空间数据索引RTree（R树）完全解析及Java实现

第一部分 空间数据的背景介绍

空间数据的建模

基于实体的模型（基于对象）Entity-based models (or object based)

  • 0-dimensional objects : 一般使用点point来表示那些对于不需要使用到形状信息的实体。
  • 1-dimensional objects or linear objects: 用于表示一些路网的边，一般用于表示道路road。 (polyline)
  • 2-dimensional objects or surfacic objects: 用于表示有区域面积的实体。 (polygon)

常用的空间数据查询方式

  • 窗口查询：给定一个查询窗口（通常是一个矩形），返回与查询窗口相重叠的物体。



点查询：给定一个点，返回包含这个点的所有几何图形。

空间数据获取的方法

  • 通常，我们不选择去索引几何物体本身，而是采用最小限定箱MBB（minimum bounding box ) 作为不规则几何图形的key来构建空间索引。

    • 在二维的情况下，我们称之为最小限定矩形。MBR(minimum bounding retangle)
      

    • 三维的情况下，我们称最新限定箱MBB(minimum bounding box)
      

  • 通过索引操作对象的MBB来进行查询一共分为两步

    • Filtering: 过滤掉MBB不相交的数据集，剩下的MBB被索引到的称为一个数据的超集。
      

    • Refinement: 测试实际的几何形状会不会满足查询条件，精确化。
      

    • 如何用数据表示一个MBR

      通常，我们只需要两个点就可限定一个矩形，也就是矩形某个对角线的两个点就可以决定一个唯一的矩形。通常我们使用（左下，右上两个点表示）或者使用右上左下，都是可以的。

     　　　　　　

　　　　表示一个点的数据：

　　　　public class Point{ //用一个类来表示一个点
　　　　    public Float x;
　　　　    public Float y
　　　　}

　　　　表示一个MBR的数据


　　　　public class MBR{
　　　　    public Point BottomLeft;
　　　　    public Point TopRight;
　　　　}
  • 如何判断两个MBR是否相交？ >如果一个MBR的TopLeft或者BottomRight的（x，y）位于另一个MBR的xRange和yRangle里面，则说明这两个MBR相交。



R树

对于B/B+-Trees 由于它的线性特点，通常用来索引一维数据。（比它大的往一边走，比它小的往一边走，但只是在一个维度下进行比较）。
B树是一棵平衡树，它是把一维直线分为若干段线段，当我们查找满足某个要求的点的时候，只要去查找它所属的线段即可。这种思想其实就是先找一个大的空间，再逐步缩小所要查找的空间，最终在一个自己设定的最小不可分空间内找出满足要求的解。一个典型的B树查找如下：




要查找某一满足条件的点，先去找到满足条件的线段，然后遍历所在线段上的点，即可找到答案。B树是一种相对来说比较复杂的数据结构，尤其是在它的删除与插入操作过程中，因为它涉及到了叶子结点的分解与合并。

简介

B树是解决低纬度数据（通常一维，也就是一个数据维度上进行比较），R树很好的解决了这种高维空间搜索问题。它把B树的思想很好的扩展到了多维空间，采用了B树分割空间的思想（如果B树在一维的线段进行分割，R树就是在二维甚至多维度的空间），并在添加、删除操作时采用合并、分解结点的方法，保证树的平衡性。因此，R树就是一棵用来存储高维数据的平衡树。


我们说过，B树是采用切分线段来缩小数据查询范围的一种思想，我们又说了，R树是b树的多维版，以及R树也采用了B树的这一种分割的思想，那么，如果说线段的分割是一维的分割。那二维的分割就应该是区域的分割，而三维的就是几何空间的分割了。要注意的是R树并不只是二维空间数据的索引而已，它还可以索引三维甚至更高维。

一个三维的R树


此外R树还可以退化成一维，但是分割的线段存在重叠问题，效果不如Btree。


R树的数据结构

如上所述，R树是B树在高维空间的扩展，是一棵平衡树。每个R树的叶子结点包含了多个指向不同数据的指针，这些数据可以是存放在硬盘中的，也可以是存在内存中。

根据R树的这种数据结构，当我们需要进行一个高维空间查询时，我们只需要遍历少数几个叶子结点所包含的指针（即缩小到某个区域下去进行查询，还是采用缩小范围的思想），查看这些指针指向的数据是否满足要求即可。这种方式使我们不必遍历所有数据即可获得答案，效率显著提高。下图1是R树的一个简单实例：




解释一下这张图。

  • 首先我们假设所有数据都是二维空间下的几何形状，图中仅仅标志了R8，R9，R10区域中的数据，其他的叶子节点仅仅用MBB表示。为了实现R树结构，我们用一个最小边界矩形恰好框住这个不规则区域，这样，我们就构造出了一个区域：R8。R8的特点很明显，就是正正好好框住所有在此区域中的数据。其他实线包围住的区域，如R9，R10，R11等都是同样的道理。这样一来，我们一共得到了12个最最基本的最小矩形。这些矩形都将被存储在子结点中。
  • 下一步操作就是进行高一层次的处理。我们发现R8，R9，R10三个矩形距离最为靠近，因此就可以用一个更大的矩形R3恰好框住这3个矩形。
  • 同样道理，R15，R16被R6恰好框住，R11，R12被R4恰好框住，等等。所有最基本的最小边界矩形被框入更大的矩形中之后，再次迭代，用更大的框去框住这些矩形。

用地图的例子来解释，就是所有的数据都是餐厅所对应的地点，先把相邻的餐厅划分到同一块区域，划分好所有餐厅之后，再把邻近的区域划分到更大的区域，划分完毕后再次进行更高层次的划分，直到划分到只剩下两个最大的区域为止。要查找的时候就方便了。

下面就可以把这些大大小小的矩形存入我们的R树中去了。根结点存放的是两个最大的矩形，这两个最大的矩形框住了所有的剩余的矩形，当然也就框住了所有的数据。下一层的结点存放了次大的矩形，这些矩形缩小了范围。每个叶子结点都是存放的最小的矩形，这些矩形中可能包含有n个数据。

以餐厅为例，假设我要查询广州市天河区天河城附近一公里的所有餐厅地址怎么办？

  • 打开地图（也就是整个R树），先选择国内还是国外（也就是根结点）。
  • 然后选择华南地区（对应第一层结点），选择广州市（对应第二层结点），
  • 再选择天河区（对应第三层结点），
  • 最后选择天河城所在的那个区域（对应叶子结点，存放有最小矩形），遍历所有在此区域内的结点，看是否满足我们的要求即可。

R树的查找规则跟查地图很像吧？对应下图：



一个更具体的使用场景

假设我们有一个地图路网要进行道路的快速索引，那么我们可以将每一条路的最小MBB作为R树的数据单元来进行构建R树。


每一条路使用一个最小MBB来进行包裹，使它成为R树的叶子结点（也就是那些数据结点）


（这里采用的是R树的改进版本R*树）然后对于建立起来的R树在进行查找道路的使用就可以使用我们那种“缩小范围”的查找思想。从上往下一层一层查找。


一棵R树满足如下的性质：

  • 1. 除非它是根结点之外，所有叶子结点包含有m至M个记录索引（条目）。作为根结点的叶子结点所具有的记录个数可以少于m。通常，m=M/2。
  • 2. 对于所有在叶子中存储的记录（条目），I是最小的可以在空间中完全覆盖这些记录所代表的点的矩形（注意：此处所说的“矩形”是可以扩展到高维空间的）。
  • 3. 每一个非叶子结点拥有m至M个孩子结点，除非它是根结点。
  • 4. 对于在非叶子结点上的每一个条目，i是最小的可以在空间上完全覆盖这些条目所代表的点的矩形（同性质2）。
  • 5. 所有叶子结点都位于同一层，因此R树为平衡树。

结点的结构

先来探究一下叶子结点的结构。叶子结点所保存的数据形式为：(I, tuple-identifier)。

其中，tuple-identifier表示的是一个存放于数据库中的tuple，也就是一条记录，它是n维的。I是一个n维空间的矩形，并可以恰好框住这个叶子结点中所有记录代表的n维空间中的点。I=(I0,I1,…,In-1)。其结构如下图所示：



Rectangle代表可以包裹E1,E2,E3,E4.E5的最小限度框。


R树的操作

搜索

R树的搜索操作很简单，跟B树上的搜索十分相似。它返回的结果是所有符合查找信息的记录条目。而输入是什么？输入不仅仅是一个范围了，它更可以看成是一个空间中的矩形。也就是说，我们输入的是一个搜索矩形。
先给出伪代码：

Function：Search
描述：假设T为一棵R树的根结点，查找所有搜索矩形S覆盖的记录条目。

  • S1:[查找子树] 如果T是非叶子结点，如果T所对应的矩形与S有重合，那么检查所有T中存储的条目，对于所有这些条目，使用Search操作作用在每一个条目所指向的子树的根结点上（即T结点的孩子结点）。
  • S2:[查找叶子结点] 如果T是叶子结点，如果T所对应的矩形与S有重合，那么直接检查S所指向的所有记录条目。返回符合条件的记录。

我们通过下图来理解这个Search操作。



红色查询区域与P3子树P4子树相重叠，所以根据“缩小空间”的思想，只需要遍历P3和P4所在子树就行而无需遍历P1，P2.

插入

插入操作存在的情况

R树的插入操作也同B树的插入操作类似。当新的数据记录需要被添加入叶子结点时，若叶子结点溢出，那么我们需要对叶子结点进行分裂操作。显然，叶子结点的插入操作会比搜索操作要复杂。插入操作需要一些辅助方法才能够完成。
来看一下伪代码：

【Function：Insert】
描述：将新的记录条目E插入给定的R树中。

  • I1：[为新记录找到合适插入的叶子结点]开始ChooseLeaf方法选择叶子结点L以放置记录E。
  • I2：[添加新记录至叶子结点] 如果L有足够的空间来放置新的记录条目，则向L中添加E。如果没有足够的空间，则进行SplitNode方法以获得两个结点L与LL，这两个结点包含了所有原来叶子结点L中的条目与新条目E。
  • I3：[将变换向上传递] 开始对结点L进行AdjustTree操作，如果进行了分裂操作，那么同时需要对LL进行AdjustTree操作。
  • I4：[对树进行增高操作] 如果结点分裂，且该分裂向上传播导致了根结点的分裂，那么需要创建一个新的根结点，并且让它的两个孩子结点分别为原来那个根结点分裂后的两个结点。

 

【Function：ChooseLeaf】
描述：选择叶子结点以放置新条目E。
- CL1：[Initialize]设置N为根结点。
- CL2：[叶子结点的检查] 如果N为叶子结点，则直接返回N。
- CL3：[选择子树] 如果N不是叶子结点，则遍历N中的结点，找出添加E.I时扩张最小的结点，并把该结点定义为F。如果有多个这样的结点，那么选择面积最小的结点。
- CL4：[下降至叶子结点] 将N设为F，从CL2开始重复操作。

【Function：AdjustTree】
描述：叶子结点的改变向上传递至根结点以改变各个矩阵。在传递变换的过程中可能会产生结点的分裂。

  • AT1：[初始化] 将N设为L。
  • AT2：[检验是否完成] 如果N为根结点，则停止操作。
  • AT3：[调整父结点条目的最小边界矩形] 设P为N的父节点，EN为指向在父节点P中指向N的条目。调整EN.I以保证所有在N中的矩形都被恰好包围。
  • AT4：[向上传递结点分裂] 如果N有一个刚刚被分裂产生的结点NN，则创建一个指向NN的条目ENN。如果P有空间来存放ENN，则将ENN添加到P中。如果没有，则对P进行SplitNode操作以得到P和PP。
  • AT5：[升高至下一级] 如果N等于L且发生了分裂，则把NN置为PP。从AT2开始重复操作。

有足够的空间插入的情况，由于插入的x所在的区域P2的数据条目仍然有足够的空间容纳条目x，且x的区域面积即MBR也位于区域P2之内，所以这种情况下，我们认为x拥有足够的插入空间。



需要增大MBR的插入情况，由于插入的y所在的区域P2的数据条目仍然有足够的空间容纳条目y，但是y的区域面积即MBR并不完全位于P2的区域之内，因此我们在插入数据y后会导致P2区域的相应扩大。



需要进行分裂的插入情况，由于插入的w所在的区域P1的数据条目已经没有足够的空间容纳条目w，因为假设我们定义R树的阶m=4，而区域P1已经容纳了四个条目「A，B，C，K」了，插入w后孩子数为5，以及超过m=4了，所以要进行分类操作，来保证树的平衡性。



采用分裂算法（下面会进行介绍）对结点（或者说区域）P2进行合理地分裂。使其分裂成P1（包含A，B）和P5（包含k，w）两个结点。并且需要向上传递这种分裂。由于分裂之后原来根结点「P1，P2，P3，P4」变成了「P1，P2，P3，P，P5」，因此根结点的孩子数由4变成5，超过了阶数m=4.所以根结点要（采用我们的分裂算法）进行分裂，分裂成Q1（包含P1，P5，P2）和Q2（包含P3，P4）两个结点，由于此时分裂已经传递到根结点，所以生成新的根结点记录Q1，Q2。



如何合理地分裂到两个组



挑选种子有多个方法，这里Quadratic（二次方）方案，对于所有条目中的每一对E1和E2，计算可以包裹着E1，E2的最小限定框J=MBR(E1, E2) ，然后计算增量d= J-E1-E2.计算结束后选择d最大的一对（即增量最大）。（这里为什么要这样呢：之所以要挑选d最大的一对，是因为如果d较大，说明挑选出来的两对条目基于对角线离得比较远，这样的好处就是分裂后的两个分组可以尽量不重叠）





挑选出seed1和seed2之后，就将剩下的要分配的分裂条目分个这两个seed使它们各称为一个组。而这个分配的原则就是离谁比较“近”就和谁一组。这里的“近”指的是任何一个条目MBB–E和seed1，seed2分别计算可以包裹着E和seed1的最小限定框J1=MBR(E，seed1)， 可以包裹着E和seed2的最小限定框J2=MBR(E，seed2)。再分别计算增量d1=J1-E-seed1，d2=J2-E-seed2。d1，d2哪个小就说明哪个“近”。



（-_-）!!!所以分裂的具体情况还是很复杂的，真想不懂这些大神怎么会想得到这些。除了上述Quadratic的分裂算法之外还有其他的分裂算法，如下图中间图，但是分裂的效果都不如R*树（R树的改进版）的算法好。




删除

R树的删除操作与B树的删除操作会有所不同，不过同B树一样，会涉及到压缩等操作。相信读者看完以下的伪代码之后会有所体会。R树的删除同样是比较复杂的，需要用到一些辅助函数来完成整个操作。
伪代码如下：

【Function：Delete】
描述：将一条记录E从指定的R树中删除。
D1：[找到含有记录的叶子结点] 使用FindLeaf方法找到包含有记录E的叶子结点L。如果搜索失败，则直接终止。
D2：[删除记录] 将E从L中删除。
D3：[传递记录] 对L使用CondenseTree操作
D4：[缩减树] 当经过以上调整后，如果根结点只包含有一个孩子结点，则将这个唯一的孩子结点设为根结点。

【Function：FindLeaf】
描述：根结点为T，期望找到包含有记录E的叶子结点。
FL1：[搜索子树] 如果T不是叶子结点，则检查每一条T中的条目F，找出与E所对应的矩形相重合的F（不必完全覆盖）。对于所有满足条件的F，对其指向的孩子结点进行FindLeaf操作，直到寻找到E或者所有条目均以被检查过。
FL2：[搜索叶子结点以找到记录] 如果T是叶子结点，那么检查每一个条目是否有E存在，如果有则返回T。

【Function：CondenseTree】
描述：L为包含有被删除条目的叶子结点。如果L的条目数过少（小于要求的最小值m），则必须将该叶子结点L从树中删除。经过这一删除操作，L中的剩余条目必须重新插入树中。此操作将一直重复直至到达根结点。同样，调整在此修改树的过程所经过的路径上的所有结点对应的矩形大小。
CT1：[初始化] 令N为L。初始化一个用于存储被删除结点包含的条目的链表Q。
CT2：[找到父条目] 如果N为根结点，那么直接跳转至CT6。否则令P为N 的父结点，令EN为P结点中存储的指向N的条目。
CT3：[删除下溢结点] 如果N含有条目数少于m，则从P中删除EN，并把结点N中的条目添加入链表Q中。
CT4：[调整覆盖矩形] 如果N没有被删除，则调整EN.I使得其对应矩形能够恰好覆盖N中的所有条目所对应的矩形。
CT5：[向上一层结点进行操作] 令N等于P，从CT2开始重复操作。
CT6：[重新插入孤立的条目] 所有在Q中的结点中的条目需要被重新插入。原来属于叶子结点的条目可以使用Insert操作进行重新插入，而那些属于非叶子结点的条目必须插入删除之前所在层的结点，以确保它们所指向的子树还处于相同的层。

R树删除记录过程中的CondenseTree操作是不同于B树的。我们知道，B树删除过程中，如果出现结点的记录数少于半满（即下溢）的情况，则直接把这些记录与其他叶子的记录“融合”，也就是说两个相邻结点合并。然而R树却是直接重新插入。
具体的例子



假设结点最大条目数为4，最小条目数为2。在这张图中，我们的目标是删除记录c。首先使用FindLeaf操作找到c所处在的叶子结点的位置——R11。当c从R11删除时，R11就只有一条记录了，少于最小条目数2，出现下溢，此时要调用CondenseTree操作。这样，c被删除，R11剩余的条目——指向记录d的指针——被插入链表Q。然后向更高一层的结点进行此操作。这样R12会被插入链表中。原理是一样的，在这里就不再赘述。


有一点需要解释的是，我们发现这个删除操作向上传递之后，根结点的条目R1也被插入了Q中，这样根结点只剩下了R2。别着急，重新插入操作会有效的解决这个问题。我们插入R3，R12，d至它原来所处的层。这样，我们发现根结点只有一个条目了，此时根据Inert中的操作，我们把这个根结点删除，它的孩子结点，即R5，R6，R7，R3所在的结点被置为根结点。至此，删除操作结束。

另一个例子再次理解删除





















第二部分 R树的Java实现

UML



Point

  1 package rtree;
  2 
  3 /**
  4  * @ClassName Point
  5  * @Description n维空间中的点，所有的维度被存储在一个float数组中
  6  */
  7 public class Point implements Cloneable {
  8     private float[] data;
  9 
 10     public Point(float[] data) {
 11         if (data == null) {
 12             throw new IllegalArgumentException("Coordinates cannot be null."); // ★坐标不能为空
 13         }
 14         if (data.length < 2) {
 15             throw new IllegalArgumentException("Point dimension should be greater than 1."); // ★点的维度必须大于1
 16         }
 17 
 18         this.data = new float[data.length];
 19         System.arraycopy(data, 0, this.data, 0, data.length); // 复制数组
 20     }
 21 
 22     public Point(int[] data) {
 23         if (data == null) {
 24             throw new IllegalArgumentException("Coordinates cannot be null."); // ★坐标不能为空
 25         }
 26         if (data.length < 2) {
 27             throw new IllegalArgumentException("Point dimension should be greater than 1."); // ★点的维度必须大于1
 28         }
 29 
 30         this.data = new float[data.length];
 31         for (int i = 0; i < data.length; i++) {
 32             this.data[i] = data[i]; // 复制数组
 33         }
 34     }
 35 
 36     @Override // 重写clone接口
 37     protected Object clone() {
 38         float[] copy = new float[data.length];
 39         System.arraycopy(data, 0, copy, 0, data.length);
 40         return new Point(copy);
 41     }
 42 
 43     @Override // 重写tostring（）方法
 44     public String toString() {
 45         StringBuffer sBuffer = new StringBuffer("(");
 46 
 47         for (int i = 0; i < data.length - 1; i++) {
 48             sBuffer.append(data[i]).append(",");
 49         }
 50 
 51         sBuffer.append(data[data.length - 1]).append(")"); // 最后一位数据后面不再添加逗号，追加放在循环外面
 52 
 53         return sBuffer.toString();
 54     }
 55 
 56     /*
 57      * ★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★ ★ 测试 ★
 58      * ★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
 59      */
 60     public static void main(String[] args) {
 61         float[] test = { 1.2f, 2f, 34f };
 62         Point point1 = new Point(test);
 63         System.out.println(point1);
 64 
 65         int[] test2 = { 1, 2, 3, 4 };
 66         point1 = new Point(test2);
 67         System.out.println(point1);
 68 
 69         int[] test3 = { 11, 22 }; // 二维的点
 70         point1 = new Point(test3);
 71         System.out.println(point1);
 72     }
 73 
 74     /**
 75      * @return 返回Point的维度
 76      */
 77     public int getDimension() {
 78         return data.length;
 79     }
 80 
 81     /**
 82      * @param index
 83      * @return 返回Point坐标第i位的float值
 84      */
 85     public float getFloatCoordinate(int index) {
 86         return data[index];
 87     }
 88 
 89     /**
 90      * @param index
 91      * @return 返回Point坐标第i位的int值
 92      */
 93     public int getIntCoordinate(int index) {
 94         return (int) data[index];
 95     }
 96 
 97     @Override
 98     public boolean equals(Object obj) {
 99         if (obj instanceof Point) // 如果obj是point的实例
100         {
101             Point point = (Point) obj;
102 
103             if (point.getDimension() != getDimension()) // 维度相同的点才能比较
104                 throw new IllegalArgumentException("Points must be of equal dimensions to be compared.");
105 
106             for (int i = 0; i < getDimension(); i++) {
107                 if (getFloatCoordinate(i) != point.getFloatCoordinate(i))
108                     return false;
109             }
110         }
111 
112         if (!(obj instanceof Point))
113             return false;
114 
115         return true;
116     }
117 }
View Code

Rectangle

  1 package rtree;
  2 
  3 /**
  4  * 外包矩形
  5  * 
  6  * @ClassName Rectangle
  7  * @Description
  8  */
  9 public class Rectangle implements Cloneable // 继承克隆接口
 10 {
 11     private Point low; // 左下角的点
 12     private Point high; // 右上角的点
 13 
 14     public Rectangle(Point p1, Point p2) // 初始化时，第一个参数为左下角，第二个参数为右上角
 15     {
 16         if (p1 == null || p2 == null) // 点对象不能为空
 17         {
 18             throw new IllegalArgumentException("Points cannot be null.");
 19         }
 20         if (p1.getDimension() != p2.getDimension()) // 点的维度应该相等
 21         {
 22             throw new IllegalArgumentException("Points must be of same dimension.");
 23         }
 24         // 先左下角后右上角
 25         for (int i = 0; i < p1.getDimension(); i++) {
 26             if (p1.getFloatCoordinate(i) > p2.getFloatCoordinate(i)) {
 27                 throw new IllegalArgumentException("坐标点为先左下角后右上角");
 28             }
 29         }
 30         low = (Point) p1.clone();
 31         high = (Point) p2.clone();
 32     }
 33 
 34     /**
 35      * 返回Rectangle左下角的Point
 36      * 
 37      * @return Point
 38      */
 39     public Point getLow() {
 40         return (Point) low.clone();
 41     }
 42 
 43     /**
 44      * 返回Rectangle右上角的Point
 45      * 
 46      * @return Point
 47      */
 48     public Point getHigh() {
 49         return high;
 50     }
 51 
 52     /**
 53      * @param rectangle
 54      * @return 包围两个Rectangle的最小Rectangle
 55      */
 56     public Rectangle getUnionRectangle(Rectangle rectangle) {
 57         if (rectangle == null) // 矩形不能为空
 58             throw new IllegalArgumentException("Rectangle cannot be null.");
 59 
 60         if (rectangle.getDimension() != getDimension()) // 矩形维度必须相同
 61         {
 62             throw new IllegalArgumentException("Rectangle must be of same dimension.");
 63         }
 64 
 65         float[] min = new float[getDimension()];
 66         float[] max = new float[getDimension()];
 67 
 68         for (int i = 0; i < getDimension(); i++) {
 69             // 第一个参数是当前矩形的坐标值，第二个参数是传入的参数的矩形的坐标值
 70             min[i] = Math.min(low.getFloatCoordinate(i), rectangle.low.getFloatCoordinate(i));
 71             max[i] = Math.max(high.getFloatCoordinate(i), rectangle.high.getFloatCoordinate(i));
 72         }
 73 
 74         return new Rectangle(new Point(min), new Point(max));
 75     }
 76 
 77     /**
 78      * @return 返回Rectangle的面积
 79      */
 80     public float getArea() {
 81         float area = 1;
 82         for (int i = 0; i < getDimension(); i++) {
 83             area *= high.getFloatCoordinate(i) - low.getFloatCoordinate(i);
 84         }
 85 
 86         return area;
 87     }
 88 
 89     /**
 90      * @param rectangles
 91      * @return 包围一系列Rectangle的最小Rectangle
 92      */
 93     public static Rectangle getUnionRectangle(Rectangle[] rectangles) {
 94         if (rectangles == null || rectangles.length == 0)
 95             throw new IllegalArgumentException("Rectangle array is empty.");
 96 
 97         Rectangle r0 = (Rectangle) rectangles[0].clone();
 98         for (int i = 1; i < rectangles.length; i++) {
 99             r0 = r0.getUnionRectangle(rectangles[i]); // 获得包裹矩形r0与r[i]的最小边界的矩形再赋值给r0
100         }
101 
102         return r0; // 返回包围一系列Rectangle的最小Rectangle
103     }
104 
105     @Override
106     // 重写clone()函数
107     protected Object clone() {
108         Point p1 = (Point) low.clone();
109         Point p2 = (Point) high.clone();
110         return new Rectangle(p1, p2);
111     }
112 
113     @Override
114     // 重写tostring()方法
115     public String toString() {
116         return "Rectangle Low:" + low + " High:" + high;
117     }
118 
119     /*
120      * ★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★ ★ 测试 ★
121      * ★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
122      */
123     public static void main(String[] args) {
124         // 新建两point再根据两个point构建一个Rectangle
125         float[] f1 = { 1.3f, 2.4f };
126         float[] f2 = { 3.4f, 4.5f };
127         Point p1 = new Point(f1);
128         Point p2 = new Point(f2);
129         Rectangle rectangle = new Rectangle(p1, p2);
130         System.out.println(rectangle);
131         // Point point = rectangle.getHigh();
132         // point = p1;
133         // System.out.println(rectangle);
134 
135         float[] f_1 = { -2f, 0f };
136         float[] f_2 = { 0f, 2f };
137         float[] f_3 = { -2f, 1f };
138         float[] f_4 = { 3f, 3f };
139         float[] f_5 = { 1f, 0f };
140         float[] f_6 = { 2f, 4f };
141         p1 = new Point(f_1);
142         p2 = new Point(f_2);
143         Point p3 = new Point(f_3);
144         Point p4 = new Point(f_4);
145         Point p5 = new Point(f_5);
146         Point p6 = new Point(f_6);
147         Rectangle re1 = new Rectangle(p1, p2);
148         Rectangle re2 = new Rectangle(p3, p4);
149         Rectangle re3 = new Rectangle(p5, p6);
150         // Rectangle re4 = new Rectangle(p3, p4); //输入要先左下角，再右上角
151 
152         System.out.println(re1.isIntersection(re2));
153         System.out.println(re1.isIntersection(re3));
154         System.out.println(re1.intersectingArea(re2));
155         System.out.println(re1.intersectingArea(re3));
156     }
157 
158     /**
159      * 两个Rectangle相交的面积
160      * 
161      * @param rectangle
162      *            Rectangle
163      * @return float
164      */
165     public float intersectingArea(Rectangle rectangle) {
166         if (!isIntersection(rectangle)) // 如果不相交，相交面积为0
167         {
168             return 0;
169         }
170 
171         float ret = 1;
172         // 循环一次，得到一个维度的相交的边，累乘多个维度的相交的边，即为面积
173         for (int i = 0; i < rectangle.getDimension(); i++) {
174             float l1 = this.low.getFloatCoordinate(i);
175             float h1 = this.high.getFloatCoordinate(i);
176             float l2 = rectangle.low.getFloatCoordinate(i);
177             float h2 = rectangle.high.getFloatCoordinate(i);
178 
179             // rectangle1在rectangle2的左边
180             if (l1 <= l2 && h1 <= h2) {
181                 ret *= (h1 - l1) - (l2 - l1);
182             }
183             // rectangle1在rectangle2的右边
184             else if (l1 >= l2 && h1 >= h2) {
185                 ret *= (h2 - l2) - (l1 - l2);
186             }
187             // rectangle1在rectangle2里面
188             else if (l1 >= l2 && h1 <= h2) {
189                 ret *= h1 - l1;
190             }
191             // rectangle1包含rectangle2
192             else if (l1 <= l2 && h1 >= h2) {
193                 ret *= h2 - l2;
194             }
195         }
196         return ret;
197     }
198 
199     /**
200      * @param rectangle
201      * @return 判断两个Rectangle是否相交
202      */
203     public boolean isIntersection(Rectangle rectangle) {
204         if (rectangle == null)
205             throw new IllegalArgumentException("Rectangle cannot be null.");
206 
207         if (rectangle.getDimension() != getDimension()) // 进行判断的两个矩形维度必须相等
208         {
209             throw new IllegalArgumentException("Rectangle cannot be null.");
210         }
211 
212         for (int i = 0; i < getDimension(); i++) {
213             /*
214              * 当前矩形左下角的坐标值大于传入矩形右上角的坐标值 || 当前矩形右上角角的坐标值小于传入矩形左下角的坐标值
215              */
216             if (low.getFloatCoordinate(i) > rectangle.high.getFloatCoordinate(i)
217                     || high.getFloatCoordinate(i) < rectangle.low.getFloatCoordinate(i)) {
218                 return false; // 没有相交
219             }
220         }
221         return true;
222     }
223 
224     /**
225      * @return 返回Rectangle的维度
226      */
227     private int getDimension() {
228         return low.getDimension();
229     }
230 
231     /**
232      * 判断rectangle是否被包围
233      * 
234      * @param rectangle
235      * @return
236      */
237     public boolean enclosure(Rectangle rectangle) {
238         if (rectangle == null) // 矩形不能为空
239             throw new IllegalArgumentException("Rectangle cannot be null.");
240 
241         if (rectangle.getDimension() != getDimension()) // 判断的矩形必须维度相同
242             throw new IllegalArgumentException("Rectangle dimension is different from current dimension.");
243         // 只要传入的rectangle有一个维度的坐标越界了就不被包含
244         for (int i = 0; i < getDimension(); i++) {
245             if (rectangle.low.getFloatCoordinate(i) < low.getFloatCoordinate(i)
246                     || rectangle.high.getFloatCoordinate(i) > high.getFloatCoordinate(i))
247                 return false;
248         }
249         return true;
250     }
251 
252     @Override
253     // 重写equals方法
254     public boolean equals(Object obj) {
255         if (obj instanceof Rectangle) {
256             Rectangle rectangle = (Rectangle) obj;
257             if (low.equals(rectangle.getLow()) && high.equals(rectangle.getHigh()))
258                 return true;
259         }
260         return false;
261     }
262 }
View Code

RTNode

  1 package rtree;
  2 
  3 import java.util.List;
  4 import rtree.Constants;
  5 
  6 /**
  7  * @ClassName RTNode
  8  * @Description
  9  */
 10 public abstract class RTNode {
 11     protected RTree rtree; // 结点所在的树
 12     protected int level; // 结点所在的层
 13     protected Rectangle[] datas; // 相当于条目
 14     protected RTNode parent; // 父节点
 15     protected int usedSpace; // 结点已用的空间
 16     protected int insertIndex; // 记录插入的搜索路径索引
 17     protected int deleteIndex; // 记录删除的查找路径索引
 18 
 19     /**
 20      * 构造函数初始化
 21      */
 22     public RTNode(RTree rtree, RTNode parent, int level) {
 23         this.rtree = rtree;
 24         this.parent = parent;
 25         this.level = level;
 26         datas = new Rectangle[rtree.getNodeCapacity() + 1];// 多出的一个用于结点分裂
 27         usedSpace = 0;
 28     }
 29 
 30     /**
 31      * @return 返回父节点
 32      */
 33     public RTNode getParent() {
 34         return parent;
 35     }
 36 
 37     /**
 38      * -->向结点中添加Rectangle，即添加条目
 39      * 
 40      * @param rectangle
 41      */
 42     protected void addData(Rectangle rectangle) {
 43         // 如果节点已用空间==r树的节点容量
 44         if (usedSpace == rtree.getNodeCapacity()) {
 45             throw new IllegalArgumentException("Node is full.");
 46         }
 47         datas[usedSpace++] = rectangle;
 48     }
 49 
 50     /**
 51      * -->删除结点中的第i个条目
 52      * 
 53      * @param i
 54      */
 55     protected void deleteData(int i) {
 56         if (datas[i + 1] != null) // 如果为中间节点（非尾节点），采用拷贝数组的方式链接条目
 57         {
 58             System.arraycopy(datas, i + 1, datas, i, usedSpace - i - 1);
 59             datas[usedSpace - 1] = null;
 60         } else // 如果为末尾节点，将节点置空
 61             datas[i] = null;
 62         // 删除之后已用节点自减
 63         usedSpace--;
 64     }
 65 
 66     /**
 67      * 压缩算法 叶节点L中刚刚删除了一个条目，如果这个结点的条目数太少下溢， 则删除该结点，同时将该结点中剩余的条目重定位到其他结点中。
 68      * 如果有必要，要逐级向上进行这种删除，调整向上传递的路径上的所有外包矩形，使其尽可能小，直到根节点。
 69      * 
 70      * @param list
 71      *            存储删除结点中剩余条目
 72      */
 73     protected void condenseTree(List<RTNode> list) {
 74         if (isRoot()) {
 75             // 根节点只有一个条目了，即只有左孩子或者右孩子 ，
 76             // 将唯一条目删除，释放根节点，将原根节点唯一的孩子设置为新根节点
 77             if (!isLeaf() && usedSpace == 1) {
 78                 RTDirNode root = (RTDirNode) this;
 79 
 80                 RTNode child = root.getChild(0);
 81                 root.children.remove(this);
 82                 child.parent = null;
 83                 rtree.setRoot(child);
 84 
 85             }
 86         } else {
 87             RTNode parent = getParent();
 88             // 计算节点最小容量，用于判断是否引起下溢
 89             int min = Math.round(rtree.getNodeCapacity() * rtree.getFillFactor());
 90             if (usedSpace < min) {
 91                 parent.deleteData(parent.deleteIndex);// 其父节点中删除此条目
 92                 ((RTDirNode) parent).children.remove(this);
 93                 this.parent = null;
 94                 list.add(this);// 之前已经把数据删除了
 95             } else {
 96                 parent.datas[parent.deleteIndex] = getNodeRectangle();
 97             }
 98             parent.condenseTree(list);
 99         }
100     }
101 
102     /**
103      * 分裂结点的平方算法
104      * <p>
105      * 1、为两个组选择第一个条目--调用算法pickSeeds()来为两个组选择第一个元素，分别把选中的两个条目分配到两个组当中。<br>
106      * 2、检查是否已经分配完毕，如果一个组中的条目太少，为避免下溢，将剩余的所有条目全部分配到这个组中，算法终止<br>
107      * 3、调用pickNext来选择下一个进行分配的条目--计算把每个条目加入每个组之后面积的增量，选择两个组面积增量差最大的条目索引,
108      * 如果面积增量相等则选择面积较小的组，若面积也相等则选择条目数更少的组<br>
109      * 
110      * @param rectangle
111      *            导致分裂的溢出Rectangle
112      * @return 两个组中的条目的索引
113      */
114     protected int[][] quadraticSplit(Rectangle rectangle) {
115         if (rectangle == null) {
116             throw new IllegalArgumentException("Rectangle cannot be null.");
117         }
118 
119         datas[usedSpace] = rectangle; // 先添加进去
120 
121         int total = usedSpace + 1; // 结点总数
122 
123         // 标记访问的条目
124         int[] mask = new int[total];
125         for (int i = 0; i < total; i++) {
126             mask[i] = 1;
127         }
128 
129         // 分裂后每个组只是有total/2个条目
130         int c = total / 2 + 1;
131         // 每个结点最小条目个数
132         int minNodeSize = Math.round(rtree.getNodeCapacity() * rtree.getFillFactor());
133         // 至少有两个
134         if (minNodeSize < 2)
135             minNodeSize = 2;
136 
137         // 记录没有被检查的条目的个数
138         int rem = total;
139 
140         int[] group1 = new int[c];// 记录分配的条目的索引
141         int[] group2 = new int[c];// 记录分配的条目的索引
142         // 跟踪被插入每个组的条目的索引
143         int i1 = 0, i2 = 0;
144 
145         int[] seed = pickSeeds();
146         group1[i1++] = seed[0];
147         group2[i2++] = seed[1];
148         rem -= 2;
149         mask[group1[0]] = -1;
150         mask[group2[0]] = -1;
151 
152         while (rem > 0) {
153             // 将剩余的所有条目全部分配到group1组中，算法终止
154             if (minNodeSize - i1 == rem) {
155                 for (int i = 0; i < total; i++)// 总共rem个
156                 {
157                     if (mask[i] != -1)// 还没有被分配
158                     {
159                         group1[i1++] = i;
160                         mask[i] = -1;
161                         rem--;
162                     }
163                 }
164                 // 将剩余的所有条目全部分配到group1组中，算法终止
165             } else if (minNodeSize - i2 == rem) {
166                 for (int i = 0; i < total; i++)// 总共rem个
167                 {
168                     if (mask[i] != -1)// 还没有被分配
169                     {
170                         group2[i2++] = i;
171                         mask[i] = -1;
172                         rem--;
173                     }
174                 }
175             } else {
176                 // 求group1中所有条目的最小外包矩形
177                 Rectangle mbr1 = (Rectangle) datas[group1[0]].clone();
178                 for (int i = 1; i < i1; i++) {
179                     mbr1 = mbr1.getUnionRectangle(datas[group1[i]]);
180                 }
181                 // 求group2中所有条目的外包矩形
182                 Rectangle mbr2 = (Rectangle) datas[group2[0]].clone();
183                 for (int i = 1; i < i2; i++) {
184                     mbr2 = mbr2.getUnionRectangle(datas[group2[i]]);
185                 }
186 
187                 // 找出下一个进行分配的条目
188                 double dif = Double.NEGATIVE_INFINITY;
189                 double areaDiff1 = 0, areaDiff2 = 0;
190                 int sel = -1;
191                 for (int i = 0; i < total; i++) {
192                     if (mask[i] != -1)// 还没有被分配的条目
193                     {
194                         // 计算把每个条目加入每个组之后面积的增量，选择两个组面积增量差最大的条目索引
195                         Rectangle a = mbr1.getUnionRectangle(datas[i]);
196                         areaDiff1 = a.getArea() - mbr1.getArea();
197 
198                         Rectangle b = mbr2.getUnionRectangle(datas[i]);
199                         areaDiff2 = b.getArea() - mbr2.getArea();
200 
201                         if (Math.abs(areaDiff1 - areaDiff2) > dif) {
202                             dif = Math.abs(areaDiff1 - areaDiff2);
203                             sel = i;
204                         }
205                     }
206                 }
207 
208                 if (areaDiff1 < areaDiff2)// 先比较面积增量
209                 {
210                     group1[i1++] = sel;
211                 } else if (areaDiff1 > areaDiff2) {
212                     group2[i2++] = sel;
213                 } else if (mbr1.getArea() < mbr2.getArea())// 再比较自身面积
214                 {
215                     group1[i1++] = sel;
216                 } else if (mbr1.getArea() > mbr2.getArea()) {
217                     group2[i2++] = sel;
218                 } else if (i1 < i2)// 最后比较条目个数
219                 {
220                     group1[i1++] = sel;
221                 } else if (i1 > i2) {
222                     group2[i2++] = sel;
223                 } else {
224                     group1[i1++] = sel;
225                 }
226                 mask[sel] = -1;
227                 rem--;
228 
229             }
230         } // end while
231 
232         int[][] ret = new int[2][];
233         ret[0] = new int[i1];
234         ret[1] = new int[i2];
235 
236         for (int i = 0; i < i1; i++) {
237             ret[0][i] = group1[i];
238         }
239         for (int i = 0; i < i2; i++) {
240             ret[1][i] = group2[i];
241         }
242         return ret;
243     }
244 
245     /**
246      * 1、对每一对条目E1和E2，计算包围它们的Rectangle J，计算d = area(J) - area(E1) - area(E2);<br>
247      * 2、Choose the pair with the largest d
248      * 
249      * @return 返回两个条目如果放在一起会有最多的冗余空间的条目索引
250      */
251     protected int[] pickSeeds() {
252         double inefficiency = Double.NEGATIVE_INFINITY;
253         int i1 = 0, i2 = 0;
254 
255         // 两个for循环对任意两个条目E1和E2进行组合
256         for (int i = 0; i < usedSpace; i++) {
257             for (int j = i + 1; j <= usedSpace; j++)// 注意此处的j值
258             {
259                 Rectangle rectangle = datas[i].getUnionRectangle(datas[j]);
260                 double d = rectangle.getArea() - datas[i].getArea() - datas[j].getArea();
261 
262                 if (d > inefficiency) {
263                     inefficiency = d;
264                     i1 = i;
265                     i2 = j;
266                 }
267             }
268         }
269         return new int[] { i1, i2 }; // 返回拥有最小d的一对条目
270     }
271 
272     /**
273      * @return 返回包含结点中所有条目的最小Rectangle
274      */
275     public Rectangle getNodeRectangle() {
276         if (usedSpace > 0) {
277             Rectangle[] rectangles = new Rectangle[usedSpace];
278             System.arraycopy(datas, 0, rectangles, 0, usedSpace);
279             return Rectangle.getUnionRectangle(rectangles); // 返回包含这一系列矩形的最小矩形
280         } else {
281             return new Rectangle(new Point(new float[] { 0, 0 }), new Point(new float[] { 0, 0 }));
282         }
283     }
284 
285     /**
286      * @return 是否根节点
287      */
288     public boolean isRoot() {
289         return (parent == Constants.NULL);
290     }
291 
292     /**
293      * @return 是否非叶子结点
294      */
295     public boolean isIndex() {
296         return (level != 0);
297     }
298 
299     /**
300      * @return 是否叶子结点
301      */
302     public boolean isLeaf() {
303         return (level == 0);
304     }
305 
306     /**
307      * <b>步骤CL1：</b>初始化――记R树的根节点为N。<br>
308      * <b>步骤CL2：</b>检查叶节点――如果N是个叶节点，返回N<br>
309      * <b>步骤CL3：</b>选择子树――如果N不是叶节点，则从N中所有的条目中选出一个最佳的条目F，
310      * 选择的标准是：如果E加入F后，F的外廓矩形FI扩张最小，则F就是最佳的条目。如果有两个
311      * 条目在加入E后外廓矩形的扩张程度相等，则在这两者中选择外廓矩形较小的那个。<br>
312      * <b>步骤CL4：</b>向下寻找直至达到叶节点――记Fp指向的孩子节点为N，然后返回步骤CL2循环运算， 直至查找到叶节点。
313      * <p>
314      * 
315      * @param Rectangle
316      * @return RTDataNode
317      */
318     protected abstract RTDataNode chooseLeaf(Rectangle rectangle);
319 
320     /**
321      * R树的根节点为T，查找包含rectangle的叶子结点
322      * <p>
323      * 1、如果T不是叶子结点，则逐个查找T中的每个条目是否包围rectangle，若包围则递归调用findLeaf()<br>
324      * 2、如果T是一个叶子结点，则逐个检查T中的每个条目能否匹配rectangle<br>
325      * 
326      * @param rectangle
327      * @return 返回包含rectangle的叶节点
328      */
329     protected abstract RTDataNode findLeaf(Rectangle rectangle);
330 
331 }
View Code

 

RTDataNode

  1 package rtree;
  2 
  3 import java.util.ArrayList;
  4 import java.util.List;
  5 
  6 import rtree.Constants;
  7 
  8 /**
  9  * @ClassName RTDataNode
 10  * @Description 叶子结点
 11  */
 12 public class RTDataNode extends RTNode {
 13 
 14     public RTDataNode(RTree rTree, RTNode parent) {
 15         super(rTree, parent, 0);
 16     }
 17 
 18     /**
 19      * -->叶节点中插入Rectangle 在叶节点中插入Rectangle，插入后如果其父节点不为空则需要向上调整树直到根节点；
 20      * 如果其父节点为空，则是从根节点插入 若插入Rectangle之后超过结点容量则需要分裂结点 【注】插入数据后，从parent处开始调整数据
 21      * 
 22      * @param rectangle
 23      * @return
 24      */
 25     public boolean insert(Rectangle rectangle) {
 26         if (usedSpace < rtree.getNodeCapacity()) // 已用节点小于节点容量
 27         {
 28             datas[usedSpace++] = rectangle;
 29             RTDirNode parent = (RTDirNode) getParent();
 30 
 31             if (parent != null)
 32                 // 调整树，但不需要分裂节点，因为 节点小于节点容量，还有空间
 33                 parent.adjustTree(this, null);
 34             return true;
 35 
 36         }
 37         // 超过结点容量
 38         else {
 39             RTDataNode[] splitNodes = splitLeaf(rectangle);
 40             RTDataNode l = splitNodes[0];
 41             RTDataNode ll = splitNodes[1];
 42 
 43             if (isRoot()) {
 44                 // 根节点已满，需要分裂。创建新的根节点
 45                 RTDirNode rDirNode = new RTDirNode(rtree, Constants.NULL, level + 1);
 46                 rtree.setRoot(rDirNode);
 47                 // getNodeRectangle()返回包含结点中所有条目的最小Rectangle
 48                 rDirNode.addData(l.getNodeRectangle());
 49                 rDirNode.addData(ll.getNodeRectangle());
 50 
 51                 ll.parent = rDirNode;
 52                 l.parent = rDirNode;
 53 
 54                 rDirNode.children.add(l);
 55                 rDirNode.children.add(ll);
 56 
 57             } else {// 不是根节点
 58                 RTDirNode parentNode = (RTDirNode) getParent();
 59                 parentNode.adjustTree(l, ll);
 60             }
 61 
 62         }
 63         return true;
 64     }
 65 
 66     /**
 67      * 叶子节点的分裂 插入Rectangle之后超过容量需要分裂
 68      * 
 69      * @param rectangle
 70      * @return
 71      */
 72     public RTDataNode[] splitLeaf(Rectangle rectangle) {
 73         int[][] group = null;
 74 
 75         switch (rtree.getTreeType()) {
 76         case Constants.RTREE_LINEAR:
 77             break;
 78         case Constants.RTREE_QUADRATIC:
 79             group = quadraticSplit(rectangle);
 80             break;
 81         case Constants.RTREE_EXPONENTIAL:
 82             break;
 83         case Constants.RSTAR:
 84             break;
 85         default:
 86             throw new IllegalArgumentException("Invalid tree type.");
 87         }
 88 
 89         RTDataNode l = new RTDataNode(rtree, parent);
 90         RTDataNode ll = new RTDataNode(rtree, parent);
 91 
 92         int[] group1 = group[0];
 93         int[] group2 = group[1];
 94 
 95         for (int i = 0; i < group1.length; i++) {
 96             l.addData(datas[group1[i]]);
 97         }
 98 
 99         for (int i = 0; i < group2.length; i++) {
100             ll.addData(datas[group2[i]]);
101         }
102         return new RTDataNode[] { l, ll };
103     }
104 
105     @Override
106     public RTDataNode chooseLeaf(Rectangle rectangle) {
107         insertIndex = usedSpace;// 记录插入路径的索引
108         return this;
109     }
110 
111     /**
112      * 从叶节点中删除此条目rectangle
113      * <p>
114      * 先删除此rectangle，再调用condenseTree()返回删除结点的集合，把其中的叶子结点中的每个条目重新插入；
115      * 非叶子结点就从此结点开始遍历所有结点，然后把所有的叶子结点中的所有条目全部重新插入
116      * 
117      * @param rectangle
118      * @return
119      */
120     protected int delete(Rectangle rectangle) {
121         for (int i = 0; i < usedSpace; i++) {
122             if (datas[i].equals(rectangle)) {
123                 deleteData(i);
124                 // 用于存储被删除的结点包含的条目的链表Q
125                 List<RTNode> deleteEntriesList = new ArrayList<RTNode>();
126                 condenseTree(deleteEntriesList);
127 
128                 // 重新插入删除结点中剩余的条目
129                 for (int j = 0; j < deleteEntriesList.size(); j++) {
130                     RTNode node = deleteEntriesList.get(j);
131                     if (node.isLeaf())// 叶子结点，直接把其上的数据重新插入
132                     {
133                         for (int k = 0; k < node.usedSpace; k++) {
134                             rtree.insert(node.datas[k]);
135                         }
136                     } else {// 非叶子结点，需要先后序遍历出其上的所有结点
137                         List<RTNode> traverseNodes = rtree.traversePostOrder(node);
138 
139                         // 把其中的叶子结点中的条目重新插入
140                         for (int index = 0; index < traverseNodes.size(); index++) {
141                             RTNode traverseNode = traverseNodes.get(index);
142                             if (traverseNode.isLeaf()) {
143                                 for (int t = 0; t < traverseNode.usedSpace; t++) {
144                                     rtree.insert(traverseNode.datas[t]);
145                                 }
146                             }
147                         }
148 
149                     }
150                 }
151 
152                 return deleteIndex;
153             } // end if
154         } // end for
155         return -1;
156     }
157 
158     @Override
159     protected RTDataNode findLeaf(Rectangle rectangle) {
160         for (int i = 0; i < usedSpace; i++) {
161             if (datas[i].enclosure(rectangle)) {
162                 deleteIndex = i;// 记录搜索路径
163                 return this;
164             }
165         }
166         return null;
167     }
168 
169 }
View Code

RTDirNode

  1 package rtree;
  2 
  3 import java.util.ArrayList;
  4 import java.util.List;
  5 import rtree.Constants;
  6 
  7 /**
  8  * @ClassName RTDirNode
  9  * @Description 非叶节点
 10  */
 11 public class RTDirNode extends RTNode {
 12     /**
 13      * 孩子结点集
 14      */
 15     protected List<RTNode> children;
 16 
 17     // 构造函数
 18     public RTDirNode(RTree rtree, RTNode parent, int level) {
 19         super(rtree, parent, level); // 调用父类的构造函数
 20         children = new ArrayList<RTNode>(); // 新建一个RTNode类型的结点数组
 21     }
 22 
 23     /**
 24      * @param index
 25      * @return 对应索引下的孩子结点
 26      */
 27     public RTNode getChild(int index) {
 28         return children.get(index);
 29     }
 30 
 31     @Override
 32     /*-->选择叶子结点*/
 33     public RTDataNode chooseLeaf(Rectangle rectangle) {
 34         int index;
 35 
 36         switch (rtree.getTreeType()) {
 37         case Constants.RTREE_LINEAR:
 38 
 39         case Constants.RTREE_QUADRATIC:
 40 
 41         case Constants.RTREE_EXPONENTIAL:
 42             index = findLeastEnlargement(rectangle); // 获得面积增量最小的结点的索引
 43             break;
 44         case Constants.RSTAR:
 45             if (level == 1)// 即此结点指向叶节点
 46             {
 47                 index = findLeastOverlap(rectangle); // 获得最小重叠面积的结点的索引
 48             } else {
 49                 index = findLeastEnlargement(rectangle); // 获得面积增量最小的结点的索引
 50             }
 51             break;
 52 
 53         default:
 54             throw new IllegalStateException("Invalid tree type.");
 55         }
 56 
 57         insertIndex = index;// 记录插入路径的索引
 58 
 59         return getChild(index).chooseLeaf(rectangle); // 非叶子节点的chooseLeaf（）实现递归调用
 60     }
 61 
 62     /**
 63      * @param rectangle
 64      * @return -->返回最小重叠面积的结点的索引， 如果重叠面积相等则选择加入此Rectangle后面积增量更小的，
 65      *         如果面积增量还相等则选择自身面积更小的
 66      */
 67     private int findLeastOverlap(Rectangle rectangle) {
 68         float overlap = Float.POSITIVE_INFINITY;
 69         int sel = -1;
 70 
 71         for (int i = 0; i < usedSpace; i++) {
 72             RTNode node = getChild(i);
 73             float ol = 0; // 用于记录每个孩子的datas数据与传入矩形的重叠面积之和
 74 
 75             for (int j = 0; j < node.datas.length; j++) {
 76                 // 将传入矩形与各个矩形重叠的面积累加到ol中，得到重叠的总面积
 77                 ol += rectangle.intersectingArea(node.datas[j]);
 78             }
 79             if (ol < overlap) {
 80                 overlap = ol;// 记录重叠面积最小的
 81                 sel = i;// 记录第几个孩子的索引
 82             }
 83             // 如果重叠面积相等则选择加入此Rectangle后面积增量更小的,如果面积增量还相等则选择自身面积更小的
 84             else if (ol == overlap) {
 85                 double area1 = datas[i].getUnionRectangle(rectangle).getArea() - datas[i].getArea();
 86                 double area2 = datas[sel].getUnionRectangle(rectangle).getArea() - datas[sel].getArea();
 87 
 88                 if (area1 == area2) {
 89                     sel = (datas[sel].getArea() <= datas[i].getArea()) ? sel : i;
 90                 } else {
 91                     sel = (area1 < area2) ? i : sel;
 92                 }
 93             }
 94         }
 95         return sel;
 96     }
 97 
 98     /**
 99      * @param rectangle
100      * @return -->面积增量最小的结点的索引，如果面积增量相等则选择自身面积更小的
101      */
102     private int findLeastEnlargement(Rectangle rectangle) {
103         double area = Double.POSITIVE_INFINITY; // double类型的正无穷
104         int sel = -1;
105 
106         for (int i = 0; i < usedSpace; i++) {
107             // 增量enlargement = 包含（datas[i]里面存储的矩形与查找的矩形）的最小矩形的面积 -
108             // datas[i]里面存储的矩形的面积
109             double enlargement = datas[i].getUnionRectangle(rectangle).getArea() - datas[i].getArea();
110             if (enlargement < area) {
111                 area = enlargement; // 记录增量
112                 sel = i; // 记录引起增量的【包含（datas[i]里面存储的矩形与查找的矩形）的最小矩形】里面的datas[i]的索引
113             } else if (enlargement == area) {
114                 sel = (datas[sel].getArea() < datas[i].getArea()) ? sel : i;
115             }
116         }
117 
118         return sel;
119     }
120 
121     /**
122      * --> 插入新的Rectangle后从插入的叶节点开始向上调整RTree，直到根节点
123      * 
124      * @param node1
125      *            引起需要调整的孩子结点
126      * @param node2
127      *            分裂的结点，若未分裂则为null
128      */
129     public void adjustTree(RTNode node1, RTNode node2) {
130         // 先要找到指向原来旧的结点（即未添加Rectangle之前）的条目的索引
131         datas[insertIndex] = node1.getNodeRectangle();// 先用node1覆盖原来的结点
132         children.set(insertIndex, node1);// 替换旧的结点
133 
134         if (node2 != null) {
135             insert(node2);// 插入新的结点
136 
137         }
138         // 还没到达根节点
139         else if (!isRoot()) {
140             RTDirNode parent = (RTDirNode) getParent();
141             parent.adjustTree(this, null);// 向上调整直到根节点
142         }
143     }
144 
145     /**
146      * -->非叶子节点插入
147      * 
148      * @param node
149      * @return 如果结点需要分裂则返回true
150      */
151     protected boolean insert(RTNode node) {
152         // 已用结点小于树的节点容量，不需分裂，只需插入以及调整树
153         if (usedSpace < rtree.getNodeCapacity()) {
154             datas[usedSpace++] = node.getNodeRectangle();
155             children.add(node);// 新加的
156             node.parent = this;// 新加的
157             RTDirNode parent = (RTDirNode) getParent();
158             if (parent != null) // 不是根节点
159             {
160                 parent.adjustTree(this, null);
161             }
162             return false;
163         } else {// 非叶子结点需要分裂
164             RTDirNode[] a = splitIndex(node);
165             RTDirNode n = a[0];
166             RTDirNode nn = a[1];
167 
168             if (isRoot()) {
169                 // 新建根节点，层数加1
170                 RTDirNode newRoot = new RTDirNode(rtree, Constants.NULL, level + 1);
171 
172                 // 把两个分裂的结点n和nn添加到根节点
173                 newRoot.addData(n.getNodeRectangle());
174                 newRoot.addData(nn.getNodeRectangle());
175 
176                 newRoot.children.add(n);
177                 newRoot.children.add(nn);
178 
179                 // 设置两个分裂的结点n和nn的父节点
180                 n.parent = newRoot;
181                 nn.parent = newRoot;
182 
183                 // 最后设置rtree的根节点
184                 rtree.setRoot(newRoot);// 新加的
185             } else {
186                 // 如果不是根结点，向上调整树
187                 RTDirNode p = (RTDirNode) getParent();
188                 p.adjustTree(n, nn);
189             }
190         }
191         return true;
192     }
193 
194     /**
195      * -->非叶子结点的分裂
196      * 
197      * @param node
198      * @return
199      */
200     private RTDirNode[] splitIndex(RTNode node) {
201         int[][] group = null;
202         switch (rtree.getTreeType()) {
203         case Constants.RTREE_LINEAR:
204             break;
205         case Constants.RTREE_QUADRATIC:
206             group = quadraticSplit(node.getNodeRectangle());
207             children.add(node);// 新加的
208             node.parent = this;// 新加的
209             break;
210         case Constants.RTREE_EXPONENTIAL:
211             break;
212         case Constants.RSTAR:
213             break;
214         default:
215             throw new IllegalStateException("Invalid tree type.");
216         }
217         // 新建两个非叶子节点
218         RTDirNode index1 = new RTDirNode(rtree, parent, level);
219         RTDirNode index2 = new RTDirNode(rtree, parent, level);
220 
221         int[] group1 = group[0];
222         int[] group2 = group[1];
223         // 为index1添加数据和孩子
224         for (int i = 0; i < group1.length; i++) {
225             index1.addData(datas[group1[i]]);
226             index1.children.add(this.children.get(group1[i]));// 新加的
227             // 让index1成为其父节点
228             this.children.get(group1[i]).parent = index1;// 新加的
229         }
230         for (int i = 0; i < group2.length; i++) {
231             index2.addData(datas[group2[i]]);
232             index2.children.add(this.children.get(group2[i]));// 新加的
233             this.children.get(group2[i]).parent = index2;// 新加的
234         }
235         return new RTDirNode[] { index1, index2 };
236     }
237 
238     @Override
239     // 寻找叶子
240     protected RTDataNode findLeaf(Rectangle rectangle) {
241         for (int i = 0; i < usedSpace; i++) {
242             if (datas[i].enclosure(rectangle)) {
243                 deleteIndex = i;// 记录搜索路径
244                 RTDataNode leaf = children.get(i).findLeaf(rectangle); // 递归查找
245                 if (leaf != null)
246                     return leaf;
247             }
248         }
249         return null;
250     }
251 
252 }
View Code

Rtree

  1 package rtree;
  2 
  3 import java.util.ArrayList;
  4 import java.util.List;
  5 
  6 import rtree.Constants;
  7 
  8 /**
  9  * @ClassName RTree
 10  * @Description
 11  */
 12 public class RTree {
 13     private RTNode root; // 根节点
 14     private int tree_type; // 树类型
 15     private int nodeCapacity = -1; // 结点容量
 16     private float fillFactor = -1; // 结点填充因子 ，用于计算每个结点最小条目个数
 17     private int dimension; // 维度
 18 
 19     public RTree(int capacity, float fillFactor, int type, int dimension) {
 20         this.fillFactor = fillFactor;
 21         tree_type = type;
 22         nodeCapacity = capacity;
 23         this.dimension = dimension;
 24         root = new RTDataNode(this, Constants.NULL); // 根节点的父节点为NULL
 25     }
 26 
 27     /**
 28      * @return RTree的维度
 29      */
 30     public int getDimension() {
 31         return dimension;
 32     }
 33 
 34     /** 设置跟节点 */
 35     public void setRoot(RTNode root) {
 36         this.root = root;
 37     }
 38 
 39     /**
 40      * @return 填充因子
 41      */
 42     public float getFillFactor() {
 43         return fillFactor;
 44     }
 45 
 46     /**
 47      * @return 返回结点容量
 48      */
 49     public int getNodeCapacity() {
 50         return nodeCapacity;
 51     }
 52 
 53     /**
 54      * @return 返回树的类型
 55      */
 56     public int getTreeType() {
 57         return tree_type;
 58     }
 59 
 60     /**
 61      * --> 向Rtree中插入Rectangle 1、先找到合适的叶节点 2、再向此叶节点中插入
 62      * 
 63      * @param rectangle
 64      */
 65     public boolean insert(Rectangle rectangle) {
 66         if (rectangle == null)
 67             throw new IllegalArgumentException("Rectangle cannot be null.");
 68 
 69         if (rectangle.getHigh().getDimension() != getDimension()) // 矩形维度与树的维度不一致
 70         {
 71             throw new IllegalArgumentException("Rectangle dimension different than RTree dimension.");
 72         }
 73 
 74         RTDataNode leaf = root.chooseLeaf(rectangle);
 75 
 76         return leaf.insert(rectangle);
 77     }
 78 
 79     /**
 80      * 从R树中删除Rectangle
 81      * <p>
 82      * 1、寻找包含记录的结点--调用算法findLeaf()来定位包含此记录的叶子结点L，如果没有找到则算法终止。<br>
 83      * 2、删除记录--将找到的叶子结点L中的此记录删除<br>
 84      * 3、调用算法condenseTree<br>
 85      * 
 86      * @param rectangle
 87      * @return
 88      */
 89     public int delete(Rectangle rectangle) {
 90         if (rectangle == null) {
 91             throw new IllegalArgumentException("Rectangle cannot be null.");
 92         }
 93 
 94         if (rectangle.getHigh().getDimension() != getDimension()) {
 95             throw new IllegalArgumentException("Rectangle dimension different than RTree dimension.");
 96         }
 97 
 98         RTDataNode leaf = root.findLeaf(rectangle);
 99 
100         if (leaf != null) {
101             return leaf.delete(rectangle);
102         }
103 
104         return -1;
105     }
106 
107     /**
108      * 从给定的结点root开始遍历所有的结点
109      * 
110      * @param node
111      * @return 所有遍历的结点集合
112      */
113     public List<RTNode> traversePostOrder(RTNode root) {
114         if (root == null)
115             throw new IllegalArgumentException("Node cannot be null.");
116 
117         List<RTNode> list = new ArrayList<RTNode>();
118         list.add(root);
119 
120         if (!root.isLeaf()) {
121             for (int i = 0; i < root.usedSpace; i++) {
122                 List<RTNode> a = traversePostOrder(((RTDirNode) root).getChild(i));
123                 for (int j = 0; j < a.size(); j++) {
124                     list.add(a.get(j));
125                 }
126             }
127         }
128 
129         return list;
130     }
131 
132     public static void main(String[] args) throws Exception {
133         // 结点容量：4、填充因子：0.4、树类型：二维
134         RTree tree = new RTree(4, 0.4f, Constants.RTREE_QUADRATIC, 2);
135         // 每一行的四个数构成两个点（一个矩形）
136         float[] f = { 5, 30, 25, 35, 15, 38, 23, 50, 10, 23, 30, 28, 13, 10, 18, 15, 23, 10, 28, 20, 28, 30, 33, 40, 38,
137                 13, 43, 30, 35, 37, 40, 43, 45, 8, 50, 50, 23, 55, 28, 70, 10, 65, 15, 70, 10, 58, 20, 63, };
138 
139         // 插入结点
140         for (int i = 0; i < f.length;) {
141             Point p1 = new Point(new float[] { f[i++], f[i++] });
142             Point p2 = new Point(new float[] { f[i++], f[i++] });
143             final Rectangle rectangle = new Rectangle(p1, p2);
144             tree.insert(rectangle);
145 
146             Rectangle[] rectangles = tree.root.datas;
147             System.out.println("level:" + tree.root.level);
148             for (int j = 0; j < rectangles.length; j++)
149                 System.out.println(rectangles[j]);
150         }
151         System.out.println("---------------------------------");
152         System.out.println("Insert finished.");
153 
154         // 删除结点
155         System.out.println("---------------------------------");
156         System.out.println("Begin delete.");
157 
158         for (int i = 0; i < f.length;) {
159             Point p1 = new Point(new float[] { f[i++], f[i++] });
160             Point p2 = new Point(new float[] { f[i++], f[i++] });
161             final Rectangle rectangle = new Rectangle(p1, p2);
162             tree.delete(rectangle);
163 
164             Rectangle[] rectangles = tree.root.datas;
165             System.out.println(tree.root.level);
166             for (int j = 0; j < rectangles.length; j++)
167                 System.out.println(rectangles[j]);
168         }
169 
170         System.out.println("---------------------------------");
171         System.out.println("Delete finished.");
172 
173         Rectangle[] rectangles = tree.root.datas;
174         for (int i = 0; i < rectangles.length; i++)
175             System.out.println(rectangles[i]);
176 
177     }
178 
179 }
View Code

Constants

 1 package rtree;
 2 
 3 import rtree.RTNode;
 4 
 5 public class Constants {
 6     public static final int MAX_NUMBER_OF_ENTRIES_IN_NODE = 20;// 结点中的最大条目数
 7     public static final int MIN_NUMBER_OF_ENTRIES_IN_NODE = 8;// 结点中的最小条目数
 8 
 9     public static final int RTDataNode_Dimension = 2;
10 
11     /** Available RTree variants. */ // 树的类型常量
12     public static final int RTREE_LINEAR = 0; // 线性
13     public static final int RTREE_QUADRATIC = 1; // 二维
14     public static final int RTREE_EXPONENTIAL = 2; // 多维
15     public static final int RSTAR = 3; // 星型
16 
17     public static final int NIL = -1;
18     public static final RTNode NULL = null;
19 }
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参考文章：
1.从B树、B+树、B*树谈到R 树 http://blog.csdn.net/v_JULY_v/article/details/6530142/

2.R树的Java实现 http://blog.csdn.net/renyisheng/article/details/40347223

3.R树wiki https://en.wikipedia.org/wiki/R-tree

posted @ 2017-04-04 12:24  佳佳牛  阅读(24429)  评论(2)  编辑  收藏  举报