本文介紹了GanosBase時空引擎的概述、功能架構以及優勢等內容。
概述
GanosBase是阿里雲自主研發的新一代時空資料庫引擎，它將時空資料處理能力融入了雲原生關係型資料庫PolarDB、雲原生多模資料庫Lindorm、雲原生資料倉儲AnalyticDB和雲資料庫RDS等主要產品中，為資料庫構建了面向新型時空多模多態資料的一體化儲存、查詢、分析與渲染支撐能力。GanosBase取名於大地女神蓋亞（Gaea）和時間之神柯羅諾斯（Chronos）首尾字母組合，代資料表空間+時間的深度結合，發音為['gænəs]。
空間資料與時空資料
空間資料（Spatial Data）用來表達所定義空間中對象/目標/物體的位置、形態、分布等空間特徵以及相關聯的各類資訊，是對現實世界中存在的具有定位意義的各類事物和現象的描述。結合資料庫而言，最典型的空間資料如記錄一個城市中的所有學校，每個學校記錄為資料庫中的一行。其中，用時空資料庫特有的Geometry欄位類型儲存每個學校空間上的外輪廓（一般為帶有空間參考資訊的一個多邊形），並用其他欄位記錄學校的名稱、佔地面積、創立時間等資訊。空間資料一般根據對現實事物空間表達方法的不同，進一步區分為幾何空間資料、柵格空間資料、網格空間資料等不同模態結構，需要根據不同應用情境做出合理選擇。
時空資料（Spatio-temporal Data）是在空間資料的基礎上，進一步考慮事物或現象隨時間的變化情況，從而構成時空動態資料。人、車、船、飛行器等移動對象（Moving Object）資料是最典型的時空資料。這類時空資料一般需要在資料庫中記錄移動對象所經過的一系列時空位置（經緯度座標+時間）以及與位置相關聯的各類屬性資訊或監測資訊。例如，記錄所有共用單車的行程資訊，每個行程（從起始地到目的地）儲存為資料庫中的一行，其中，用時空資料庫特有的Trajectory欄位類型儲存每個行程所經過的一系列軌跡點，並在每一軌跡點上關聯記錄車輛行進速度、方向等監測項。
從不嚴格意義上來講，時空資料是空間資料的超集。本手冊在沒有嚴格界定的上下文環境下，把空間資料統一稱為時空資料，GanosBase也統一命名為時空資料庫引擎。
時空資料管理面臨的挑戰
GanosBase解決什麼問題
GanosBase為資料庫構建了面向新型時空多模多態資料的一體化表達、儲存、查詢、分析與渲染支撐能力，解決了以往時空巨量資料使用流程複雜、使用門檻高、應用效率低等問題，可廣泛應用於城市管理、交通物流、共用出行、自然資源、航空航天、物聯資訊等領域。
定價
目前PolarDB PostgreSQL版資料庫產品內建GanosBase組件，免費進行使用。
功能架構
GanosBase為資料庫提供了面向新型時空多模多態資料的一體化表達、儲存、查詢、分析與渲染支撐能力。
核心組件
幾何引擎
幾何引擎主要提供點、線、面、體等向量資料的儲存與計算能力，支援shp、geojson、wkb/wkt等多種幾何資料來源格式資料的入庫。GanosBase幾何引擎全面相容PostGIS函數介面，在空間資料緩衝、空間索引、空間並行計算等方面具有獨特的優勢，大規模向量資料查詢分析效能有5倍以上提升。
柵格引擎
柵格引擎主要提供遙感影像、數字高程模型（DEM）、格點資料的儲存與計算能力，相容支援Tiff、HDF4、HDF5、GRIB、NetCDF等多種柵格資料來源格式。GanosBase柵格引擎提供物件導向的儲存能力，單行可儲存超過1 TB的超大對象，並支援基於OSS的柵格資料湖擴充能力，同時柵格引擎還提供了柵格空間關係判斷、柵格金字塔、柵格統計、柵格屬性、柵格影像處理、柵格代數等多種基礎運算元及勻色、鑲嵌、DEM演算法、D8匯水演算法等業務演算法，在大規模柵格資料存放區計算情境下有十分明顯的優勢。
移動對象引擎
移動對象引擎主要提供人、車、船、飛行器等移動對象資料的儲存與計算能力。GanosBase移動對象引擎提供針對4D軌跡（二維/三維空間 + 時間）的原生儲存、索引與分段最佳化，支援為每個軌跡點添加自訂屬性，支援定義時空事件，支援百億級軌跡點高效壓縮與重採樣，支援軌跡分段、軌跡駐點、軌跡相似性、時空關係判斷等各類資料庫原生時空運算元。
地理網格引擎
地理網格引擎主要提供空間網格構建與二維、三維空間對象網格賦碼、查詢能力。GanosBase地理網格引擎支援GeoSOT、H3等多種網格剖分規則，支援空間對象編碼，支援對象與編碼互查操作，支援基於空間網格的彙總與分析能力，支援網格退化能力。
表面模型引擎
表面模型引擎主要提供以表面網格（Surface Mesh）描述的語義化三維資料的儲存與計算能力。GanosBase表面模型引擎可用於處理建築資訊模型（BIM）資料，可將模型按語義解構並結構化管理，支援複雜三維空間分析與大規模聯合檢索，支援模型簡化演算法並可與主流前端三維渲染引擎對接。
體模型引擎
體模型引擎主要提供以非勻質體網格（Volumn Mesh）表徵的各向異性資料的儲存與計算能力。GanosBase體模型引擎可用於處理複雜地質體資料，支援網格在地層邊界處截斷，支援業務插值演算法，支援複雜空間分析與大規模聯合檢索，支援模型簡化演算法並可與主流前端三維渲染引擎對接。
體模型引擎當前為邀測階段，如需使用，請聯絡我們。
實景模型引擎
實景模型引擎主要提供精細化渲染模型的儲存與計算能力。GanosBase實景模型引擎可支援osgb、gltf/glb、obj等多種格式模型匯入，支援空間裁剪、合并等演算法，支援紋理裁剪、簡化等演算法，支援模型簡化演算法並可與主流前端三維渲染引擎對接，支援庫內進行精準可視域、陰影率分析等。
點雲引擎
點雲引擎主要提供雷射雷達採集的海量點雲資料的儲存與計算能力。GanosBase點雲引擎支援庫內分塊空間索引，支援點雲壓損，支援點雲空間查詢與計算，支援點雲抽稀簡化並可與主流前端三維渲染引擎對接。
路徑引擎
路徑引擎主要提供管網、路網等點邊描述的拓撲圖資料的儲存與計算能力。GanosBase路徑引擎支援基於點、邊模型構建網路拓撲，支援TSP、K最短、轉彎限制、雙向Dijkstra等多種尋路演算法。
快顯引擎
快顯引擎主要提供GanosBase全空間資料的快速渲染支撐能力。針對向量、柵格資料，快顯引擎根據空間特性進行逐級彙總，並採用可見度剔除演算法，以不切片的方式構建快顯索引支援渲染，且索引支援局部更新；針對各類三維資料，快顯引擎通過模型簡化、紋理壓縮、資料縫合等方式，構建3D 模型的渲染層級，並動態產生渲染引擎可識別格式進行展示。快顯引擎改變了傳統預切片的展示方式，提供視算一體的能力保證資料現勢性。
端到端能力
Atlas是GanosBase與阿里雲DataV團隊聯合打造的輕量級時空資料分析與可視化產品，協助互連網客戶快速發掘時空資料的價值，支撐商業位置決策、科學研究等領域應用，也可自由整合至使用者自身的時空應用中。Atlas定位於快速解決大規模時空資料分析、可視化、成果分享問題，提供以下核心能力：
能夠對大規模時空資料進行圖形化預覽能力。
能夠通過SQL語句進行GanosBase內時空資料的可視化分析。
通過點、線、面、柵格、網格等多種圖元進行時空資料的多樣化表達。
Atlas將所有時空計算全部下推到GanosBase執行，保證了時空計算的最大效率，通過GanosBase動態快顯技術與前端對接，實現各類時空資料的繪製能力，真正實現任意SQL快速上圖。目前Atlas除了支援各類時空資料的直接預覽，也可以繪製氣象雲圖、軌跡密度圖、網格彙總圖等業務地圖，並以“作品”的形式分享給其他人講述自己的“地圖故事”。
優勢
一庫統管
原生支援豐富的時空多模多態資料類型
GanosBase原生支援幾何、柵格、軌跡、地理網格等不同資料類型、儲存結構和Function Compute能力，可替代“多種資料類型，多種儲存方式”的傳統技術架構，提供僅用一種資料庫即可進行全量時空資料統一管理的能力，降低了業務複雜度與營運成本。
嚴格遵循OpenGIS標準規範，完全相容PostGIS文法
GanosBase支援已有PostGIS幾何應用的透明遷移；支援2D/3D/4D座標空間；支援建立2-D/n-D空間索引；支援平面與球面計算，空間計算精度自由可控。在多種常見時空查詢條件下，GanosBase相較於PostGIS均有5倍以上效能提升。
強大、靈活、易用的專業化柵格資料管理
GanosBase支援HDF4、HDF5、GRIB、NC等多種柵格資料入庫；支援基於OSS的透明化查詢處理；支援單行超過TB級的柵格大對象管理，並行操作提供10倍以上效能提升；支援多種柵格基礎運算元；支援影像鑲嵌、裁剪、勻色、DEM處理等業務演算法。
儲存、計算、渲染一體化三維資料管理
GanosBase支援常見的3D 模型資料類型匯入，如ifc（BIM）、glft、glb、obj、osgb、三維地質模型等，入庫後可開展複雜的三維空間分析與三維查詢，並基於GanosBase快顯引擎提供非預製切片渲染能力，基於GanosBase的三維資料計算效率比傳統方案提升50倍以上。
多元地理網格剖分編碼彙總能力
GanosBase支援GeoSOT、H3等多種網格剖分與編碼方法，可針對億級二三維空間對象迅速基於網格打碼，基於網格碼進行即時彙總查詢，並可對接GanosBase的動態MVT快顯技術開展彙總屬性的高效渲染。
海量移動對象軌跡管理與可視化
GanosBase支援人、車、船、飛行器等各類移動對象在高達時空四維環境中軌跡管理，支援軌跡、事件、多態屬性複合儲存及壓縮、分段、相似性判斷、駐點判斷等複雜計算，原生軌跡模型比傳統點模型在時空分析情境有近50~100倍效能提升。
全空間資料多態階層式存放區
GanosBase支援PolarDB PostgreSQL版資料庫構建了全空間資料多態階層式存放區能力，即資料庫不但支援Block Storage，還可以將更為廉價的Object Storage Service作為資料庫儲存介質直接使用。使用者可以將分區表中的任意分區放在Object Storage Service上，也可以將表中的時空大對象列放置在Object Storage Service上，Object Storage Service同樣支援資料庫的增刪改查索引等操作，通過多級緩衝保證效能，對客戶而言全面透明化。多態階層式存放區可極大支援客戶降低儲存成本，同時又滿足對資料的操作需求。
計算下推
與傳統時空中介軟體技術方案不同的是，GanosBase支援將業務關鍵計算下推資料庫平台中，讓計算離資料更近，可以充分利用資料庫各項處理能力實現資料本地高效計算，不但能降低因大量中間結果資料網路傳輸導致的IO延遲，也能簡化商務邏輯並大幅提升業務系統效能。
海量運算元支援各類時空分析處理業務
GanosBase支援大量豐富的空間分析運算元，包括匯入匯出、類型轉換、屬性處理、空間關係判斷、空間計算、空間處理、業務分析等，使用者可以基於這些運算元獨立構建更為複雜的業務演算法。經多個客戶實踐，這樣基於下推的GanosBase運算元構建出的業務演算法往往都會有數量級的效率提升。
時空彈性並行查詢
GanosBase支援依託PolarDB彈性並行能力（ePQ）進行時空查詢，ePQ支援跨機並行，它可以將充分利用資料庫的唯讀節點參與到複雜分析型查詢中，從而提升查詢效率。相較於單機資料庫並行查詢，ePQ在22項各類查詢中，19條查詢加速10倍以上，3條查詢加速60倍以上，並且效能隨資源擴充線性提升。
時空事務分析一體化（HTAP）
GanosBase協同PolarDB PostgreSQL版與AnalyticDB PostgreSQL版資料庫，構建了面向時空領域的事務分析一體化（HTAP）能力，GanosBase不僅可以直接支援兩種資料庫產品，也可以在交易資料庫PolarDB PostgreSQL版上增掛AnalyticDB PostgreSQL版分析節點，利用HTAP實現事務節點與分析節點上時空資料無縫同步與功能打通。
視算一體
GanosBase構建了二、三維免切片訪問的快顯引擎，可以對時空資料所表徵的實體進行基於一套資料的高效檢索與可視化表達，替代了傳統技術棧“檔案存、資料庫算、瓦片看”的複雜方式，以視算一體的支援人員各類空間查詢、時空查詢、面向情境查詢以及跨模融合查詢等業務應用。
快顯索引
GanosBase基於可見度剔除演算法構建了稀疏金字塔索引支援億級規模多邊形地物可視化秒級訪問，支援億級快顯索引的分鐘級並行更新。
MVT增強
GanosBase針對任意時空查詢結果可視化，提供了PostGIS MVT增強能力，支援全域重採樣等加速演算法，支援以更快速度、更小體量動態產生向量二維/三維資料瓦片。
三維免預切渲染
GanosBase針對三維資料提供庫內簡化、紋理重組、資料縫合、LOD構建等多種能力，並支援動態產生三維瓦片對接渲染引擎。
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