空间数据库

空间数据库
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image_caption	PostGIS是PostgreSQL数据库的空间扩展，一个流行的开源空间数据库解决方案。
en_title	Spatial Database
core_concept	空间数据模型、空间索引、空间查询
application	GIS数据管理、WebGIS、位置服务（LBS）
principle	在标准数据库管理系统（DBMS）的基础上，增加对空间数据类型、空间索引和空间操作的支持。
field	地理信息系统

空间数据库（Spatial Database）是一个经过优化的数据库系统，除了能管理和存储常规的标量数据类型（如数字、字符串、日期）外，还能有效地存储、索引和查询代表空间对象（Spatial Objects）的几何数据。简而言之，它是一个“能理解地理空间”的数据库。

空间数据库是现代地理信息系统（GIS）的后端核心，负责持久化地管理大量的矢量和栅格数据，并提供强大的空间分析能力。

核心组件

一个完整的空间数据库系统通常建立在标准的关系数据库管理系统（RDBMS）之上，并通过扩展使其具备以下三个核心能力：

1. 空间数据类型 (Spatial Data Types)

为了在数据库中表示地理实体，空间数据库定义了一系列符合开放地理空间联盟（OGC）简单要素规范（Simple Feature Specification）的几何数据类型，主要包括：

Point：点，用于表示单个位置，如一个监测站、一棵树。
LineString：线，由一系列有序的坐标点连接而成，用于表示道路、河流、管线等线性地物。
Polygon：多边形，由一个或多个闭合的环（Ring）组成，用于表示具有面积的地物，如湖泊、行政区、建筑物轮廓。第一个环是外环，后续的环是内环（洞）。
MultiPoint、MultiLineString、MultiPolygon：用于表示多个同类几何对象的集合。
GeometryCollection：可以包含不同类型几何对象的集合。

这些数据类型使得空间对象可以像普通数据一样，作为表中的一个字段进行存储。

2. 空间索引 (Spatial Index)

常规的数据库索引（如B-Tree）是为一维数据设计的，无法有效处理二维或三维的空间数据。如果对空间数据进行查询（例如，“查找在我当前位置周围500米内的所有餐馆”），没有空间索引将导致数据库进行全表扫描，效率极低。

空间索引是一种特殊的数据结构，它通过某种方式对多维的空间对象进行降维或划分，从而能够快速地在庞大的数据集中检索出符合空间关系的子集。常见的空间索引方法包括：

R-Tree（R树）：最常用的空间索引之一。它将邻近的空间对象组织在同一个最小外包矩形（Minimum Bounding Rectangle, MBR）中，并以层级化的树状结构进行存储。
Quadtree（四叉树）：一种递归地将空间划分为四个象限的树状结构。
Grid Index（格网索引）：将空间划分为均匀的格网单元，每个单元记录落入其中的对象。

3. 空间函数与操作 (Spatial Functions & Operators)

空间数据库提供了一套丰富的函数库，用于对空间数据进行查询和分析。这些函数遵循OGC规范，使得不同数据库之间的操作具有一致性。主要包括：

空间关系查询：判断两个几何对象之间的空间关系，如：

   *   `ST_Intersects`：是否相交
   *   `ST_Contains`：是否包含
   *   `ST_Within`：是否在...之内
   *   `ST_Touches`：是否接触
   *   `ST_Crosses`：是否穿越
   *   `ST_Overlaps`：是否重叠

空间分析操作：根据一个或多个几何对象生成新的几何对象，如：

   *   `ST_Buffer`：缓冲区分析，生成一个几何对象周围一定距离的区域。
   *   `ST_Intersection`：求两个几何对象的交集。
   *   `ST_Union`：求两个几何对象的并集。
   *   `ST_Difference`：求两个几何对象的差集。

度量函数：计算几何对象的属性，如：

   *   `ST_Length`：计算线的长度。
   *   `ST_Area`：计算多边形的面积。
   *   `ST_Distance`：计算两个几何对象之间的最短距离。

主流空间数据库

PostGIS：最著名和功能最强大的开源空间数据库，作为PostgreSQL的扩展模块提供。
MySQL Spatial：MySQL数据库的内置空间扩展。
SpatiaLite：一个轻量级的空间数据库，作为SQLite的扩展。
Oracle Spatial：甲骨文公司为其商业数据库Oracle Database提供的空间数据管理选件。
Microsoft SQL Server：在其较新版本中也提供了对空间数据类型的支持。

参见