四叉树空间索引原理及其实现

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四叉树空间索引原理及其实现

橘子红了呐 2017-11-11 20:40:00 浏览711
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转自原文 四叉树空间索引原理及其实现

四叉树索引的基本思想是将地理空间递归划分为不同层次的树结构。它将已知范围的空间等分成四个相等的子空间,如此递归下去,直至树的层次达到一定深度或者满足某种要求后停止分割。四叉树的结构比较简单,并且当空间数据对象分布比较均匀时,具有比较高的空间数据插入和查询效率,因此四叉树是GIS中常用的空间索引之一。常规四叉树的结构如图所示,地理空间对象都存储在叶子节点上,中间节点以及根节点不存储地理空间对象。

 

四叉树示意图

 

四叉树对于区域查询,效率比较高。但如果空间对象分布不均匀,随着地理空间对象的不断插入,四叉树的层次会不断地加深,将形成一棵严重不平衡的四叉树,那么每次查询的深度将大大的增多,从而导致查询效率的急剧下降。

 

本节将介绍一种改进的四叉树索引结构。四叉树结构是自顶向下逐步划分的一种树状的层次结构。传统的四叉树索引存在着以下几个缺点:

(1)空间实体只能存储在叶子节点中,中间节点以及根节点不能存储空间实体信息,随着空间对象的不断插入,最终会导致四叉树树的层次比较深,在进行空间数据窗口查询的时候效率会比较低下。

(2)同一个地理实体在四叉树的分裂过程中极有可能存储在多个节点中,这样就导致了索引存储空间的浪费。

(3)由于地理空间对象可能分布不均衡,这样会导致常规四叉树生成一棵极为不平衡的树,这样也会造成树结构的不平衡以及存储空间的浪费。

相应的改进方法,将地理实体信息存储在完全包含它的最小矩形节点中,不存储在它的父节点中,每个地理实体只在树中存储一次,避免存储空间的浪费。首先生成满四叉树,避免在地理实体插入时需要重新分配内存,加快插入的速度,最后将空的节点所占内存空间释放掉。改进后的四叉树结构如下图所示。四叉树的深度一般取经验值4-7之间为最佳。

 

图改进的四叉树结构

 

为了维护空间索引与对存储在文件或数据库中的空间数据的一致性,作者设计了如下的数据结构支持四叉树的操作。

(1)四分区域标识

分别定义了一个平面区域的四个子区域索引号,右上为第一象限0,左上为第二象限1,左下为第三象限2,右下为第四象限3。

typedef enum

{

      UR = 0,// UR第一象限

      UL = 1, // UL为第二象限

      LL = 2, // LL为第三象限

      LR = 3  // LR为第四象限

}QuadrantEnum;

(2)空间对象数据结构

空间对象数据结构是对地理空间对象的近似,在空间索引中,相当一部分都是采用MBR作为近似。

/*空间对象MBR信息*/

typedef struct SHPMBRInfo

{

      int nID;       //空间对象ID号

      MapRect Box;    //空间对象MBR范围坐标

}SHPMBRInfo;

nID是空间对象的标识号,Box是空间对象的最小外包矩形(MBR)。

(3)四叉树节点数据结构

四叉树节点是四叉树结构的主要组成部分,主要用于存储空间对象的标识号和MBR,也是四叉树算法操作的主要部分。

/*四叉树节点类型结构*/

typedef struct QuadNode

{

      MapRect            Box;                   //节点所代表的矩形区域

      int                nShpCount;        //节点所包含的所有空间对象个数

      SHPMBRInfo* pShapeObj;          //空间对象指针数组

      int         nChildCount;            //子节点个数

      QuadNode *children[4];             //指向节点的四个孩子

}QuadNode;

Box是代表四叉树对应区域的最小外包矩形,上一层的节点的最小外包矩形包含下一层最小外包矩形区域;nShpCount代表本节点包含的空间对象的个数;pShapeObj代表指向空间对象存储地址的首地址,同一个节点的空间对象在内存中连续存储;nChildCount代表节点拥有的子节点的数目;children是指向孩子节点指针的数组。

上述理论部分都都讲的差不多了,下面就贴上我的C语言实现版本代码。

头文件如下:

 View Code

源文件如下:

 View Code

 

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    本文转自wenglabs博客园博客,原文链接:http://www.cnblogs.com/arxive/p/8139002.html,如需转载请自行联系原作者

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