空间索引Spatial Indexing
空间索引Spatial Indexing
大家第一次接触到index应该是在上数据库这门课的时候。之所以数据库需要index，主要是因为数据量和应用层面的操作这两个原因，缺一不可。回忆下数据库最基本的操作：增删改查以及稍复杂些的比如连接操作，基本都需要先锁定数据位置，再执行操作。而定位这个步骤，如果没有index，基本都是O(n)的时间复杂度，这是一个非常“耗时”的操作。虽然从复杂度角度并不能算高，但是数据库访问是非常基础非常频繁的操作，性能直接影响到终端用户。所以非常微小的提升都是非常必要的。（如果是对于数据挖掘的算法，这类算法的用户通常是研究人员，那算法的速度快慢则显得非常次要，而accuracy则更为重要）。上面说，数据量大是使用index的一个原因，那为什么现在大量的机器学习算法，那些需要海量数据的算法不需要index呢？因为这些数据都是用来training或testing，而在这些步骤中，不需要预先定位数据位置。除了个别算法，比如KNN算法的prediction步骤，需要找到K个最近邻来判断给定item的label属性。“找”这个操作就需要定位。注意这里的定位不再是指在存储器上的位置，而是在空间中的位置，这里的空间，是由数据的维度张成的空间。空间数据，也即是这些拥有多维度的数据。这是空间数据的一个比较延展性的说法。但通常，空间数据都focus on 几何类型数据，比如点，线，面，球等，当然这些点、线都是可以任意维度的。对于空间数据的搜索，我们需要空间索引spatial index来提升搜素效率（速度）。目前主流数据库（SQL server, MySQL, PostgreSQL，etc）都已加入了对spatial data的支持，这其中最主要的就是数据类型和索引的支持。
R-tree
空间索引系列算法中最最最重要的就是R-tree了。R-tree由Guttman大神在1984年SIGMOD上提出。有时间的话我还是建议大家去感受下原文：
Guttman A. R-trees: A dynamic index structure for spatial searching[M]. ACM, 1984.
R-tree主要吸纳了B+tree的思想，对数据进行分割。已达到对数级访问时间。Guttman首先提出了MBR的概念，即Minimum Bounding Box。MBR的含义是用一个最小的矩形（通常默认矩形的边平行于坐标轴），来框住这个几何体。
这样我们需要找到这个几何体中的一部分是，我们只需要先找到这个MBR即可。而找MBR这件事，则容易了很多。接下来，我们只需要用一个更大的MBR框住内层的小MBR，通过先找外层的MBR，我们可以很快找到内层MBR的大概位置。这个一层一层构建MBR的操作，非常类似B+tree的层。最后，我们就建立了一个空间上的分割。下图是一个二维R-tree的栗子。
后续的研究比如R*-tree等对R-tree的提升主要是针对MBR的分割算法方面的。
kd-tree
kd-tree的原理比R-tree要直接不少，对于k-dimension的数据，kd-tree的每一层，依次选一个维度把空间二分。对。。就这么简单。。。
Grid index
grid index即将要考虑的空间铺好网格，以便快速锁定区间。grid index尤其适合做最近邻搜索。毕竟只要考虑query所在grid的附近8个(2维时)grid就可以了。
oct-tree
八叉树是将3维空间的分成8份，依次再将每个子空间分成8份的操作，直到不需要再分为止。如果只在二维分的话，则每次分成四份，叫Quadtree。
虽然上述空间索引都很有效，但是当维度急剧提升时，空间索引的效率也会急剧下降。以R-tree为例，如果我们固定每个MBR最大容量为100，整个空间中有1M（million）个点，每个点的每个维度的范围是[0,1]。我们需要：1M/100 = 10000 个MBR。假设数据是均匀分布的。那么，设MBR边长为x，维度为n，则 𝑥𝑛∗10000=1𝑛 。
2D: 所有数据平铺在平面，每个MBR边长：0.01
3D：所有数据分散在3维空间，密度开始变得稀疏，每个MBR开始变大，边长：0.046
4D：边长：0.1
...
100D：边长：0.912
在该栗子下的MBR边长公式：nD：边长： (100/1000000)1/𝑛
可以看到，随着维度的增大，MBR的边长会越来越大，MBR之间的overlap也会越来越高，这样，R-tree的效率就会变得很低。这也是为什么高维度话题一直保持着较热的研究兴趣。今年(2018)SIGMOD做高维度的也大有人在，比如这一篇：
Wang, Yiqiu, et al. "Randomized Algorithms Accelerated over CPU-GPU for Ultra-High Dimensional Similarity Search."Proceedings of the 2018 International Conference on Management of Data. ACM, 2018.
Space filling curve
space filling curve 是给高维度数据降维度的一种方法，通过给空间填充曲线，可以给每个点assign这条曲线上的位置。这样就从高维度多个坐标变成了曲线上的单一位置坐标。事实上你可以当作是空间排序算法。衡量space filling curve的最重要标准是，高维度相近的数据，在低维度上是否还相近。
目前space filling curve中效果最好的是 Hilbert curve，用的比较多实现比较简单的是Z-curve。要注意的是不管哪种curve，都是基于positive integer类型数据的，如果你的数据类型是float，那么要先整体平移到第一区间（正数），提升magnitude（保留一定原来的小数部分）在做rounding（变成整数）的预处理。
高维度下的利器：LSH（Locality Sensitive Hashing）
LSH是一系列可以将数据从高维度映射到低维度，同时提供理论性保证，使得在高维度相近的数据在低维度也大概率相近的哈希家族。理论性保证的形式为：
意思是，如果两个点p和q在高维度相近，那么他们在经过LSH映射到低维度后，在同一个桶内（即仍然相似）的概率高于p1。若p和q在高维度不相邻，那么他俩被映射到同一个桶内的概率应小于p2。
比较典型的LSH家族有：
基于Hamming distance 的 bit wise hashing
基于Jaccard distance 的 minHash
基于Cosine distance 的 SimHash
同时，为了降低上述p2，可以经过多个hash取and操作（concatenation LSH），但这样又会降低p1，此时可增加hash table的数量取or，来提p1。详细的做法，建议大家wiki。（如果以后有时间我会补一下）
DSH(Data Sensitive Hashing)
LSH是针对空间的，那么有没有针对数据的呢。2014年从高大神(我老板的partner，现NTU副教授)在SIGMOD提出了基于数据敏感的哈希家族DSH，使得数据的分割更加均匀，尤其适合KNN类问题。类似LSH，也是有理论性保证的。详细的就不扩展了，原文如下：
Gao J, Jagadish H V, Lu W, et al. DSH: data sensitive hashing for high-dimensional k-nnsearch[C]//Proceedings of the 2014 ACM SIGMOD international conference on Management of data. ACM, 2014: 1127-1138.
关于实现
做这一块不像是AI，到处都有写好的代码而且基本是是python，matlab这些几行搞定一个算法。。（默默的羡慕一波）。而我们这些，所有的实现都应当使用C++，因为以上的技术都是针对效率的，效率嘛，不用C++说不过去啊。而且别人的算法，一般都没有现成的代码，经常还需要自己小心实现出来。。。
安利一下相关的库：
Boost Geometry 的各类spatial index （就是宏太多，有点烦），还好有mailing list，不懂可以发邮件问
CGAL 的space filling curve和其他几何计算
CPLEX 的integer linear programming
