Cotutelle的论文巴黎第八大学-突尼斯大学由Besma Khalfi提供为了专业：计算机科学为SQL和NoSQL于2017年6月12日提交给评审团，评审团成员包括：Anne DOUCET女士法国巴黎第六大学大学教授Anne RUAS女士研究主任报告员法国IFSTTARAmel BORGI女士，人类发展报告员突尼斯埃尔马纳尔大学，突尼斯M. Cyril DE RUNZ高级讲师，HDR考官法国兰斯大学M. Herman AKDAG大学教授主任法国巴黎第八大学M. Sami FAIZ大学教授联合主任突尼斯拉马努巴大学谢谢你首先，我要感谢Anne RUAS女士和Amel BORGI女士同意审查我的工作，并成为本论文的报告员我还要感谢论文评审团的所有成员。我要感谢我的论文导师Sami FAIZ和Herman AKDAG对我的信任我也很感谢西里尔·德·伦茨我当然要感谢LTSIRS（突尼斯）和LIASD（法国）实验室的成员。J’ai une pensée toute particulière à mon cher époux Slim qui m’aencouragé et m’a soutenu durant ces années de我把这篇论文献给我的儿子杰德。我摘要今天考虑到地理数据的不完善性，特别是不精确性，增加了真正的复杂性随着以数据为中心的质量要求（准确性、完整性、及时性）的增加，对可理解信息的需求也在不断增加 从这个角度来看，我们感兴趣的是不精确地理数据库（IDDB）及其一致性。本论文提出了BDGI和一致性的建模和构建解决方案。正在考虑针对SQL和NoSQL DBMS的解决方案所提出的不精确地理数据的概念建模方法不能令人满意地满足现实世界的建模需要。 我们提出了用于BDGI设计的F-Perceptory方法的扩展版本。为了生成模型对象的一致定义并在关系系统中构建BDGI，我们提出了一组自动模型转换规则 基于这些规则，我们开发了一个过程，用于从概念模型生成PostgreSQL/PostGIS系统的物理模型。我们将这些解决方案作为一个名为FPMDSG的原型来实现。对于NoSQL系统，我们使用文档类型系统为了更好地理解不精确地理数据的结构，我们提出了一个称为模糊GeoJSON的逻辑模型 此外，这些系统缺乏数据一致性的相关性;我们提出了一种在MongoDB系统中进行一致存储的验证方法。所提出的解决方案作为由模糊GeoJSON模式和语义约束驱动的验证过程来实现。关键词：GIS，不完善，不精确，模糊地理数据，模糊数据建模，模糊数据库设计，数据一致性F-Perceptory方法，模糊GeoJSON模式。Besma Khalfi/计算机科学博士论文/2017年iii摘要今天，空间数据存储和集成研究是振兴数据质量研究的一个重要因素。考虑到地理数据的不完善性，特别是不精确性，增加了真正的复杂性。随着以数据为中心的质量要求（准确性、完整性、主题性）的增加，对一致信息的需求也在稳步增长。 从这个角度来看，我们对不精确地理数据库（IGDB）及其逻辑一致性感兴趣。本文提出了为SQL和NoSQL数据库系统构建一致的IGDB的解决方案所提出的精确地理数据建模的设计方法不能令人满意地满足现实世界的建模需求我们提出了一个扩展的F-感知方法的IGDB设计。为了生成模型对象的一致定义并将IGDB构建为关系系统，我们提出了一组模型自动转换规则。根据这些规则，我们开发了一个从PostgreSQL/PostGIS系统的概念模型生成物理模型的过程我们将这些解决方案作为一个名为FPMDSG的原型进行简化。对于NoSQL文档数据库，我们提出了一个称为模糊GeoJSON的逻辑模型，以更好地表达不精确地理数据的结构此外，这些系统缺乏数据一致性的相关性;因此，我们提出了一种在MongoDB系统中一致存储的验证方法所提出的解决方案作为基于模糊GeoJSON模式和语义约束的模式驱动管道来实现。关键词：GIS、缺陷、不精确、模糊地理数据、模糊数据建模、模糊数据库设计、数据一致性、空间数据库、NoSQL数据库、F感知方法、模糊GeoJSON模式。ivBesma Khalfi/计算机科学博士论文/2017年目录摘要三摘要四一般介绍1序言21背景32动机93目标和贡献124论文的组织14一、地理信息：一致性和质量171导言182地理信息的属性2.1空间192.2时间202.3语义学203GIS中的数据质量213.1术语213.1.1标称接地223.1.2内部质量233.1.3外部质量263.2质量管理273.2.1质量保证273.2.2质量控制283.3质量问题283.3.1模型的抽象293.3.2生产错误304BDG 31模型中不一致的来源4.1逻辑不一致324.1.1几何不一致性32V目录六Besma Khalfi/计算机科学博士论文/2017年4.1.2结构不一致。... ... ... ... ... ... ... ... ... ...334.1.3语义不一致。 . . . . . . . . . ...334.2其他不一致来源... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...344.2.1多基数不一致。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...344.2.2多层不一致性。 . . . . . . . . ...355跨模型的数据一致性。... ... ... ... ... ... ... ... ...5.1SQL系统中的一致性。 . . . . . . . . . . ...36385.1.1标准化。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...385.1.2完整性约束... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...395.1.3 ACID交易。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...5.2 NoSQL系统中的一致性。 . . . . . . . . ...39405.2.1无模式进近。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...405.2 CAP定理。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...425.2.3整个方案的一致性。 . . . . . . . ...436结论。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...43二 不精确地理数据的形式化框架1引言。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...... ...45462不完美、不精确和模糊。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...2.1不完美的类型学。 . . . . . . . . . . . . . ...46472.2缺陷的性质... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...492.3比较分析。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...503地理数据不准确。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...3.1空间不精确的示例... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...51513.1.1点几何。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...523.1.2 "直线"几何形状。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...533.1.3 "多边形"几何。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...3.2时间不准确性示例 . . . . . . . . . ...53553.2.1即时存在日期。... ... ... ... ... ... ...553.2.2延长存在期。... ... ... ... ... ... ... ...553.3语义不精确的示例... ... ... ... ... ... ... ... ... ...553.4空间关系不精确的示例... ... ... ... ...564不精确数据的理论表示。... ... ... ... ... ... ...4.1背景。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...5757目录七Besma Khalfi/计算机科学博士论文/2017年4.1.1边界不连续性。... ... ... ... ... ... ... ... ...574.1.2边境毕业。... ... ... ... ... ... ... ... ... ...594.2模糊集合论。 . . . . . . . . . . . . . ...614.2.1模糊集合。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...614.2.2 α-切割的概念... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...625不准确地理数据的表示。. . . ...645.1不明确的地理对象。 . . . . . . . . . . . . . . . ...64目录六Besma Khalfi/计算机科学博士论文/2017年5.2一致性约束666共谋68三、模糊地理691导言702数据的概念模型702.1模糊模型702.1.1ER70型号的扩展2.1.2对象模型的扩展722.1.3讨论742.2地理模型752.2.1MADS752.2.2感知772.2.3其他型号782.2.4讨论792.3模糊地理模型802.3.1MADS模糊802.3.2F-Perceptory802.3.3讨论823数据的逻辑模型833.1结构化模型833.1.1关系模型833.1.2对象模型853.1.3对象关系模型863.2弱结构模型883.2.1关键值模型883.2.288号文件3.2.390型色谱柱3.2.4图形模型903.2.5讨论914数据的物理模型924.1关系空间系统924.1.1甲骨文/甲骨文空间934.1.2MySQL/MySQL空间944.1.3PostgreSQL/PostGis944.2NoSQL94空间系统4.2.1Neo4J/Neo4J空间954.2.2CouchDB/GeoCouch954.2.3MongoDB/GeoJSON964.2.4讨论965第97章目录七Besma Khalfi/计算机科学博士论文/2017年IV模型的建模、构建和维护：对象关系系统的案例991简介1002模糊GIS：2.1基础1002.2基于F-Perceptory101的UML开发2.3限制1033扩展的F感知1043.1复合几何图形的建模1043.1.1可选模糊几何1053.1.2替代模糊几何1063.1.3多重模糊几何1073.1.4复杂模糊几何1083.1.4.1相似形式的组成. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 1093.1.4.2不同形式的组合. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 1093.2UML109中的导出3.2.1可选模糊几何1093.2.2替代模糊几何1103.2.3多重模糊几何1113.2.4复杂的模糊几何1123.2.4.1相似形式的组成. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 1123.2.4.2不同形式的组合. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 第一百一十二章4模型的一致性1144.1F-Perceptory配置文件1144.2模糊模型的限制规则1154.3模型的自动转换1165FPMDSG120原型6案例6.1创建模糊类1226.2生成UML125类图6.3关系图的生成1276.4生成SQL代码1276.5规范的生成1297结论130目录ixBesma Khalfi/计算机科学博士论文/2017年V建模、构建和维护模型：NoSQL1331导言1342背景和问题1342.1NoSQL系统文档1342.2问题1352.3目标和方法1363模糊GeoJSON1373.1一般结构1373.2简单模糊几何结构1403.2.1模糊点1413.2.2模糊多边形1423.2.3模糊线1433.2.4具有可选模糊几何图形的对象类1443.3复合模糊几何结构1453.3.1具有模糊替代几何图形的物件类别1463.3.2具有模糊多重几何图形的对象类3.3.3具有相同维数的复杂模糊几何的对象类3.3.4具有不同尺寸的复杂模糊几何形状的对象类3.4模糊地理数据库的结构1504语义约束1514.1一致的地理区域1514.2一致的模糊地理对象1514.3一致的模糊1525实验1545.1JSON155语法的验证5.2模糊GeoJSON语法的验证1565.3模糊语义的验证1576第158章第一次见面6.1边界的经典表示的限制1596.2NoSQL系统缺乏160人6.3当前问题核心的不准确性1617结论162结论和展望1651一般结论1662前景169出版物172目录xBesma Khalfi/计算机科学博士论文/2017年参考书目175表198表列表199一般介绍1序言在突尼斯大学（突尼斯）和巴黎8文森圣但尼大学（法国）的共同监督下，在本论文框架内开展的研究工作是自1990年成立以来，LTSIRS一直将自己定位为空间地球观测和领土空间分析领域研究和发展的他把地理信息学作为他的战略研究重点，重点是当前对环境保护和自然资源管理的关注。LTSIRS的研究主题主要与遥感和地理信息系统领域有关。在国家一级，LTSIRS开放了与突尼斯地理信息生产或使用有关的几个部门的地理信息学相关的由M.负责Sami FAIZ教授1，LTSIRS的GIS团队（我是其中的一员）开展研究活动，重点是地理数据库（GDB）和时空数据库2的设计、管理和丰富、决策过程中的GIS、地理数据的整合、GDB的丰富和资格认证最后一个主题是本文的核心LIASD 3的研究活动是多学科的，涉及广泛的计算机科学领域，如算法、编程、嵌入式系统、实时、机器人、语言、图像合成、模糊逻辑、游戏和人机交互。这些活动分为四个主轴，"嵌入式系统的信息学"、"元知识与决策"、"信息网络LIASD的研究人员，我是其中的一员，在M. Herman AKDAG4教授在不同领域做出了1. www.samifaiz.com/2. 时空数据是在空间和时间中定义的数据3. www.ai.univ-paris8.fr/4. www.ai.univ-paris8.fr/~akdag/1. 背景3Besma Khalfi/计算机科学博士论文/2017年例如数据挖掘、这是我们研究的应用领域在Sami FAIZ和Herman AKDAG我的研究工作还得到了Cyril de RUNZ5的支持，他是兰斯-香槟-阿登大学兰斯-沙隆-沙勒维尔IUTHDR的高级讲师，LIASD的准成员，目前是CNRS驻LIP 6（皮埃尔和玛丽·居里大学-巴黎6）的代表，他的研究主题之一是不完美时空信息的本论文是两个实验室 它是由在这两个单位进行的研究和获得的结果，特别是萨米FAIZ的工作，地理数据库的量化（Faiz，1996年; Faiz和Boursier，1997年; Faiz和krichen，2013年），赫尔曼Akdag的应用模糊集合论6的管理不完美的数据（Akdag和Bouchon，1988年; Blanchard等人，2011年）。2010年; Akdag等人。2014年）和Cyril de RUNZ关于不完全时空信息管理的最新进展（De Runz，2008年; De Runz et al. 2010年; Zayrit等人。（2015年）。这一定位是为了提出新的方法，以提高管理不完善数据的地理数据库的质量1背景从地理学7到地理信息学8，再到新地理学9的出现，地理信息的使用范围得到了极大的扩展。5. www.sites.google.com/site/cyrilderunz/6. 或者是模糊子集理论。7. 地理学是一门广泛的学科，围绕着地球空间的概念进行推理8. 地理信息学一词是由法国科学家伯纳德·杜比松在20世纪60年代末提出的。20世纪80年代初，它在魁北克被采用并具有充分的意义。它被魁北克法语办公室定义"以管理为目标的学科与以管理空间参考数据为目标的学科[.]（Bergeron，1992年）。我们也可以使用术语"地理信息科学9. 新地理学结合了制图和GIS的复杂技术，使用户和开发人员都能使用。她回顾了目录4Besma Khalfi/计算机科学博士论文/2017年涉及地理信息使用的研究和应用领域创造了自1980年代以来，信息技术已经离开了纯粹技术问题的商业堡垒，对与空间信息管理有关的问题特别感兴趣。计算机科学在地理领域的引入有力地证明了技术在掌握和认识空间的全球逻辑中的重要质量贡献。因此，地理信息学提供了一个操作框架：一套地理信息系统地理信息系统自1990年代以来，地理信息学的计算机化工具使领土和领土数据的管理成为可能，并产生了对空间的更综合的了解。它们在地理信息系统开发的框架内实现了多样化，从而在操作层面上展示了地理信息学的表达（Collet，2005年）。GIS的概念有许多定义 法国国家地理信息中心（CNIG）将其定义为"一个用于捕获、存储、验证、集成、操作、分析和可视化与地球空间相关的数据的系统。原则上，它包括本地化数据库和适当的应用软件。 GIS的主要功能之一是能够集成数据从不同的来源。联邦机构间数字制图协调委员会（FICCDC- 1988）概述了其不同的L’intérêt de l’apport des SIG dans tout le processus de traitement s’estaffirmé他们的主要职业是可视化（地图和平面图）。出现了新的关切，出现了决策支持的问题地理信息系统的可能性已被推动，以帮助决策者作出更好的决定，有关领土。因此，Didier（1990）将GIS定义为不同的计算机软件和硬件、数据格式、语言和资源可用于非专业人员在Web上创建和共享10. 制图学是一套1. 背景5Besma Khalfi/计算机科学博士论文/2017年它看起来像是在空间中定位的数据地理数据的质量为了促进其规划或管理决策，用户必须对该地区有一个全面的在这种情况下，处理过程在处理缺陷和错误方面遇到了很大的困难因此，随着人们对地理信息系统必须实现的目标或实现这些目标所需的工具的关注，对数据及其质量的关注也在不断演变。自从第一个真正的版本（GCMS 11、SYMAP 12）出现以来一般而言，GIS包括专用于地理参考要素管理的数据库管理系统（DBMS）以及适用于该领域的空间分析和可视化工具GIS中管理的信息是空间参考信息。它描述了地球表面上任何可定位的物体或现象，因此可以此信息必须满足多 因此，已经提出了科学方法（Morrison，1995; David和Fasquel，1997; Das-sonville等人，1997）。2002年），重点关注数据用户和数据生产者的数据质量问题。因此，质量可能一方面与数据是否适合用户需求有关，另一方面与地理数据是否符合生产商的规格有关自 20 世 纪 80 年 代 以 来 ， 各 种 思 想 和 工 作 都 集 中 在 质 量 问 题 上（Moellering，1987;Morrison，1995）。质量和质量控制随后在地理信息学领域得到进一步推动（Pornon，2015），目的是实现空间数据的标准化自从11. GCMS是加拿大的地理信息系统12. 霍华德·T的作品。Fisher（美国哈佛大学计算机图形和空间分析实验室目录6Besma Khalfi/计算机科学博士论文/2017年1992年EDIGEO13至ISO 14标准（ISO 19113：2002 15（ISO，2002 a）;ISO 19114：2003 16（ISO，2003））中的地理数据ISO 19138：200617（ISO，2006）; ISO 19115：2009;和ISO 19157：201318（ISO，2006）。2013年），提出了不同的标准和方法来地理数据的一致性一个连贯的空间图景随着以数据为中心的质量要求（准确性、完整性、及时性）的增加，对可理解信息的需求也在不断增加因此，在地理信息学中，注意力集中在逻辑一致性上，逻辑一致性可以定义为"数据在建模规则和系统固有规则下的内部一致性程度"。数据集产品规范（David和Fasquel，1997）。该组件特别关注编码数据集（几何特征、关系和语义属性）对数据完整性约束的满足程度这些约束在数据的概念图中定义，或从产品规范中导出（David和Fasquel，1997）。实际上，该定位测量数据库中收集的数据与所选数据模型的所有特征和定义的约束的一致程度从概念模型到数据库中的信息存储结构，信息的编码必须尽可能忠实。然而，在不同的模型（概念模型、逻辑模型和物理模型）之间保持一致性是很难实现的。13. EDIGEO：地理信息领域的计算机化数据交换14. ISO：国际标准化组织15. ISO 19113描述了与地理信息相关的质量原则16. ISO 19114描述了评估地理质量的程序17. ISO 19138为每个质量标准提供了质量测量18. ISO 19157将之前的三个ISO标准合并为19. 一个可理解的数据：答案与它所提供的定义是一致的
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