2 . 1 T h e K - D - B - T r e e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 7

4 . 2 . 2 T h e L S D - T r e e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 8

4 . 2 . 3 T h e B u d d y T r e e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3 0

4 . 2 . 4 T h e B A N G F i l e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3 1

4 . 2 . 5 T h e h B - T r e e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3 2

4 . 2 . 6 T h e B V - T r e e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3 4

4 . 3 S p a c e - F i l l i n g C u r v e s f o r P o i n t D a t a : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3 6

5 S p a t i a l A c c e s s M e t h o d s 3 7

5 . 1 T r a n s f o r m a t i o n : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3 7

5 . 1 . 1 M a p p i n g t o H i g h e r - D i m e n s i o n a l S p a c e : : : : : : : : : : : : : : : 3 8

5 . 1 . 2 S p a c e - F i l l i n g C u r v e s f o r E x t e n d e d O b j e c t s : : : : : : : : : : : : 4 0

5 . 2 O v e r l a p p i n g R e g i o n s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4 2

5 . 2 . 1 T h e R - T r e e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4 3

5 . 2 . 2 T h e R

- T r e e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4 5

5 . 2 . 3 T h e P - T r e e o f J a g a d i s h : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4 6

5 . 2 . 4 T h e P - T r e e o f S c h i w i e t z : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4 7

5 . 2 . 5 T h e S K D - T r e e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4 8

5 . 2 . 6 T h e G B D - T r e e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4 9

2


3/77

5 . 2 . 7 P L O P - H a s h i n g : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5 1

5 . 3 C l i p p i n g : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5 1

5 . 3 . 1 T h e E x t e n d e d K - D - T r e e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5 3

5 . 3 . 2 T h e R

+

- T r e e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5 4

5 . 3 . 3 T h e C e l l T r e e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5 5

5 . 4 M u l t i p l e L a y e r s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5 6

5 . 4 . 1 T h e M u l t i - L a y e r G r i d F i l e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5 7

5 . 4 . 2 T h e R - F i l e : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5 8

6 C o m p a r a t i v e S t u d i e s 5 9

7 C o n c l u s i o n s 6 3

3


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1 I n t r o d u c t i o n

W i t h a n i n c r e a s i n g n u m b e r o f c o m p u t e r a p p l i c a t i o n s t h a t r e l y h e a v i l y o n m u l t i d i m e n -

s i o n a l d a t a , t h e d a t a b a s e c o m m u n i t y h a s r e c e n t l y d e v o t e d c o n s i d e r a b l e a t t e n t i o n t o

s p a t i a l d a t a m a n a g e m e n t . W h i l e t h e m a i n m o t i v a t i o n o r i g i n a t e d f r o m t h e g e o s c i e n c e s

a n d m e c h a n i c a l C A D , t h e r a n g e o f p o s s i b l e a p p l i c a t i o n s h a s e x p a n d e d t o a r e a s s u c h a s

r o b o t i c s , v i s u a l p e r c e p t i o n a n d a u t o n o m o u s n a v i g a t i o n , e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n , a n d

m e d i c a l i m a g i n g G u n t h e r a n d B u c h m a n n 1 9 9 0 .

J u s t a s b r o a d a s t h e r a n g e o f a p p l i c a t i o n s i s t h e r a n g e o f i n t e r p r e t a t i o n s g i v e n t o

t h e t e r m s p a t i a l d a t a m a n a g e m e n t . I n V L S I C A D a n d c a r t o g r a p h y , t h i s t e r m r e f e r s

t o a p p l i c a t i o n s t h a t r e l y m o s t l y o n t w o d i m e n s i o n a l o r l a y e r e d t w o d i m e n s i o n a l d a t a .

V L S I d a t a i s u s u a l l y r e p r e s e n t e d b y r e c t i l i n e a r p o l y l i n e s o r p o l y g o n s w h o s e e d g e s a r e

i s o - o r i e n t e d , i . e . , p a r a l l e l t o t h e c o o r d i n a t e a x e s . T y p i c a l o p e r a t i o n s i n c l u d e i n t e r s e c -

t i o n a n d g e o m e t r i c r o u t i n g S h e k h a r a n d L i u 1 9 9 5 . C a r t o g r a p h i c d a t a i s a l s o t w o

d i m e n s i o n a l w i t h p o i n t s , l i n e s , a n d r e g i o n s a s b a s i c p r i m i t i v e s . I n c o n t r a s t t o V L S I

C A D , h o w e v e r , t h e s h a p e s a r e o f t e n c h a r a c t e r i z e d b y e x t r e m e i r r e g u l a r i t i e s . C o m m o n

o p e r a t i o n s i n c l u d e s p a t i a l s e a r c h e s , m a p o v e r l a y , a s w e l l a s d i s t a n c e - r e l a t e d o p e r a t i o n s .

I n m e c h a n i c a l C A D , o n t h e o t h e r h a n d , d a t a o b j e c t s a r e u s u a l l y t h r e e d i m e n s i o n a l

s o l i d s . T h e y m a y b e r e p r e s e n t e d i n a v a r i e t y o f d a t a f o r m a t s , i n c l u d i n g c e l l d e c o m p o s i -

t i o n s c h e m e s , c o n s t r u c t i v e s o l i d g e o m e t r y C S G , a n d b o u n d a r y r e p r e s e n t a t i o n s K e m -

p e r a n d W a l l r a t h 1 9 8 7 . Y e t o t h e r a p p l i c a t i o n s e m p h a s i z e t h e p r o c e s s i n g o f u n a n a l y z e d

i m a g e s , s u c h a s X r a y s a n d s a t e l l i t e i m a g e r y , f r o m w h i c h f e a t u r e s a r e e x t r a c t e d . I n

t h o s e a r e a s , t h e t e r m s s p a t i a l d a t a b a s e a n d i m a g e d a t a b a s e a r e s o m e t i m e s e v e n u s e d

i n t e r c h a n g e a b l y .

S t r i c t l y s p e a k i n g , h o w e v e r , s p a t i a l d a t a b a s e s c o n t a i n m u l t i d i m e n s i o n a l d a t a w i t h

e x p l i c i t k n o w l e d g e a b o u t o b j e c t s , t h e i r e x t e n t , a n d t h e i r p o s i t i o n i n s p a c e . T h e o b j e c t s

a r e u s u a l l y r e p r e s e n t e d i n s o m e v e c t o r b a s e d f o r m a t , a n d t h e i r r e l a t i v e p o s i t i o n m a y

b e e x p l i c i t o r i m p l i c i t i . e . , d e r i v a b l e f r o m t h e i n t e r n a l r e p r e s e n t a t i o n o f t h e i r a b s o l u t e

p o s i t i o n s . I m a g e d a t a b a s e s , o n t h e o t h e r h a n d , o f t e n p l a c e l e s s e m p h a s i s o n d a t a

a n a l y s i s . T h e y p r o v i d e s t o r a g e a n d r e t r i e v a l f o r u n a n a l y z e d p i c t o r i a l d a t a , w h i c h i s

t y p i c a l l y r e p r e s e n t e d i n s o m e r a s t e r f o r m a t . T e c h n i q u e s d e v e l o p e d f o r t h e s t o r a g e a n d

m a n i p u l a t i o n o f i m a g e d a t a c a n b e a p p l i e d t o o t h e r m e d i a a s w e l l , s u c h a s i n f r a r e d

s e n s o r s i g n a l s o r s o u n d .

I n t h i s s u r v e y , w e a s s u m e t h a t t h e g o a l i s t o m a n i p u l a t e a n a l y z e d m u l t i d i m e n s i o n a l

d a t a , a n d t h a t u n a n a l y z e d i m a g e s a r e o n l y h a n d l e d a s t h e s o u r c e f r o m w h i c h s p a t i a l

d a t a c a n b e d e r i v e d . T h e c h a l l e n g e f o r t h e d e v e l o p e r s o f a s p a t i a l d a t a b a s e s y s t e m l i e s

n o t s o m u c h i n p r o v i d i n g y e t a n o t h e r c o l l e c t i o n o f s p e c i a l p u r p o s e d a t a s t r u c t u r e s . O n e

r a t h e r h a s t o n d a b s t r a c t i o n s a n d a r c h i t e c t u r e s t o i m p l e m e n t g e n e r i c s y s t e m s , i . e . , t o

b u i l d s y s t e m s w i t h g e n e r i c s p a t i a l d a t a m a n a g e m e n t c a p a b i l i t i e s t h a t c a n b e t a i l o r e d

t o t h e r e q u i r e m e n t s o f a p a r t i c u l a r a p p l i c a t i o n d o m a i n . I m p o r t a n t i s s u e s i n t h i s c o n -

t e x t i n c l u d e t h e h a n d l i n g o f s p a t i a l r e p r e s e n t a t i o n s a n d d a t a m o d e l s , m u l t i d i m e n s i o n a l

a c c e s s m e t h o d s , a s w e l l a s p i c t o r i a l o r s p a t i a l q u e r y l a n g u a g e s a n d t h e i r o p t i m i z a t i o n .

T h i s p a p e r i s a s u r v e y o f m u l t i d i m e n s i o n a l a c c e s s m e t h o d s t o s u p p o r t s e a r c h o p e r -

a t i o n s i n s p a t i a l d a t a b a s e s . F i g u r e 1 g i v e s a r s t o v e r v i e w o f t h e d i v e r s i t y o f e x i s t i n g

m u l t i d i m e n s i o n a l a c c e s s m e t h o d s . T h e g o a l o f t h i s p a p e r i s n o t t o d e s c r i b e a l l o f t h e s e

4


5/77

s t r u c t u r e s , b u t t o d i s c u s s t h e m o s t p r o m i n e n t o n e s , t o p r e s e n t p o s s i b l e t a x o n o m i e s ,

a n d t o e s t a b l i s h r e f e r e n c e s t o f u r t h e r l i t e r a t u r e .

S e v e r a l s h o r t e r s u r v e y s h a v e b e e n p u b l i s h e d p r e v i o u s l y i n v a r i o u s P h . D . t h e s e s O o i

1 9 9 0 ; K o l o v s o n 1 9 9 0 ; O o s t e r o m 1 9 9 0 ; S c h i w i e t z 1 9 9 3 . W i d m a y e r 1 9 9 1 g i v e s a n

o v e r v i e w o f w o r k p u b l i s h e d b e f o r e 1 9 9 1 . L i k e t h e t h e s i s b y S c h i w i e t z , h o w e v e r , h i s

s u r v e y i s o n l y a v a i l a b l e i n G e r m a n . S a m e t ' s b o o k s 1 9 8 9 , 1 9 9 0 p r e s e n t t h e s t a t e o f t h e

a r t u n t i l 1 9 8 9 . H o w e v e r , t h e y p r i m a r i l y c o v e r q u a d t r e e s a n d r e l a t e d d a t a s t r u c t u r e s .

L o m e t 1 9 9 1 d i s c u s s e s t h e e l d f r o m a s y s t e m s - o r i e n t e d p o i n t o f v i e w .

Nested Interpolation-

based Grid File

(Ouksel/Mayer 92)

Segment Indexes

(Kolovson/Stonebraker 91)

(Sellis et al. 87)

R+-Tree

(Henrich et al. 89)

R-File

MOLHPE

(Kriegel/Seeger 86)

(Fagin et al. 79)

Litwin 80)(Larson 80,

(Robinson 81)

K-D-B-Tree

Linear

Multi-Layer Grid File

(Six/Widmayer 88)

(Lin et al. 94)

(Blanken et al. 90)

Grid FileGeneral

(Freeston 87)

BANG File

Adaptive K-D-Tree

(Bentley 79)

(Fuchs et al. 80)

(Ouksel 85)Grid File

(Finkel/Bentley 74)

Region Quadtree

Z-Ordering

(Kriegel/Seeger 88)

PLOP-Hashing

Sphere Tree

(Oosterom 90)

Cell Tree With Oversize

(Kamel/Faloutsos 94)

Hilbert R-tree

Twin Grid File

(Hutflesz et al. 88b)

EXCELL

(Tamminen 82)

(Guttman 84)

.

Cell Tree

(Gunther 88)

(Beckmann et al. 90)

R*-Tree

Buddy Tree

(Seeger/Kriegel 90a)

Multi-Level Grid File

(Whang/Krishnamurthy 85)

K-D-Tree

(Bentley 75)

Point Quadtree

(Klinger 71)

Quantile Hashing

(Kriegel/Seeger 87)

R-Tree

TR*-Tree

Parallel R-tree

(Kamel/Faloutsos 92)

(Schiwietz 93)

TV-Tree

BV-Tree

(Freeston 95)

BD-Tree

hB-Tree

DOT

(Faloutsos/Rong 91)

(Roussopoulos et al. 85)

Hashing

(Bayer et al. 72)

B-Tree

Packed R-Tree

Two-Level Grid File

(Hinrichs 85)

Extended K-D-Tree

(Matsuyama et al. 84)

(Hutflesz et al. 88a)

Z-Hashing

SKD-Tree

(Ooi et al. 87)

GBD-Tree

(Ohsawa/Sakauchi 90)

(Schneider/Kriegel 91)

Extendible Hashing

(Orenstein/Merrett 84)

Space-Filling Curves

(Morton 66)

Interpolation-Based(Lomet/Salzberg 89)

hB-Tree

(Evangelidis et al. 95)

Grid File

(Nievergelt et al. 81)

(Hutflesz et al. 90)

KD2B-Tree

(Oosterom 90)

G-Tree

(Kumar 94a)

(Jagadish 90c)

Fieldtree

(Frank 83)

(Hutflesz et a. 91)

lz-hashing

X-tree

(Berchtold et al. 96)

P-Tree

P-Tree

BSP-Tree

LSD-Tree

(Ohsawa/Sakauchi 83)

Shelves (Gunther 91)

1966 71 75 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96

Filter Tree

(Sevcik/Koudas 96)

F i g u r e 1 : H i s t o r y o f M u l t i - D i m e n s i o n a l A c c e s s M e t h o d s F o l l o w i n g L u a n d O o i 1 9 9 3 .

T h e r e m a i n d e r o f t h e p a p e r i s o r g a n i z e d a s f o l l o w s . S e c t i o n 2 d i s c u s s e s s o m e b a s i c

p r o p e r t i e s o f s p a t i a l d a t a a n d t h e i r i m p l i c a t i o n s o n t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n

o f s p a t i a l d a t a b a s e s . S e c t i o n 3 g i v e s a n o v e r v i e w o f s o m e t r a d i t i o n a l d a t a s t r u c t u r e s

t h a t h a d a n i m p a c t o n t h e d e s i g n o f m u l t i d i m e n s i o n a l a c c e s s m e t h o d s . S e c t i o n s 4 a n d

5 f o r m t h e c o r e o f t h i s s u r v e y , p r e s e n t i n g a v a r i e t y o f p o i n t a c c e s s m e t h o d s P A M s

a n d s p a t i a l a c c e s s m e t h o d s S A M s , r e s p e c t i v e l y . S o m e r e m a r k s a b o u t t h e o r e t i c a l a n d

e x p e r i m e n t a l a n a l y s e s a r e c o n t a i n e d i n S e c t i o n 6 , a n d S e c t i o n 7 c o n c l u d e s t h e p a p e r .

5


6/77

2 O r g a n i z a t i o n o f S p a t i a l D a t a

2 . 1 W h a t I s S p e c i a l A b o u t S p a t i a l ?

T o o b t a i n a b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e r e q u i r e m e n t s i n s p a t i a l d a t a b a s e s y s t e m s , w e

r s t d i s c u s s s o m e b a s i c p r o p e r t i e s o f s p a t i a l d a t a . F i r s t , s p a t i a l d a t a h a s a c o m p l e x

s t r u c t u r e . A s p a t i a l d a t a o b j e c t m a y b e c o m p o s e d o f a s i n g l e p o i n t o r s e v e r a l t h o u s a n d s

o f p o l y g o n s , a r b i t r a r i l y d i s t r i b u t e d a c r o s s s p a c e . I t i s u s u a l l y n o t p o s s i b l e t o s t o r e

c o l l e c t i o n s o f s u c h o b j e c t s i n a s i n g l e r e l a t i o n a l t a b l e w i t h a x e d t u p l e s i z e . S e c o n d ,

s p a t i a l d a t a i s o f t e n d y n a m i c . I n s e r t i o n s a n d d e l e t i o n s a r e i n t e r l e a v e d w i t h u p d a t e s ,

a n d d a t a s t r u c t u r e s u s e d i n t h i s c o n t e x t h a v e t o s u p p o r t t h i s d y n a m i c b e h a v i o r w i t h o u t

d e t e r i o r a t i n g o v e r t i m e . T h i r d , s p a t i a l d a t a b a s e s t e n d t o b e l a r g e . G e o g r a p h i c m a p s ,

f o r e x a m p l e , t y p i c a l l y o c c u p y s e v e r a l g i g a b y t e s o f s t o r a g e . T h e i n t e g r a t i o n o f s e c o n d a r y

a n d t e r t i a r y m e m o r y i s t h e r e f o r e e s s e n t i a l f o r e c i e n t p r o c e s s i n g C h e n e t a l . 1 9 9 5 .

F o u r t h , t h e r e i s n o s t a n d a r d a l g e b r a d e n e d o n s p a t i a l d a t a , a l t h o u g h s e v e r a l p r o p o s a l s

h a v e b e e n m a d e i n t h e p a s t E g e n h o f e r 1 9 8 9 ; G u t i n g 1 9 8 9 ; S c h o l l a n d V o i s a r d 1 9 8 9 ;

G u t i n g a n d S c h n e i d e r 1 9 9 3 . T h i s m e a n s i n p a r t i c u l a r t h a t t h e r e i s n o s t a n d a r d i z e d

s e t o f b a s e o p e r a t o r s . T h e s e t o f o p e r a t o r s h e a v i l y d e p e n d s o n t h e g i v e n a p p l i c a t i o n

d o m a i n , a l t h o u g h s o m e o p e r a t o r s s u c h a s i n t e r s e c t i o n a r e m o r e c o m m o n t h a n o t h e r s .

F i f t h , m a n y s p a t i a l o p e r a t o r s a r e n o t c l o s e d . T h e i n t e r s e c t i o n o f t w o p o l y g o n s , f o r

e x a m p l e , m a y r e t u r n a n y n u m b e r o f s i n g l e p o i n t s , d a n g l i n g e d g e s , o r d i s j o i n t p o l y g o n s .

T h i s i s p a r t i c u l a r l y r e l e v a n t w h e n o p e r a t o r s a r e a p p l i e d c o n s e c u t i v e l y . S i x t h , a l t h o u g h

t h e c o m p u t a t i o n a l c o s t s v a r y a m o n g s p a t i a l d a t a b a s e o p e r a t o r s , t h e y a r e g e n e r a l l y m o r e

e x p e n s i v e t h a n s t a n d a r d r e l a t i o n a l o p e r a t o r s .

A n i m p o r t a n t c l a s s o f g e o m e t r i c o p e r a t o r s t h a t n e e d s s p e c i a l s u p p o r t a t t h e p h y s i c a l

l e v e l i s t h e c l a s s o f s p a t i a l s e a r c h o p e r a t o r s . R e t r i e v a l a n d u p d a t e o f s p a t i a l d a t a i s

u s u a l l y b a s e d n o t o n l y o n t h e v a l u e o f c e r t a i n a l p h a n u m e r i c a t t r i b u t e s , b u t a l s o o n

t h e s p a t i a l l o c a t i o n o f a d a t a o b j e c t . A r e t r i e v a l q u e r y o n a s p a t i a l d a t a b a s e o f t e n

r e q u i r e s t h e f a s t e x e c u t i o n o f a g e o m e t r i c s e a r c h o p e r a t i o n s u c h a s a p o i n t o r r e g i o n

q u e r y . B o t h o p e r a t i o n s r e q u i r e f a s t a c c e s s t o t h o s e d a t a o b j e c t s i n t h e d a t a b a s e t h a t

o c c u p y a g i v e n l o c a t i o n i n s p a c e .

T o s u p p o r t s u c h s e a r c h o p e r a t i o n s , o n e n e e d s s p e c i a l m u l t i d i m e n s i o n a l a c c e s s m e t h -

o d s . T h e m a i n p r o b l e m f o r t h e d e s i g n o f s u c h m e t h o d s , h o w e v e r , i s t h a t t h e r e e x i s t s n o

t o t a l o r d e r i n g a m o n g s p a t i a l o b j e c t s t h a t p r e s e r v e s s p a t i a l p r o x i m i t y . I n o t h e r w o r d s ,

t h e r e i s n o m a p p i n g f r o m t w o - o r h i g h e r - d i m e n s i o n a l s p a c e i n t o o n e - d i m e n s i o n a l s p a c e

s u c h t h a t a n y t w o o b j e c t s t h a t a r e s p a t i a l l y c l o s e i n t h e h i g h e r - d i m e n s i o n a l s p a c e a r e

a l s o c l o s e t o e a c h o t h e r i n t h e o n e - d i m e n s i o n a l s o r t e d s e q u e n c e .

T h i s m a k e s t h e d e s i g n o f e c i e n t a c c e s s m e t h o d s i n t h e s p a t i a l d o m a i n m u c h

m o r e d i c u l t t h a n i n t r a d i t i o n a l d a t a b a s e s , w h e r e a b r o a d r a n g e o f e c i e n t a n d w e l l -

u n d e r s t o o d a c c e s s m e t h o d s i s a v a i l a b l e . E x a m p l e s f o r s u c h o n e - d i m e n s i o n a l a c c e s s

m e t h o d s a l s o c a l l e d s i n g l e k e y s t r u c t u r e s , a l t h o u g h t h a t t e r m i s s o m e w h a t m i s l e a d i n g

i n c l u d e t h e B - T r e e B a y e r a n d M c C r e i g h t 1 9 7 2 a n d e x t e n d i b l e h a s h i n g F a g i n e t a l .

1 9 7 9 ; s e e S e c t i o n 3 . 1 f o r a b r i e f d i s c u s s i o n . A p o p u l a r a p p r o a c h i n m a n y c o m m e r c i a l

d a t a b a s e s y s t e m s t o h a n d l e m u l t i d i m e n s i o n a l s e a r c h q u e r i e s c o n s i s t s i n t h e c o n s e c u -

t i v e a p p l i c a t i o n o f s u c h s i n g l e k e y s t r u c t u r e s , o n e p e r d i m e n s i o n . U n f o r t u n a t e l y , t h i s

a p p r o a c h c a n b e v e r y i n e c i e n t K r i e g e l 1 9 8 4 . S i n c e e a c h i n d e x i s t r a v e r s e d i n d e p e n -

6


7/77

d e n t l y o f t h e o t h e r s , w e c a n n o t e x p l o i t t h e p o s s i b l y h i g h s e l e c t i v i t y i n o n e d i m e n s i o n

f o r n a r r o w i n g d o w n t h e s e a r c h i n t h e r e m a i n i n g d i m e n s i o n s . I n g e n e r a l , t h e r e i s n o e a s y

a n d o b v i o u s w a y t o e x t e n d s i n g l e k e y s t r u c t u r e s i n o r d e r t o h a n d l e m u l t i d i m e n s i o n a l

d a t a .

T h e r e i s a v a r i e t y o f r e q u i r e m e n t s t h a t m u l t i d i m e n s i o n a l a c c e s s m e t h o d s s h o u l d m e e t ,

b a s e d o n t h e p r o p e r t i e s o f s p a t i a l d a t a a n d t h e i r a p p l i c a t i o n s R o b i n s o n 1 9 8 1 ; L o m e t

a n d S a l z b e r g 1 9 8 9 ; N i e v e r g e l t 1 9 8 9 :

1 D y n a m i c s . A s d a t a o b j e c t s a r e i n s e r t e d a n d d e l e t e d f r o m t h e d a t a b a s e i n a n y

g i v e n o r d e r , a c c e s s m e t h o d s s h o u l d c o n t i n u o u s l y k e e p t r a c k o f t h e c h a n g e s .

2 S e c o n d a r y t e r t i a r y s t o r a g e m a n a g e m e n t . D e s p i t e g r o w i n g m a i n m e m o r i e s , i t i s

o f t e n n o t p o s s i b l e t o h o l d t h e c o m p l e t e d a t a b a s e i n m a i n m e m o r y . T h e r e f o r e ,

a c c e s s m e t h o d s n e e d t o i n t e g r a t e s e c o n d a r y a n d t e r t i a r y s t o r a g e i n a s e a m l e s s

m a n n e r .

3 B r o a d r a n g e o f s u p p o r t e d o p e r a t i o n s . A c c e s s m e t h o d s s h o u l d n o t s u p p o r t j u s t

o n e p a r t i c u l a r t y p e o f o p e r a t i o n s u c h a s r e t r i e v a l a t t h e e x p e n s e o f o t h e r t a s k s

s u c h a s d e l e t i o n .

4 I n d e p e n d e n c e o f t h e i n p u t d a t a a n d i n s e r t i o n s e q u e n c e . A c c e s s m e t h o d s s h o u l d

m a i n t a i n t h e i r e c i e n c y e v e n w h e n i n p u t d a t a i s h i g h l y s k e w e d o r t h e i n s e r t i o n

s e q u e n c e i s c h a n g e d . T h i s p o i n t i s e s p e c i a l l y i m p o r t a n t f o r d a t a t h a t i s d i s t r i b u t e d

d i e r e n t l y a l o n g t h e v a r i o u s d i m e n s i o n s .

5 S i m p l i c i t y . I n t r i c a t e a c c e s s m e t h o d s w i t h m a n y s p e c i a l c a s e s a r e o f t e n e r r o r -

p r o n e t o i m p l e m e n t a n d t h u s n o t s u c i e n t l y r o b u s t t o b e u s e d i n l a r g e - s c a l e

a p p l i c a t i o n s .

6 S c a l a b i l i t y . A c c e s s m e t h o d s s h o u l d a d a p t w e l l t o d a t a b a s e g r o w t h .

7 T i m e e c i e n c y . S p a t i a l s e a r c h e s s h o u l d b e f a s t . A m a j o r d e s i g n g o a l i s t o

m e e t t h e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f o n e - d i m e n s i o n a l B - t r e e s : F i r s t , a c c e s s

m e t h o d s s h o u l d g u a r a n t e e a l o g a r i t h m i c w o r s t - c a s e s e a r c h p e r f o r m a n c e f o r a l l

p o s s i b l e i n p u t d a t a d i s t r i b u t i o n s r e g a r d l e s s o f t h e i n s e r t i o n s e q u e n c e . S e c o n d ,

t h i s w o r s t - c a s e p e r f o r m a n c e s h o u l d h o l d f o r a n y c o m b i n a t i o n o f t h e d a t t r i b u t e s .

8 S p a c e e c i e n c y . A n i n d e x s h o u l d b e s m a l l i n s i z e c o m p a r e d w i t h t h e d a t a t o b e

a d d r e s s e d a n d t h e r e f o r e g u a r a n t e e a c e r t a i n s t o r a g e u t i l i z a t i o n .

9 C o n c u r r e n c y a n d r e c o v e r y . I n m o d e r n d a t a b a s e s w h e r e m u l t i p l e u s e r s c o n c u r -

r e n t l y u p d a t e , r e t r i e v e a n d i n s e r t d a t a , a c c e s s m e t h o d s s h o u l d p r o v i d e r o b u s t

t e c h n i q u e s f o r t r a n s a c t i o n m a n a g e m e n t w i t h o u t s i g n i c a n t p e r f o r m a n c e p e n a l -

t i e s .

1 0 M i n i m u m i m p a c t . T h e i n t e g r a t i o n o f a n a c c e s s m e t h o d i n t o a d a t a b a s e s y s t e m

s h o u l d h a v e m i n i m u m i m p a c t o n e x i s t i n g p a r t s o f t h e s y s t e m .

7


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2 . 2 D e n i t i o n s a n d Q u e r i e s

W e h a v e a l r e a d y i n t r o d u c e d t h e t e r m m u l t i d i m e n s i o n a l a c c e s s m e t h o d s t o d e n o t e t h e

l a r g e c l a s s o f a c c e s s m e t h o d s t h a t s u p p o r t s e a r c h e s i n s p a t i a l d a t a b a s e s a n d t h a t a r e t h e

s u b j e c t o f t h i s s u r v e y . W i t h i n t h i s c l a s s , w e d i s t i n g u i s h b e t w e e n p o i n t a c c e s s m e t h o d s

P A M s a n d s p a t i a l a c c e s s m e t h o d s S A M s . P o i n t a c c e s s m e t h o d s h a v e p r i m a r i l y b e e n

d e s i g n e d t o p e r f o r m s p a t i a l s e a r c h e s o n p o i n t d a t a b a s e s t h a t i s , d a t a b a s e s t h a t s t o r e

o n l y p o i n t s . T h e p o i n t s m a y b e e m b e d d e d i n t w o o r m o r e d i m e n s i o n s , b u t t h e y d o n o t

h a v e a s p a t i a l e x t e n s i o n . S p a t i a l a c c e s s m e t h o d s , o n t h e o t h e r h a n d , a r e a b l e t o m a n a g e

e x t e n d e d o b j e c t s , s u c h a s l i n e s , p o l y g o n s , o r e v e n h i g h e r - d i m e n s i o n a l p o l y h e d r a . I n t h e

l i t e r a t u r e , o n e o f t e n n d s t h e t e r m s p a t i a l a c c e s s m e t h o d r e f e r r i n g t o w h a t w e c a l l

m u l t i d i m e n s i o n a l a c c e s s m e t h o d . O t h e r t e r m s u s e d f o r t h i s p u r p o s e i n c l u d e s p a t i a l

i n d e x o r s p a t i a l i n d e x s t r u c t u r e

W e g e n e r a l l y a s s u m e t h a t t h e g i v e n o b j e c t s a r e e m b e d d e d i n d - d i m e n s i o n a l E u -

c l i d e a n s p a c e E

d

o r a s u i t a b l e s u b s p a c e t h e r e o f . I n t h i s p a p e r , t h i s s p a c e i s a l s o r e f e r r e d

t o a s u n i v e r s e o r o r i g i n a l s p a c e . A n y p o i n t o b j e c t s t o r e d i n a s p a t i a l d a t a b a s e h a s a

u n i q u e l o c a t i o n i n t h e u n i v e r s e , d e n e d b y i t s d c o o r d i n a t e s . U n l e s s t h e d i s t i n c t i o n i s

e s s e n t i a l , w e u s e t h e t e r m p o i n t b o t h f o r l o c a t i o n s i n s p a c e a n d f o r p o i n t o b j e c t s s t o r e d

i n t h e d a t a b a s e . N o t e , h o w e v e r , t h a t a n y p o i n t i n s p a c e c a n b e o c c u p i e d b y s e v e r a l

p o i n t o b j e c t s s t o r e d i n t h e d a t a b a s e .

A c o n v e x d d i m e n s i o n a l p o l y t o p e P i n E

d

i s d e n e d t o b e t h e i n t e r s e c t i o n o f s o m e

n i t e n u m b e r o f c l o s e d h a l f s p a c e s i n E

d

, s u c h t h a t t h e d i m e n s i o n o f t h e s m a l l e s t a n e

s u b s p a c e c o n t a i n i n g P i s d I f a 2 E

d

, f 0 g a n d c 2 E

1

t h e n t h e d , 1 d i m e n s i o n a l

s e t H a ; c = f x 2 E

d

: x a = c g d e n e s a h y p e r p l a n e i n E

d

. A h y p e r p l a n e H a ; c

d e n e s t w o c l o s e d h a l f s p a c e s , t h e p o s i t i v e h a l f s p a c e 1 H a ; c = f x 2 E

d

: x a c g ,

a n d t h e n e g a t i v e h a l f s p a c e , 1 H a ; c = f x 2 E

d

: x a c g . A h y p e r p l a n e H a ; c

s u p p o r t s a p o l y t o p e P i f H a ; c P 6= ; a n d P 1 H a ; c , i . e . , i f H a ; c e m b e d s

p a r t s o f P ' s b o u n d a r y . I f H a ; c i s a n y h y p e r p l a n e s u p p o r t i n g P t h e n P H a ; c i s a

f a c e o f P . T h e f a c e s o f d i m e n s i o n 1 a r e c a l l e d e d g e s ; t h o s e o f d i m e n s i o n 0 v e r t i c e s

B y f o r m i n g t h e u n i o n o f s o m e n i t e n u m b e r o f p o l y t o p e s Q

1

; : : : ; Q

n

, w e o b t a i n a d

d i m e n s i o n a l p o l y h e d r o n Q i n E

d

t h a t i s n o t n e c e s s a r i l y c o n v e x . F o l l o w i n g t h e i n t u i t i v e

u n d e r s t a n d i n g o f p o l y h e d r a , w e r e q u i r e t h a t t h e Q

i

i = 1 ; : : : ; n h a v e t o b e c o n n e c t e d .

N o t e t h a t t h i s s t i l l a l l o w s f o r p o l y h e d r a w i t h h o l e s . E a c h f a c e o f Q i s e i t h e r t h e f a c e o f

s o m e Q

i

, o r a f r a c t i o n t h e r e o f , o r t h e r e s u l t o f t h e i n t e r s e c t i o n o f t w o o r m o r e Q

i

. E a c h

p o l y h e d r o n P d i v i d e s t h e p o i n t s i n s p a c e i n t o t h r e e s u b s e t s t h a t a r e m u t u a l l y d i s j o i n t :

i t s i n t e r i o r , i t s b o u n d a r y , a n d i t s e x t e r i o r

F o l l o w i n g u s u a l c o n v e n t i o n s , w e u s e t h e t e r m s l i n e a n d p o l y l i n e t o d e n o t e a o n e -

d i m e n s i o n a l p o l y h e d r o n a n d t h e t e r m s p o l y g o n a n d r e g i o n t o d e n o t e a t w o - d i m e n s i o n a l

p o l y h e d r o n . W e f u r t h e r a s s u m e t h a t f o r e a c h k 0 k d , t h e s e t o f k - d i m e n s i o n a l

p o l y h e d r a f o r m s a d a t a t y p e , w h i c h l e a d s u s t o t h e c o m m o n c o l l e c t i o n o f s p a t i a l d a t a

t y p e s f P o i n t , L i n e , R e g i o n , . . . g . C o m b i n e d t y p e s s o m e t i m e s a l s o o c c u r . A n o b j e c t o i n a

s p a t i a l d a t a b a s e i s u s u a l l y d e n e d b y s e v e r a l n o n - s p a t i a l a t t r i b u t e s a n d o n e a t t r i b u t e o f

s o m e s p a t i a l d a t a t y p e . T h i s s p a t i a l a t t r i b u t e d e s c r i b e s t h e o b j e c t ' s s p a t i a l e x t e n t o G

I n t h e s p a t i a l d a t a b a s e l i t e r a t u r e , t h e t e r m s g e o m e t r y , s h a p e , a n d s p a t i a l e x t e n s i o n a r e

o f t e n u s e d i n s t e a d o f s p a t i a l e x t e n t . F o r t h e d e s c r i p t i o n o f o G o n e n d s t h e t e r m s s h a p e

8


9/77

d e s c r i p t o r , s h a p e d e s c r i p t i o n , s h a p e i n f o r m a t i o n , a n d g e o m e t r i c d e s c r i p t i o n , a m o n g

o t h e r s .

I n d i c e s o f t e n p e r f o r m m o r e e c i e n t l y w h e n h a n d l i n g s i m p l e e n t r i e s o f a b o u t e q u a l

s i z e . O n e t h e r e f o r e o f t e n a b s t r a c t s f r o m t h e a c t u a l s h a p e o f a s p a t i a l o b j e c t b e f o r e

i n s e r t i n g i t i n t o a n i n d e x . T h i s c a n b e a c h i e v e d b y a p p r o x i m a t i n g t h e o r i g i n a l d a t a

o b j e c t w i t h a s i m p l e r s h a p e , s u c h a s a b o u n d i n g b o x o r a s p h e r e . G i v e n t h e m i n i m u m

b o u n d i n g i n t e r v a l I

i

o = l

i

; u

i

l

i

; u

i

2 E

1

d e s c r i b i n g t h e e x t e n t o f t h e s p a t i a l o b j e c t

o a l o n g d i m e n s i o n i , t h e d - d i m e n s i o n a l m i n i m u m b o u n d i n g b o x M B B i s d e n e d b y

I

d

o = I

1

o I

2

o I

d

o

A n i n d e x m a y o n l y a d m i n i s t e r t h e M B B o f e a c h o b j e c t , t o g e t h e r w i t h a p o i n t e r

t o t h e o b j e c t ' s d a t a b a s e e n t r y t h e o b j e c t I D o r o b j e c t r e f e r e n c e . W i t h t h i s d e s i g n ,

t h e i n d e x o n l y p r o d u c e s a s e t o f c a n d i d a t e s o l u t i o n s F i g u r e 2 . F o r e a c h c a n d i d a t e

o b t a i n e d d u r i n g t h i s l t e r s t e p , w e h a v e t o d e c i d e w h e t h e r t h e M B B i s s u c i e n t t o

g u a r a n t e e t h a t t h e o b j e c t i t s e l f s a t i s e s t h e s e a r c h p r e d i c a t e . I n t h o s e c a s e s , t h e o b j e c t

c a n b e a d d e d d i r e c t l y t o t h e q u e r y r e s u l t d a s h e d l i n e . H o w e v e r , t h e r e a r e o f t e n c a s e s

w h e r e t h e M B B d o e s n o t p r o v e t o b e s u c i e n t . I n a r e n e m e n t s t e p w e t h e n h a v e t o

r e t r i e v e t h e e x a c t s h a p e i n f o r m a t i o n f r o m s e c o n d a r y m e m o r y a n d t e s t i t a g a i n s t t h e

p r e d i c a t e . I f t h e p r e d i c a t e e v a l u a t e s t o t r u e , t h e o b j e c t i s a d d e d t o t h e q u e r y r e s u l t ,

o t h e r w i s e w e h a v e a f a l s e d r o p

candidate set

hits

Query

query result

filter step refinement step

Spatial Index

load spatial extent

extenttest on spatial

false drops

F i g u r e 2 : M u l t i - S t e p S p a t i a l Q u e r y P r o c e s s i n g F o l l o w i n g B r i n k h o e t a l . 1 9 9 4

A n o t h e r w a y o f o b t a i n i n g s i m p l e i n d e x e n t r i e s i s t o r e p r e s e n t t h e s h a p e o f e a c h

d a t a o b j e c t a s t h e g e o m e t r i c u n i o n o f s i m p l e r s h a p e s s u c h a c o n v e x p o l y g o n s w i t h a

b o u n d e d n u m b e r o f v e r t i c e s . T h i s a p p r o a c h i s c a l l e d d e c o m p o s i t i o n

W e h a v e m e n t i o n e d t h e t e r m e c i e n c y s e v e r a l t i m e s s o f a r w i t h o u t g i v i n g a f o r m a l

d e n i t i o n . I n t h e c a s e o f s p a c e e c i e n c y , t h i s c a n e a s i l y b e d o n e : T h e g o a l i s t o m i n i m i z e

t h e n u m b e r o f b y t e s o c c u p i e d b y t h e i n d e x . F o r t i m e e c i e n c y t h e s i t u a t i o n i s n o t s o

c l e a r . E l a p s e d t i m e i s o b v i o u s l y w h a t t h e u s e r c a r e s a b o u t , b u t o n e s h o u l d k e e p i n

m i n d t h a t t h e c o r r e s p o n d i n g m e a s u r e m e n t s d e p e n d a l o t o n i m p l e m e n t a t i o n , h a r d w a r e

u t i l i z a t i o n , a n d o t h e r d e t a i l s . I n t h e l i t e r a t u r e , o n e t h e r e f o r e o f t e n n d s a s e e m i n g l y

9


10/77

m o r e o b j e c t i v e p e r f o r m a n c e m e a s u r e : t h e n u m b e r o f d i s k a c c e s s e s p e r f o r m e d d u r i n g

a s e a r c h . T h i s a p p r o a c h , w h i c h h a s b e c o m e p o p u l a r w i t h t h e B - t r e e , i s b a s e d o n t h e

a s s u m p t i o n t h a t m o s t s e a r c h e s a r e I O - b o u n d r a t h e r t h a n C P U - b o u n d a n a s s u m p t i o n

t h a t i s n o t a l w a y s t r u e i n s p a t i a l d a t a m a n a g e m e n t , h o w e v e r . I n a p p l i c a t i o n s w h e r e

o b j e c t s h a v e c o m p l e x s h a p e s , t h e r e n e m e n t s t e p c a n i n c u r m a j o r C P U c o s t s a n d

c h a n g e t h e b a l a n c e w i t h I O G a e d e 1 9 9 5 b ; H o e l a n d S a m e t 1 9 9 5 . O f c o u r s e , o n e

s h o u l d k e e p t h e m i n i m i z a t i o n o f t h e n u m b e r o f d i s k a c c e s s e s i n m i n d a s o n e d e s i g n

g o a l . P r a c t i c a l e v a l u a t i o n s , h o w e v e r , s h o u l d a l w a y s g i v e s o m e i n f o r m a t i o n o n e l a p s e d

t i m e s a n d t h e c o n d i t i o n s u n d e r w h i c h t h e y w e r e a c h i e v e d .

A s n o t e d a b o v e , i n c o n t r a s t t o r e l a t i o n a l d a t a b a s e s t h e r e e x i s t s n e i t h e r a s t a n d a r d

s p a t i a l a l g e b r a n o r a s t a n d a r d s p a t i a l q u e r y l a n g u a g e . T h e s e t o f o p e r a t o r s s t r o n g l y

d e p e n d s o n t h e g i v e n a p p l i c a t i o n d o m a i n , a l t h o u g h s o m e o p e r a t o r s s u c h a s i n t e r s e c -

t i o n a r e g e n e r a l l y m o r e c o m m o n t h a n o t h e r s . Q u e r i e s a r e o f t e n e x p r e s s e d b y s o m e

e x t e n s i o n o f S Q L t h a t a l l o w s a b s t r a c t d a t a t y p e s t o r e p r e s e n t s p a t i a l o b j e c t s a n d t h e i r

a s s o c i a t e d o p e r a t o r s R o u s s o p o u l o s a n d L e i f k e r 1 9 8 4 ; E g e n h o f e r 1 9 9 4 . T h e r e s u l t o f a

q u e r y i s u s u a l l y a s e t o f s p a t i a l d a t a o b j e c t s . I n t h e r e m a i n d e r o f t h i s s e c t i o n , w e g i v e a

f o r m a l d e n i t i o n o f s e v e r a l o f t h e m o r e c o m m o n s p a t i a l d a t a b a s e o p e r a t o r s . F i g u r e s 3

t h r o u g h 8 g i v e s o m e c o n c r e t e e x a m p l e s .

Q u e r y 1 E x a c t M a t c h Q u e r y E M Q , O b j e c t Q u e r y G i v e n a n o b j e c t o

0

w i t h

s p a t i a l e x t e n t o

0

G E

d

, n d a l l o b j e c t s o w i t h t h e s a m e s p a t i a l e x t e n t a s o

0

E M Q o

0

= f o o

0

G = o G g

Q u e r y 2 P o i n t Q u e r y P Q G i v e n a p o i n t p 2 E

d

, n d a l l o b j e c t s o o v e r l a p p i n g p

P Q p = f o p o G = p g

T h e p o i n t q u e r y c a n b e r e g a r d e d a s a s p e c i a l c a s e o f s e v e r a l o f t h e f o l l o w i n g q u e r i e s ,

s u c h a s t h e i n t e r s e c t i o n q u e r y , t h e w i n d o w q u e r y , o r t h e e n c l o s u r e q u e r y .

Q u e r y 3 W i n d o w Q u e r y W Q , R a n g e Q u e r y G i v e n a d - d i m e n s i o n a l i n t e r v a l

I

d

= l

1

; u

1

l

2

; u

2

l

d

; u

d

, n d a l l o b j e c t s o h a v i n g a t l e a s t o n e p o i n t i n

c o m m o n w i t h I

d

W Q I

d

= f o I

d

o G 6= ; g

T h e q u e r y i m p l i e s t h a t t h e w i n d o w i s i s o - o r i e n t e d , i . e . , i t s f a c e s a r e p a r a l l e l t o t h e

c o o r d i n a t e a x e s . A m o r e g e n e r a l v a r i a n t i s t h e r e g i o n q u e r y t h a t p e r m i t s s e a r c h r e g i o n s

t o h a v e a r b i t r a r y o r i e n t a t i o n s a n d s h a p e s :

Q u e r y 4 I n t e r s e c t i o n Q u e r y I Q , R e g i o n Q u e r y , O v e r l a p Q u e r y G i v e n a n

o b j e c t o

0

w i t h s p a t i a l e x t e n t o

0

G E

d

, n d a l l o b j e c t s o h a v i n g a t l e a s t o n e p o i n t i n

c o m m o n w i t h o

0

I Q o

0

= f o o

0

G o G 6= ; g

1 0


11/77

Q u e r y 5 E n c l o s u r e Q u e r y E Q G i v e n a n o b j e c t o

0


0

G E

d

,

n d a l l o b j e c t s o e n c l o s i n g o

0

E Q o

0

= f o o

0

G o G = o

0

G g

Q u e r y 6 C o n t a i n m e n t Q u e r y C Q G i v e n a n o b j e c t o

0


0

G

E

d

, n d a l l o b j e c t s o e n c l o s e d b y o

0

C Q o

0

= f o o

0

G o G = o G g

T h e e n c l o s u r e a n d t h e c o n t a i n m e n t q u e r y a r e s y m m e t r i c t o e a c h o t h e r . T h e y a r e b o t h

m o r e r e s t r i c t i v e f o r m u l a t i o n s o f t h e i n t e r s e c t i o n q u e r y b y s p e c i f y i n g t h e r e s u l t o f t h e

i n t e r s e c t i o n t o b e o n e o f t h e t w o i n p u t s .

Q u e r y 7 A d j a c e n c y Q u e r y A Q G i v e n a n o b j e c t o

0


0

G E

d

,

n d a l l o b j e c t s o a d j a c e n t t o o

0

A Q o

0

= f o o G o

0

G 6= ; o

0

G

o G

= ; g

H e r e , o

0

G

a n d o G

d e n o t e t h e i n t e r i o r s o f t h e s p a t i a l e x t e n t s o

0

G a n d o G , r e s p e c -

t i v e l y .

Q u e r y 8 N e a r e s t N e i g h b o r Q u e r y N N Q G i v e n a n o b j e c t o

0

w i t h s p a t i a l e x t e n t

o

0

G E

d

, n d a l l o b j e c t s o h a v i n g a m i n i m u m d i s t a n c e f r o m o

0

N N Q o

0

= f o 8 o

0 0

: d i s t o

0

: G ; o : G d i s t o

0

: G ; o

0 0

G g

D i s t a n c e b e t w e e n e x t e n d e d s p a t i a l d a t a o b j e c t s i s u s u a l l y d e n e d a s t h e d i s t a n c e b e -

t w e e n t h e i r c l o s e s t p o i n t s . C o m m o n d i s t a n c e f u n c t i o n s f o r p o i n t s i n c l u d e t h e E u c l i d e a n

a n d t h e M a n h a t t a n d i s t a n c e .

q

F i g u r e 3 : P o i n t Q u e r y

F i g u r e 4 : W i n d o w

Q u e r y

F i g u r e 5 : I n t e r s e c t i o n

Q u e r y

B e s i d e s s p a t i a l s e l e c t i o n s , a s e x e m p l i e d b y Q u e r i e s 1 t h r o u g h 8 , t h e s p a t i a l j o i n i s

o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t s p a t i a l o p e r a t i o n s a n d c a n b e d e n e d a s f o l l o w s G u n t h e r

1 9 9 3 :

1 1


12/77

F i g u r e 6 : E n c l o s u r e

Q u e r y

F i g u r e 7 : C o n t a i n m e n t

Q u e r y

F i g u r e 8 : A d j a c e n c y

Q u e r y

Q u e r y 9 S p a t i a l J o i n G i v e n t w o c o l l e c t i o n s R a n d S o f s p a t i a l o b j e c t s a n d a s p a t i a l

p r e d i c a t e , n d a l l p a i r s o f o b j e c t s o ; o

0

2 R S w h e r e o : G ; o

0

G e v a l u a t e s t o t r u e .

R 1

S = f o ; o

0

o 2 R o

0

2 S o : G ; o

0

G g

A s f o r t h e s p a t i a l p r e d i c a t e , a b r i e f s u r v e y o f t h e l i t e r a t u r e O r e n s t e i n 1 9 8 6 ;

B e c k e r 1 9 9 2 ; R o t e m 1 9 9 1 ; G u n t h e r 1 9 9 3 ; B r i n k h o , K r i e g e l , a n d S e e g e r 1 9 9 3 ; G a e d e

a n d R i e k e r t 1 9 9 4 ; B r i n k h o 1 9 9 4 ; L o a n d R a v i s h a n k a r 1 9 9 4 ; A r e f a n d S a m e t 1 9 9 4 ;

P a p a d i a s , T h e o d o r i d i s , S e l l i s , a n d E g e n h o f e r 1 9 9 5 y i e l d s a w i d e v a r i e t y o f p o s s i b i l i t i e s ,

i n c l u d i n g

i n t e r s e c t s

c o n t a i n s

i s e n c l o s e d b y

d i s t a n c e q , w i t h 2 f = ; ; ; ; g a n d q 2 E

1

n o r t h w e s t

a d j a c e n t

m e e t s

A c l o s e r i n s p e c t i o n o f t h e s e s p a t i a l p r e d i c a t e s s h o w s t h a t t h e i n t e r s e c t i o n j o i n

R 1

i n t e r s e c t s

S p l a y s a c r u c i a l r o l e f o r t h e c o m p u t a t i o n i n v i r t u a l l y a l l o f t h o s e c a s e s

G a e d e a n d R i e k e r t 1 9 9 4 . F o r p r e d i c a t e s s u c h a s c o n t a i n s , e n c l o s e s , o r a d j a c e n t , f o r

e x a m p l e , t h e i n t e r s e c t i o n j o i n i s a n e c i e n t l t e r t h a t y i e l d s a s e t o f c a n d i d a t e s o l u t i o n s

t y p i c a l l y m u c h s m a l l e r t h a n t h e C a r t e s i a n p r o d u c t R S

3 B a s i c D a t a S t r u c t u r e s

3 . 1 O n e - D i m e n s i o n a l A c c e s s M e t h o d s

C l a s s i c a l o n e - d i m e n s i o n a l a c c e s s m e t h o d s a r e a n i m p o r t a n t f o u n d a t i o n f o r a l m o s t a l l

m u l t i d i m e n s i o n a l a c c e s s m e t h o d s . A l t h o u g h t h e s u r v e y o n h a s h i n g f u n c t i o n s b y K n o t t

1 2


13/77

1 9 7 5 i s s o m e w h a t d a t e d , i t r e p r e s e n t s a g o o d c o v e r a g e o f t h e d i e r e n t a p p r o a c h e s . I n

p r a c t i c e , t h e m o s t c o m m o n o n e - d i m e n s i o n a l s t r u c t u r e s i n c l u d e l i n e a r h a s h i n g L i t w i n

1 9 8 0 ; L a r s o n 1 9 8 0 , e x t e n d i b l e h a s h i n g F a g i n e t a l . 1 9 7 9 , a n d t h e B - t r e e B a y e r

a n d M c C r e i g h t 1 9 7 2 ; C o m e r 1 9 7 9 . H i e r a r c h i c a l a c c e s s m e t h o d s s u c h a s t h e B - t r e e a r e

s c a l a b l e a n d b e h a v e w e l l i n t h e c a s e o f s k e w e d i n p u t ; t h e y a r e n e a r l y i n d e p e n d e n t o f t h e

d i s t r i b u t i o n o f t h e i n p u t d a t a . T h i s i s n o t n e c e s s a r i l y t r u e f o r h a s h i n g t e c h n i q u e s , w h o s e

p e r f o r m a n c e m a y d e g e n e r a t e d e p e n d i n g o n t h e g i v e n i n p u t d a t a a n d h a s h f u n c t i o n .

T h i s p r o b l e m i s a g g r a v a t e d b y t h e u s e o f o r d e r - p r e s e r v i n g h a s h f u n c t i o n s O r e n s t e i n

1 9 8 3 ; G a r g a n d G o t l i e b 1 9 8 6 t h a t t r y t o p r e s e r v e n e i g h b o r h o o d r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n

d a t a i t e m s , i n o r d e r t o s u p p o r t r a n g e q u e r i e s . A s a r e s u l t , h i g h l y s k e w e d d a t a k e e p s

a c c u m u l a t i n g a t a f e w s e l e c t e d l o c a t i o n s i n i m a g e s p a c e .

3 . 1 . 1 L i n e a r H a s h i n g L a r s o n 1 9 8 0 ; L i t w i n 1 9 8 0

L i n e a r h a s h i n g d i v i d e s t h e u n i v e r s e A ; B o f p o s s i b l e h a s h v a l u e s i n t o b i n a r y i n t e r v a l s

o f s i z e B , A = 2

k

o r B , A = 2

k + 1

f o r s o m e k 0 . E a c h i n t e r v a l c o r r e s p o n d s t o a

b u c k e t , i . e . , a c o l l e c t i o n o f r e c o r d s s t o r e d o n a d i s k p a g e . t 2 A ; B i s a p o i n t e r t h a t

s e p a r a t e s t h e s m a l l e r i n t e r v a l s f r o m t h e l a r g e r o n e s : a l l i n t e r v a l s o f s i z e B , A = 2

k

a r e

t o t h e l e f t o f t , a n d v i c e v e r s a . I f a b u c k e t r e a c h e s i t s c a p a c i t y d u e t o a n i n s e r t i o n , t h e

i n t e r v a l t ; t + B , A = 2

k

i s s p l i t i n t o t w o s u b i n t e r v a l s o f e q u a l s i z e , a n d t i s a d v a n c e d

t o t h e n e x t l a r g e i n t e r v a l r e m a i n i n g . N o t e t h a t t h e s p l i t i n t e r v a l d o e s n o t h a v e t o b e

t h e s a m e i n t e r v a l a s t h e o n e t h a t c a u s e d t h e s p l i t ; c o n s e q u e n t l y , t h e r e i s n o g u a r a n t e e

t h a t t h e s p l i t r e l i e v e s t h e b u c k e t i n q u e s t i o n f r o m i t s o v e r l o a d . I f a n i n t e r v a l c o n t a i n s

m o r e o b j e c t s t h a n b u c k e t c a p a c i t y p e r m i t s , t h e o v e r l o a d i s s t o r e d o n a n o v e r o w p a g e ,

w h i c h i s l i n k e d t o t h e o r i g i n a l p a g e . W h e n t = B , t h e l e h a s d o u b l e d a n d a l l i n t e r v a l s

h a v e t h e s a m e l e n g t h B , A = 2

k + 1

. I n t h i s c a s e w e r e s e t t h e p o i n t e r t t o A a n d r e s u m e

t h e s p l i t p r o c e d u r e f o r t h e s m a l l e r i n t e r v a l s .

3 . 1 . 2 E x t e n d i b l e H a s h i n g F a g i n e t a l . 1 9 7 9

A s l i n e a r h a s h i n g , e x t e n d i b l e h a s h i n g o r g a n i z e s t h e d a t a i n b i n a r y i n t e r v a l s , h e r e c a l l e d

c e l l s . O v e r o w p a g e s a r e a v o i d e d i n e x t e n d i b l e h a s h i n g b y u s i n g a c e n t r a l d i r e c t o r y

E a c h c e l l h a s a n i n d e x e n t r y i n t h a t d i r e c t o r y ; i t i n i t i a l l y c o r r e s p o n d s t o o n e b u c k e t .

I f d u r i n g a n i n s e r t i o n a b u c k e t a t m a x i m a l d e p t h e x c e e d s i t s m a x i m u m c a p a c i t y , a l l

c e l l s a r e s p l i t i n t o t w o . N e w i n d e x e n t r i e s a r e c r e a t e d a n d t h e d i r e c t o r y d o u b l e s i n s i z e .

S i n c e n o t e a c h b u c k e t w a s a t f u l l c a p a c i t y b e f o r e t h e s p l i t , i t m a y n o w b e p o s s i b l e t o

t m o r e t h a n o n e c e l l i n t h e s a m e b u c k e t . I n t h a t c a s e , a d j a c e n t c e l l s a r e r e g r o u p e d i n

d a t a r e g i o n s a n d s t o r e d o n t h e s a m e d i s k p a g e . I n t h e c a s e o f s k e w e d d a t a t h i s m a y

l e a d t o a s i t u a t i o n w h e r e n u m e r o u s d i r e c t o r y e n t r i e s e x i s t f o r t h e s a m e d a t a r e g i o n

a n d t h e r e f o r e t h e s a m e d i s k p a g e . E v e n i n t h e c a s e o f u n i f o r m l y d i s t r i b u t e d d a t a ,

t h e d i r e c t o r y g r o w t h m a y b e s u p e r l i n e a r F l a j o l e t 1 9 8 3 . E x a c t m a t c h s e a r c h e s t a k e

n o m o r e t h a n t w o p a g e a c c e s s e s : o n e f o r t h e d i r e c t o r y a n d o n e f o r t h e b u c k e t w i t h t h e

d a t a . T h i s i s m o r e t h a n t h e b e s t - c a s e p e r f o r m a n c e o f l i n e a r h a s h i n g , b u t b e t t e r t h a n

t h e w o r s t c a s e .

B e s i d e s t h e p o t e n t i a l l y p o o r s p a c e u t i l i z a t i o n o f t h e i n d e x , e x t e n d i b l e h a s h i n g a l s o

s u e r s f r o m a n o n - i n c r e m e n t a l g r o w t h o f t h e i n d e x d u e t o t h e d o u b l i n g s t e p s . T o a d d r e s s

1 3


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t h e s e p r o b l e m s , L o m e t 1 9 8 3 p r o p o s e d a t e c h n i q u e c a l l e d b o u n d e d i n d e x e x t e n d i b l e

h a s h i n g . I n t h i s p r o p o s a l , t h e i n d e x g r o w s a s i n e x t e n d i b l e h a s h i n g u n t i l i t s s i z e r e a c h e s

a p r e d e t e r m i n e d m a x i m u m , i . e . , t h e i n d e x s i z e i s b o u n d e d . O n c e t h i s l i m i t i s r e a c h e d

w h i l e i n s e r t i n g n e w i t e m s , b o u n d e d i n d e x e x t e n d i b l e h a s h i n g s t a r t s d o u b l i n g t h e d a t a

b u c k e t s i z e r a t h e r t h a n t h e i n d e x s i z e .

3 . 1 . 3 T h e B - T r e e B a y e r a n d M c C r e i g h t 1 9 7 2

O t h e r t h a n h a s h i n g s c h e m e s , t h e B - t r e e a n d i t s v a r i a n t s C o m e r 1 9 7 9 o r g a n i z e t h e

d a t a i n a h i e r a r c h i c a l m a n n e r . B - t r e e s a r e b a l a n c e d t r e e s t h a t c o r r e s p o n d t o a n e s t i n g

o f i n t e r v a l s . E a c h n o d e c o r r e s p o n d s t o a d i s k p a g e D a n d a n i n t e r v a l I . I f i s

a n i n t e r i o r n o d e t h e n t h e i n t e r v a l s I

i

c o r r e s p o n d i n g t o t h e i m m e d i a t e d e s c e n d a n t s

o f a r e m u t u a l l y d i s j o i n t s u b s e t s o f I . L e a f n o d e s c o n t a i n p o i n t e r s t o d a t a i t e m s ;

d e p e n d i n g o n t h e t y p e o f B - t r e e , i n t e r i o r n o d e s m a y d o s o a s w e l l . B t r e e s h a v e a n

u p p e r a n d l o w e r b o u n d f o r t h e n u m b e r o f d e s c e n d a n t s o f a n o d e . T h e l o w e r b o u n d

p r e v e n t s t h e d e g e n e r a t i o n o f t r e e s a n d l e a d s t o a n e c i e n t s t o r a g e u t i l i z a t i o n . N o d e s

w h o s e n u m b e r o f d e s c e n d a n t s d r o p s b e l o w t h e l o w e r b o u n d a r e d e l e t e d a n d i t s c o n t e n t i s

d i s t r i b u t e d a m o n g t h e a d j a c e n t n o d e s a t t h e s a m e t r e e l e v e l . T h e u p p e r b o u n d f o l l o w s

f r o m t h e f a c t t h a t e a c h t r e e n o d e c o r r e s p o n d s t o e x a c t l y o n e d i s k p a g e . I f d u r i n g a n

i n s e r t i o n a n o d e r e a c h e s i t s c a p a c i t y , i t i s s p l i t i n t o t w o . S p l i t s m a y p r o p a g a t e u p

t h e t r e e . A s t h e s i z e o f t h e i n t e r v a l s d e p e n d s o n t h e g i v e n d a t a a n d t h e i n s e r t i o n

s e q u e n c e , t h e B - t r e e i s a n a d a p t i v e d a t a s t r u c t u r e . F o r u n i f o r m l y d i s t r i b u t e d d a t a ,

h o w e v e r , e x t e n d i b l e a s w e l l a s l i n e a r h a s h i n g o u t p e r f o r m t h e B - t r e e o n t h e a v e r a g e f o r

e x a c t m a t c h q u e r i e s , i n s e r t i o n s a n d d e l e t i o n s .

3 . 2 M a i n M e m o r y S t r u c t u r e s

E a r l y m u l t i d i m e n s i o n a l a c c e s s m e t h o d s d i d n o t a c c o u n t f o r p a g e d s e c o n d a r y m e m o r y

a n d a r e t h e r e f o r e l e s s s u i t e d f o r l a r g e s p a t i a l d a t a b a s e s . I n t h i s s e c t i o n , w e r e v i e w

s e v e r a l o f t h e s e f u n d a m e n t a l d a t a s t r u c t u r e s , w h i c h a r e a d a p t e d a n d i n c o r p o r a t e d i n

n u m e r o u s m u l t i d i m e n s i o n a l a c c e s s m e t h o d s . T o i l l u s t r a t e t h e m e t h o d s , w e i n t r o d u c e

a s m a l l s c e n a r i o t h a t w e s h a l l u s e a s a r u n n i n g e x a m p l e t h r o u g h o u t t h i s s u r v e y . T h e

s c e n a r i o , d e p i c t e d i n F i g u r e 9 , c o n t a i n s t e n p o i n t s p i a n d t e n p o l y g o n s r i , r a n d o m l y

d i s t r i b u t e d i n a n i t e t w o - d i m e n s i o n a l u n i v e r s e . T o r e p r e s e n t p o l y g o n s , w e s h a l l o f t e n

u s e t h e i r c e n t r o i d s c i n o t p i c t u r e d o r t h e i r m i n i m u m b o u n d i n g b o x e s M B B s m i

N o t e t h a t t h e q u a l i t y o f t h e M B B a p p r o x i m a t i o n v a r i e s c o n s i d e r a b l y . T h e M B B m 8 ,

f o r e x a m p l e , p r o v i d e s a f a i r l y t i g h t t , w h e r e a s r 5 i s o n l y a b o u t h a l f a s l a r g e a s i t s

M B B m 5 .

3 . 2 . 1 T h e K - D - T r e e B e n t l e y 1 9 7 5 ; B e n t l e y 1 9 7 9

O n e o f t h e m o s t p r o m i n e n t d - d i m e n s i o n a l d a t a s t r u c t u r e s i s t h e k - d - t r e e . T h e k - d -

t r e e i s a b i n a r y s e a r c h t r e e t h a t r e p r e s e n t s a r e c u r s i v e s u b d i v i s i o n o f t h e u n i v e r s e i n t o

s u b s p a c e s b y m e a n s o f d , 1 - d i m e n s i o n a l h y p e r p l a n e s . T h e h y p e r p l a n e s a r e i s o -

o r i e n t e d , a n d t h e i r d i r e c t i o n a l t e r n a t e s b e t w e e n t h e d p o s s i b i l i t i e s . F o r d = 3 , f o r

e x a m p l e , s p l i t t i n g h y p e r p l a n e s a r e a l t e r n a t e l y p e r p e n d i c u l a r t o t h e x - , y - , a n d z - a x i s .

1 4


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c o n t a i n a d a t a p o i n t a n d t h e i r d i r e c t i o n s d o n o t h a v e t o b e s t r i c t l y a l t e r n a t i n g a n y m o r e .

A s a r e s u l t , t h e s p l i t p o i n t s a r e n o t p a r t o f t h e i n p u t d a t a ; a l l d a t a p o i n t s a r e s t o r e d

i n t h e l e a v e s . I n t e r i o r n o d e s c o n t a i n t h e d i m e n s i o n e . g . x o r y a n d t h e c o o r d i n a t e o f

t h e c o r r e s p o n d i n g s p l i t . S p l i t t i n g i s c o n t i n u e d r e c u r s i v e l y u n t i l e a c h s u b s p a c e c o n t a i n s

o n l y a c e r t a i n n u m b e r o f p o i n t s . T h e a d a p t i v e k - d - t r e e i s a r a t h e r s t a t i c s t r u c t u r e ; i t i s

o b v i o u s l y d i c u l t t o k e e p t h e t r e e b a l a n c e d i n t h e p r e s e n c e o f f r e q u e n t i n s e r t i o n s a n d

d e l e t i o n s . T h e s t r u c t u r e w o r k s b e s t i f a l l t h e d a t a i s k n o w n a p r i o r i a n d i f u p d a t e s a r e

r a r e . F i g u r e 1 1 s h o w s a n a d a p t i v e k - d - t r e e f o r t h e r u n n i n g e x a m p l e . N o t e t h a t t h e t r e e

s t i l l d e p e n d s o n t h e o r d e r o f i n s e r t i o n .

x2

p4

x8

y5

c10y8

y9c3 y4

c4

x6

c2p10

c5

p7

c9

c7

p2

c6

x7

y6

y2

c8y10

y3

p5

p6p3

x9x5x3 x1

y1

p1

c1

y7 p9p8

x4x1

y1

p6 c8

c9p8p5p4y10p3c2p10

c3 c4 x6 c1 p9 c10 p2 c5 x8 x9 c7 x7 c6 p7

y6y5y3y4y8y7y9p1

x3 x2 x5 x4

y2

F i g u r e 1 1 : A d a p t i v e K - D - T r e e

A n o t h e r v a r i a n t o f t h e k - d - t r e e i s t h e b i n t r e e T a m m i n e n 1 9 8 4 . T h i s s t r u c t u r e

p a r t i t i o n s t h e u n i v e r s e r e c u r s i v e l y i n t o d - d i m e n s i o n a l b o x e s o f e q u a l s i z e u n t i l e a c h o n e

c o n t a i n s o n l y a c e r t a i n n u m b e r o f p o i n t s . E v e n t h o u g h t h i s k i n d o f p a r t i t i o n i n g i s l e s s

a d a p t i v e , i t h a s s e v e r a l a d v a n t a g e s , s u c h a s t h e i m p l i c i t k n o w l e d g e o f t h e p a r t i t i o n i n g

h y p e r p l a n e s . I n t h e r e m a i n d e r o f t h i s p a p e r , w e s h a l l e n c o u n t e r s e v e r a l o t h e r s t r u c t u r e s

t h a t a r e b a s e d o n t h i s k i n d o f p a r t i t i o n i n g .

A d i s a d v a n t a g e c o m m o n t o a l l k - d - t r e e s i s t h a t f o r c e r t a i n d i s t r i b u t i o n s n o h y p e r -

p l a n e c a n b e f o u n d w h i c h s p l i t s t h e d a t a p o i n t s e v e n l y L o m e t a n d S a l z b e r g 1 9 8 9 . B y

i n t r o d u c i n g a m o r e e x i b l e p a r t i t i o n i n g s c h e m e , t h e B S P - t r e e p r e s e n t e d s u b s e q u e n t l y

a v o i d s t h i s p r o b l e m c o m p l e t e l y .

3 . 2 . 2 T h e B S P - T r e e F u c h s , K e d e m , a n d N a y l o r 1 9 8 0 ; F u c h s , A b r a m , a n d

G r a n t 1 9 8 3

S p l i t t i n g t h e u n i v e r s e o n l y a l o n g i s o - o r i e n t e d h y p e r p l a n e s i s a s e v e r e r e s t r i c t i o n i n t h e

s c h e m e s p r e s e n t e d s o f a r . A l l o w i n g a r b i t r a r y o r i e n t a t i o n s g i v e s m o r e e x i b i l i t y t o n d a

h y p e r p l a n e t h a t i s w e l l - s u i t e d f o r t h e s p l i t . A w e l l k n o w n e x a m p l e f o r s u c h a m e t h o d i s

t h e b i n a r y s p a c e p a r t i t i o n i n g B S P t r e e . L i k e k - d - t r e e s , B S P - t r e e s a r e b i n a r y t r e e s t h a t

r e p r e s e n t a r e c u r s i v e s u b d i v i s i o n o f t h e u n i v e r s e i n t o s u b s p a c e s b y m e a n s o f d , 1

d i m e n s i o n a l h y p e r p l a n e s . E a c h s u b s p a c e i s s u b d i v i d e d i n d e p e n d e n t l y o f i t s h i s t o r y

a n d o f t h e o t h e r s u b s p a c e s . T h e c h o i c e o f t h e p a r t i t i o n i n g h y p e r p l a n e s d e p e n d s o n

t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e d a t a o b j e c t s i n a g i v e n s u b s p a c e . T h e d e c o m p o s i t i o n u s u a l l y

c o n t i n u e s u n t i l t h e n u m b e r o f o b j e c t s i n e a c h s u b s p a c e i s b e l o w a g i v e n t h r e s h o l d .

1 6


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18/77

l i n e s , a n d b i t s a t e v e n p o s i t i o n s t o h o r i z o n t a l l i n e s , w h i c h e x p l a i n s w h y t h i s s c h e m e i s

o f t e n r e f e r r e d t o a s b i t i n t e r l e a v i n g

T o a v o i d t h e s t o r a g e u t i l i z a t i o n p r o b l e m s t h a t a r e o f t e n a s s o c i a t e d w i t h a s t r i c t l y

r e g u l a r p a r t i t i o n i n g , t h e B D - t r e e e m p l o y s a m o r e e x i b l e s p l i t t i n g p o l i c y . H e r e o n e c a n

s p l i t a n o d e b y c u t t i n g o u t a n i n t e r v a l - s h a p e d e x c i s i o n f r o m t h e c o r r e s p o n d i n g r e g i o n .

T h e t w o c h i l d n o d e s o f t h e n o d e t o b e s p l i t w i l l t h e n h a v e d i e r e n t i n t e r p r e t a t i o n s : o n e

r e p r e s e n t s t h e e x c i s i o n , t h e o t h e r o n e r e p r e s e n t s t h e r e m a i n d e r o f t h e o r i g i n a l r e g i o n .

N o t e t h a t t h e r e m a i n i n g r e g i o n i s n o l o n g e r i n t e r v a l - s h a p e d . W i t h t h i s p o l i c y , t h e B D -

t r e e c a n g u a r a n t e e t h a t , a f t e r n o d e s p l i t t i n g , e a c h o f t h e d a t a b u c k e t s c o n t a i n s a t l e a s t

o n e t h i r d o f t h e o r i g i n a l e n t r i e s .

F i g u r e 1 3 s h o w s a B D - t r e e f o r t h e r u n n i n g e x a m p l e . I n t h e c a s e o f a n e x c i s i o n , i t

i s a l w a y s r e p r e s e n t e d b y t h e l e f t c h i l d o f t h e n o d e t h a t w a s s p l i t .

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p8 c9 c7 p7 c6 p1 c4 c3 c510101

p5 p6 p4 p2 p3 c8

F i g u r e 1 3 : B D - T r e e

F o r e x a c t m a t c h w e r s t c o m p u t e t h e f u l l b i t - i n t e r l e a v e d p r e x o f t h e s e a r c h r e c o r d .

S t a r t i n g f r o m t h e r o o t , w e r e c u r s i v e l y c o m p a r e t h i s p r e x w i t h t h e s t o r e d D Z - e x p r e s s i o n s

o f e a c h i n t e r n a l n o d e . I f i t m a t c h e s , w e f o l l o w t h e c o r r e s p o n d i n g l i n k , o t h e r w i s e w e

f o l l o w t h e o t h e r l i n k u n t i l w e r e a c h t h e l e a f l e v e l o f t h e B D - t r e e .

O h s a w a a n d S a k a u c h i d o n o t d e s c r i b e h o w t h e d i r e c t o r y s h o u l d b e m a i n t a i n e d o n

d i s k . T h i s w a s d o n e l a t e r b y D a n d a m u d i a n d S o r e n s o n 1 9 8 6 , 1 9 9 1 , w h o a l s o p r e s e n t e d

s e v e r a l o t h e r p r o p o s a l s f o r i m p r o v i n g B D - t r e e p e r f o r m a n c e .

3 . 2 . 4 T h e Q u a d t r e e

T h e q u a d t r e e w i t h i t s m a n y v a r i a n t s i s a c l o s e r e l a t i v e o f t h e k - d - t r e e . F o r a n e x t e n -

s i v e d i s c u s s i o n o f t h i s s t r u c t u r e , s e e S a m e t 1 9 8 4 ; S a m e t 1 9 8 9 ; S a m e t 1 9 9 0 . W h i l e

t h e t e r m q u a d t r e e u s u a l l y r e f e r s t o t h e t w o - d i m e n s i o n a l v a r i a n t , t h e b a s i c i d e a a p p l i e s

t o a r b i t r a r y d . L i k e t h e k - d - t r e e , t h e q u a d t r e e d e c o m p o s e s t h e u n i v e r s e b y m e a n s o f

i s o - o r i e n t e d h y p e r p l a n e s . A n i m p o r t a n t d i e r e n c e , h o w e v e r , i s t h e f a c t t h a t q u a d t r e e s

a r e n o t b i n a r y t r e e s a n y m o r e . I n d d i m e n s i o n s , t h e i n t e r i o r n o d e s o f a q u a d t r e e h a v e 2

d

d e s c e n d a n t s , e a c h c o r r e s p o n d i n g t o a n i n t e r v a l - s h a p e d p a r t i t i o n o f t h e g i v e n s u b s p a c e .

T h e s e p a r t i t i o n s d o n o t h a v e t o b e o f e q u a l s i z e , a l t h o u g h t h a t i s o f t e n t h e c a s e . F o r

d = 2 , f o r e x a m p l e , e a c h i n t e r i o r n o d e h a s f o u r d e s c e n d a n t s , e a c h c o r r e s p o n d i n g t o

a r e c t a n g l e . T h e s e r e c t a n g l e s a r e t y p i c a l l y r e f e r r e d t o a s t h e N W , N E , S W , a n d S E

q u a d r a n t s . T h e d e c o m p o s i t i o n i n t o s u b s p a c e s i s u s u a l l y c o n t i n u e d u n t i l t h e n u m b e r o f

1 8


19/77

o b j e c t s i n e a c h p a r t i t i o n i s b e l o w a g i v e n t h r e s h o l d . Q u a d t r e e s a r e t h e r e f o r e n o t n e c -

e s s a r i l y b a l a n c e d ; s u b t r e e s c o r r e s p o n d i n g t o d e n s e l y p o p u l a t e d r e g i o n s m a y b e d e e p e r

t h a n o t h e r s .

S e a r c h i n g i n a q u a d t r e e i s s i m i l a r t o s e a r c h i n g i n a n o r d i n a r y b i n a r y s e a r c h t r e e .

A t e a c h l e v e l , o n e h a s t o d e c i d e w h i c h o f t h e f o u r s u b t r e e s n e e d t o b e i n c l u d e d i n t h e

f u t u r e s e a r c h . I n t h e c a s e o f a p o i n t q u e r y , t y p i c a l l y o n l y o n e s u b t r e e q u a l i e s , w h e r e a s

f o r r a n g e q u e r i e s t h e r e a r e o f t e n s e v e r a l . W e r e p e a t t h i s s e a r c h s t e p r e c u r s i v e l y u n t i l

w e r e a c h t h e l e a v e s o f t h e t r e e .

F i n k e l a n d B e n t l e y 1 9 7 4 p r o p o s e d o n e o f t h e r s t v a r i a n t s : I t i s c a l l e d p o i n t

q u a d t r e e a n d i s e s s e n t i a l l y a m u l t i d i m e n s i o n a l b i n a r y s e a r c h t r e e . T h e p o i n t q u a d t r e e

i s c o n s t r u c t e d c o n s e c u t i v e l y b y i n s e r t i n g t h e d a t a p o i n t s o n e b y o n e . F o r e a c h p o i n t ,

w e r s t p e r f o r m a p o i n t s e a r c h . I f w e d o n o t n d t h e p o i n t i n t h e t r e e , w e i n s e r t i t i n t o

t h e l e a f n o d e w h e r e t h e s e a r c h h a s t e r m i n a t e d . T h e c o r r e s p o n d i n g p a r t i t i o n i s d i v i d e d

i n t o 2

d

s u b s p a c e s w i t h t h e n e w p o i n t a t t h e c e n t e r . T h e d e l e t i o n o f a p o i n t r e q u i r e s t h e

r e s t r u c t u r i n g o f t h e s u b t r e e b e l o w t h e c o r r e s p o n d i n g q u a d t r e e n o d e . A s i m p l e w a y t o

a c h i e v e t h i s i s t o r e i n s e r t a l l p o i n t s i n t o t h e s u b t r e e . F i g u r e 1 4 s h o w s a t w o - d i m e n s i o n a l

p o i n t q u a d t r e e f o r t h e r u n n i n g e x a m p l e .

c8

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c6

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p1 p5

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c1 c2 p8 c9 c4 p1 c5 p2 p4 p6 c6

p7p3c3p9

SESW

NE

c7

NW

F i g u r e 1 4 : P o i n t Q u a d t r e e

A n o t h e r p o p u l a r v a r i a n t i s t h e r e g i o n q u a d t r e e S a m e t 1 9 8 4 . R e g i o n q u a d t r e e s

a r e b a s e d o n a r e g u l a r d e c o m p o s i t i o n o f t h e u n i v e r s e , i . e . , t h e 2

d

s u b s p a c e s r e s u l t i n g

f r o m a p a r t i t i o n a r e a l w a y s o f e q u a l s i z e . T h i s g r e a t l y f a c i l i t a t e s s e a r c h e s . F o r t h e

r u n n i n g e x a m p l e , F i g u r e 1 5 s h o w s h o w r e g i o n q u a d t r e e s c a n b e u s e d t o r e p r e s e n t s e t s

o f p o i n t s . H e r e t h e t h r e s h o l d f o r t h e n u m b e r o f p o i n t s i n a n y g i v e n s u b s p a c e w a s s e t t o

o n e . I n m o r e c o m p l e x v e r s i o n s o f t h e r e g i o n q u a d t r e e , s u c h a s t h e P M q u a d t r e e S a m e t

a n d W e b b e r 1 9 8 5 , i t i s a l s o p o s s i b l e t o s t o r e p o l y g o n a l d a t a d i r e c t l y . P M q u a d t r e e s

d i v i d e t h e q u a d t r e e r e g i o n s a n d t h e d a t a o b j e c t s i n t h e m u n t i l t h e y c o n t a i n o n l y a

s m a l l n u m b e r o f p o l y g o n e d g e s o r v e r t i c e s . T h e s e e d g e s o r v e r t i c e s w h i c h t o g e t h e r

f o r m a n e x a c t d e s c r i p t i o n o f t h e d a t a o b j e c t s a r e t h e n a t t a c h e d t o t h e l e a v e s o f t h e

t r e e . A n o t h e r c l a s s o f q u a d t r e e s t r u c t u r e s h a s b e e n d e s i g n e d f o r t h e m a n a g e m e n t o f

c o l l e c t i o n s o f r e c t a n g l e s ; s e e S a m e t 1 9 8 8 f o r a s u r v e y .

1 9


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NE

SESW

NW

p10 p8 c7

F i g u r e 1 5 : R e g i o n Q u a d t r e e

4 P o i n t A c c e s s M e t h o d s

T h e m u l t i d i m e n s i o n a l d a t a s t r u c t u r e s p r e s e n t e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n d o n o t t a k e

s e c o n d a r y s t o r a g e m a n a g e m e n t i n t o a c c o u n t e x p l i c i t l y . T h e y h a v e o r i g i n a l l y b e e n d e -

s i g n e d f o r m a i n m e m o r y a p p l i c a t i o n s w h e r e a l l t h e d a t a i s a v a i l a b l e w i t h o u t a c c e s s i n g

t h e d i s k . D e s p i t e g r o w i n g m a i n m e m o r i e s , t h i s i s o f c o u r s e n o t a l w a y s t h e c a s e . I n m a n y

s p a t i a l d a t a b a s e a p p l i c a t i o n s , s u c h a s g e o g r a p h y , t h e a m o u n t o f d a t a t o b e m a n a g e d i s

n o t o r i o u s l y l a r g e . W h i l e o n e c a n c e r t a i n l y u s e m a i n m e m o r y s t r u c t u r e s f o r d a t a t h a t

r e s i d e s o n d i s k , t h e i r p e r f o r m a n c e w i l l o f t e n b e c o n s i d e r a b l y b e l o w t h e o p t i m u m b e -

c a u s e t h e r e i s n o c o n t r o l o v e r t h e w a y t h e o p e r a t i n g s y s t e m p e r f o r m s t h e d i s k a c c e s s e s .

T h e a c c e s s m e t h o d s p r e s e n t e d i n t h i s a n d t h e f o l l o w i n g s e c t i o n h a v e b e e n d e s i g n e d w i t h

s e c o n d a r y s t o r a g e m a n a g e m e n t i n m i n d . T h e i r o p e r a t i o n s a r e c l o s e l y c o o r d i n a t e d w i t h

t h e o p e r a t i n g s y s t e m t o e n s u r e t h a t o v e r a l l p e r f o r m a n c e i s o p t i m i z e d .

A s m e n t i o n e d b e f o r e , w e s h a l l r s t p r e s e n t a s e l e c t i o n o f p o i n t a c c e s s m e t h o d s

P A M s . U s u a l l y , t h e p o i n t s i n t h e d a t a b a s e a r e o r g a n i z e d i n a n u m b e r o f b u c k e t s , e a c h

o f w h i c h c o r r e s p o n d s t o a d i s k p a g e a n d t o s o m e s u b s p a c e o f t h e u n i v e r s e . T h e s u b -

s p a c e s o f t e n r e f e r r e d t o a s d a t a r e g i o n s , b u c k e t r e g i o n s o r s i m p l y r e g i o n s , e v e n t h o u g h

t h e i r d i m e n s i o n m a y b e g r e a t e r t h a n t w o n e e d n o t b e r e c t i l i n e a r , a l t h o u g h t h e y o f t e n

a r e . T h e b u c k e t s a r e a c c e s s e d b y m e a n s o f a s e a r c h t r e e o r s o m e d - d i m e n s i o n a l h a s h

f u n c t i o n .

T h e g r i d l e N i e v e r g e l t , H i n t e r b e r g e r , a n d S e v c i k 1 9 8 4 , f o r e x a m p l e , u s e s a d i -

r e c t o r y a n d a g r i d l i k e p a r t i t i o n o f t h e u n i v e r s e t o a n s w e r a n e x a c t m a t c h q u e r y w i t h

e x a c t l y t w o d i s k a c c e s s e s . F u r t h e r m o r e , t h e r e a r e m u l t i d i m e n s i o n a l h a s h i n g s c h e m e s

T a m m i n e n 1 9 8 2 ; K r i e g e l a n d S e e g e r 1 9 8 6 ; K r i e g e l a n d S e e g e r 1 9 8 8 , m u l t i l e v e l g r i d

l e s W h a n g a n d K r i s h n a m u r t h y 1 9 8 5 ; H u t e s z , S i x , a n d W i d m a y e r 1 9 8 8 b , a n d h a s h

t r e e s O u k s e l 1 9 8 5 ; O t o o 1 9 8 5 , w h i c h o r g a n i z e t h e d i r e c t o r y a s a t r e e s t r u c t u r e . T r e e

b a s e d a c c e s s m e t h o d s a r e u s u a l l y a g e n e r a l i z a t i o n o f t h e B t r e e t o h i g h e r d i m e n s i o n s ,

s u c h a s t h e k - d - B - t r e e R o b i n s o n 1 9 8 1 o r t h e h B - t r e e L o m e t a n d S a l z b e r g 1 9 8 9 .

I n t h e r e m a i n d e r o f t h i s s e c t i o n , w e r s t d i s c u s s t h e a p p r o a c h e s b a s e d o n h a s h -

i n g , t h e n c o n t i n u e w i t h h i e r a r c h i c a l t r e e - b a s e d a c c e s s m e t h o d s . T h i s c l a s s i c a t i o n i s

h a r d l y u n a m b i g u o u s , e s p e c i a l l y i n t h e p r e s e n c e o f a n i n c r e a s i n g n u m b e r o f h y b r i d a p -

2 0


21/77

p r o a c h e s t h a t a t t e m p t t o c o m b i n e t h e a d v a n t a g e s o f s e v e r a l d i e r e n t t e c h n i q u e s . O u r

a p p r o a c h r e s e m b l e s t h e c l a s s i c a t i o n o f S a m e t 1 9 9 0 w h o d i s t i n g u i s h e s b e t w e e n h i e r -

a r c h i c a l m e t h o d s p o i n t r e g i o n q u a d t r e e s , k - d - t r e e s , r a n g e t r e e s o n t h e o n e h a n d a n d

b u c k e t m e t h o d s g r i d l e , E X C E L L o n t h e o t h e r h a n d . H i s d i s c u s s i o n o f t h e f o r m e r

i s p r i m a r i l y i n t h e c o n t e x t o f m a i n m e m o r y a p p l i c a t i o n s . O u r p r e s e n t a t i o n f o c u s e s

t h r o u g h o u t o n s t r u c t u r e s t h a t t a k e s e c o n d a r y s t o r a g e m a n a g e m e n t i n t o a c c o u n t .

A n o t h e r i n t e r e s t i n g t a x o n o m y h a s b e e n p r o p o s e d b y S e e g e r a n d K r i e g e l 1 9 9 0 w h o

c l a s s i f y p o i n t a c c e s s m e t h o d s b y t h e p r o p e r t i e s o f t h e b u c k e t r e g i o n s T a b l e 1 . F i r s t ,

t h e y m a y b e p a i r w i s e d i s j o i n t o r t h e y m a y h a v e m u t u a l o v e r l a p s . S e c o n d , t h e y m a y

h a v e t h e s h a p e o f a n i n t e r v a l b o x o r b e o f s o m e a r b i t r a r y p o l y h e d r a l s h a p e . T h i r d ,

t h e y m a y c o v e r t h e c o m p l e t e u n i v e r s e o r j u s t t h o s e p a r t s t h a t c o n t a i n a n y d a t a o b j e c t s .

T h i s t a x o n o m y r e s u l t s i n e i g h t c l a s s e s , f o u r o f w h i c h a r e p o p u l a t e d b y e x i s t i n g a c c e s s

m e t h o d s .

p r o p e r t y

p o i n t a c c e s s m e t h o d

i n t e r v a l s c o m p l e t e d i s j o i n t

q u a d t r e e F i n k e l a n d B e n t l e y 1 9 7 4 ; S a m e t

1 9 8 4 , k d B t r e e R o b i n s o n 1 9 8 1 , E X -

C E L L T a m m i n e n 1 9 8 2 , i n t e r p o l a t i o n h a s h -

i n g B u r k h a r d 1 9 8 3 , m u l t i d i m e n s i o n a l e x -

t e n d i b l e h a s h i n g O t o o 1 9 8 4 , g r i d l e N i e v -

e r g e l t , H i n t e r b e r g e r , a n d S e v c i k 1 9 8 4 , b a l -

a n c e d m u l t i d i m e n s i o n a l t w o l e v e l g r i d l e H i n -

r i c h s 1 9 8 5 , i n t e r p o l a t i o n b a s e d g r i d l e O u k -

s e l 1 9 8 5 , e x t e n d i b l e h a s h t r e e O t o o 1 9 8 6 ,

M O L H P E K r i e g e l a n d S e e g e r 1 9 8 6 , P L O P -

h a s h i n g K r i e g e l a n d S e e g e r 1 9 8 8 , q u a n t i l e

h a s h i n g K r i e g e l a n d S e e g e r 1 9 8 9 , L S D - t r e e

H e n r i c h , S i x , a n d W i d m a y e r 1 9 8 9

t w i n g r i d l e H u t e s z , S i x , a n d W i d m a y e r

1 9 8 8 b

m u l t i l e v e l g r i d l e W h a n g a n d K r i s h n a m u r t h y

1 9 8 5 , b u d d y t r e e S e e g e r a n d K r i e g e l 1 9 9 0

B S P - t r e e F u c h s , K e d e m , a n d N a y l o r 1 9 8 0 ,

B D - t r e e O h s a w a a n d S a k a u c h i 1 9 8 3 , B A N G

l e F r e e s t o n 1 9 8 7 , h B t r e e L o m e t a n d

S a l z b e r g 1 9 8 9

T a b l e 1 : C l a s s i c a t i o n o f P A M s a c c o r d i n g t o S e e g e r a n d K r i e g e l 1 9 9 0

4 . 1 M u l t i d i m e n s i o n a l H a s h i n g

A l t h o u g h t h e r e i s n o t o t a l o r d e r f o r o b j e c t s i n t w o - a n d h i g h e r - d i m e n s i o n a l s p a c e t h a t

c o m p l e t e l y p r e s e r v e s s p a t i a l p r o x i m i t y , t h e r e h a v e b e e n n u m e r o u s a t t e m p t s t o c o n s t r u c t

2 1


22/77

h a s h i n g f u n c t i o n s t h a t p r e s e r v e p r o x i m i t y a t l e a s t t o s o m e e x t e n t . T h e g o a l o f a l l t h e s e

h e u r i s t i c s i s t h a t o b j e c t s t h a t a r e l o c a t e d c l o s e t o e a c h o t h e r i n o r i g i n a l s p a c e a r e

l i k e l y t o b e s t o r e d c l o s e t o g e t h e r o n t h e d i s k . T h i s c o u l d c o n t r i b u t e s u b s t a n t i a l l y t o

m i n i m i z i n g t h e n u m b e r o f d i s k a c c e s s e s p e r r a n g e q u e r y . W e b e g i n o u r p r e s e n t a t i o n

w i t h s e v e r a l s t r u c t u r e s b a s e d o n e x t e n d i b l e h a s h i n g . S t r u c t u r e s b a s e d o n l i n e a r h a s h i n g

a r e d i s c u s s e d i n S e c t i o n 4 . 1 . 5 . T h e d i s c u s s i o n o f t w o h y b r i d m e t h o d s , t h e B A N G l e

a n d t h e b u d d y t r e e , i s p o s t p o n e d u n t i l S e c t i o n 4 . 2 .

4 . 1 . 1 T h e G r i d F i l e N i e v e r g e l t , H i n t e r b e r g e r , a n d S e v c i k 1 9 8 1

A s a t y p i c a l r e p r e s e n t a t i v e f o r a n a c c e s s m e t h o d b a s e d o n h a s h i n g , w e w i l l r s t d i s -

c u s s t h e g r i d l e a n d s o m e o f i t s v a r i a n t s H i n r i c h s 1 9 8 5 ; O u k s e l 1 9 8 5 ; W h a n g a n d

K r i s h n a m u r t h y 1 9 8 5 ; S i x a n d W i d m a y e r 1 9 8 8 ; B l a n k e n e t a l . 1 9 9 0 . T h e g r i d l e

s u p e r i m p o s e s a d - d i m e n s i o n a l o r t h o g o n a l g r i d o n t h e u n i v e r s e . B e c a u s e t h e g r i d i s n o t

n e c e s s a r i l y r e g u l a r , t h e r e s u l t i n g c e l l s m a y b e o f d i e r e n t s h a p e s a n d s i z e s . A g r i d d i -

r e c t o r y a s s o c i a t e s o n e o r m o r e o f t h e s e c e l l s w i t h d a t a b u c k e t s , w h i c h a r e s t o r e d o n o n e

d i s k p a g e e a c h . E a c h c e l l i s a s s o c i a t e d w i t h o n e b u c k e t , b u t a b u c k e t m a y c o n t a i n s e v -

e r a l a d j a c e n t c e l l s . S i n c e t h e d i r e c t o r y m a y g r o w l a r g e , i t i s u s u a l l y k e p t o n s e c o n d a r y

s t o r a g e . T o g u a r a n t e e t h a t d a t a i t e m s a r e a l w a y s f o u n d w i t h n o m o r e t h a n t w o d i s k

a c c e s s e s f o r e x a c t m a t c h q u e r i e s , t h e g r i d i t s e l f i s k e p t i n m a i n m e m o r y , r e p r e s e n t e d b y

d o n e - d i m e n s i o n a l a r r a y s c a l l e d s c a l e s

F i g u r e 1 6 s h o w s a g r i d l e f o r t h e r u n n i n g e x a m p l e . W e a s s u m e b u c k e t c a p a c i t y

t o b e f o u r d a t a p o i n t s . T h e c e n t e r o f t h e g u r e s h o w s t h e d i r e c t o r y w i t h s c a l e s o n

t h e x - a n d y - a x e s . T h e d a t a p o i n t s a r e d i s p l a y e d i n t h e d i r e c t o r y f o r d e m o n s t r a t i o n

p u r p o s e s o n l y ; t h e y a r e n o t s t o r e d t h e r e o f c o u r s e . I n t h e l o w e r l e f t p a r t , f o u r c e l l s a r e

c o m b i n e d i n t o a s i n g l e b u c k e t , r e p r e s e n t e d b y f o u r p o i n t e r s t o a s i n g l e p a g e . T h e r e a r e

t h u s f o u r d i r e c t o r y e n t r i e s f o r t h e s a m e p a g e , w h i c h i l l u s t r a t e s a w e l l - k n o w n p r o b l e m

o f t h e g r i d l e : I t s u e r s f r o m a s u p e r l i n e a r g r o w t h o f t h e d i r e c t o r y e v e n f o r d a t a t h a t

i s u n i f o r m l y d i s t r i b u t e d R e g n i e r 1 9 8 5 ; W i d m a y e r 1 9 9 1 . T h e b u c k e t r e g i o n c o n t a i n i n g

t h e p o i n t c 5 c o u l d h a v e b e e n m e r g e d w i t h o n e o f t h e n e i g h b o r i n g b u c k e t s f o r b e t t e r

s t o r a g e u t i l i z a t i o n . C o m b i n i n g s u c h b u d d i e s m a y c a u s e p r o b l e m s l a t e r , h o w e v e r , w h e n

t r y i n g t o c o m b i n e b u c k e t s t h a t a r e u n d e r o c c u p i e d H i n r i c h s 1 9 8 5 ; S e e g e r a n d K r i e g e l

1 9 9 0 . T h i s i s a t r a d e o t h a t h a s t o b e s o l v e d d e p e n d i n g o n t h e p a r t i c u l a r a p p l i c a t i o n

a t h a n d .

T o a n s w e r a n e x a c t m a t c h q u e r y , o n e r s t u s e s t h e s c a l e s t o l o c a t e t h e c e l l c o n t a i n i n g

t h e s e a r c h p o i n t . I f t h e a p p r o p r i a t e g r i d c e l l i s n o t i n m a i n m e m o r y , o n e d i s k a c c e s s

i s n e c e s s a r y . T h e l o a d e d c e l l c o n t a i n s a r e f e r e n c e t o t h e p a g e w h e r e t o n d p o s s i b l y

m a t c h i n g d a t a . R e t r i e v i n g t h i s p a g e m a y r e q u i r e a n o t h e r d i s

metodos de acceso multidimensional-generalidades

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