科学出版社“十四五”普通高等教育本科规划教材

地理信息系统理论与应用丛书

ISBN：978-7-03-076834-6

地理信息系统（GIS）向云计算的数字化转型和升级势必需要经历从以功能为中心到以数据为中心、从数据引擎到空间数据库、从单机环境到云平台的三大转变。可见，空间数据库相关理论和技能的学习对地理学、测绘学及相关专业学生日后开展各类工作有重要意义。

空间数据库是计算机科学与地理学的交叉领域。为发展自主知识产权的空间数据库技术，国家先后布局了系列关键技术研发和应用示范项目。程昌秀教授作为空间数据库领域的核心骨干，对国内外经典空间数据库管理系统进行了深入剖析与系统实践，在海量空间数据管理、高效搜索引擎等核心技术方面取得重要进展。2012 年编著了《空间数据库管理系统概论》。2014 年，作者开始依托该著作反哺教学，并在教学实践中不断完善理论体系、丰富实践案例，形成了《空间数据库管理系统概论（第二版）》和《空间数据库实验教程》两部教材。

内容简介

以数据为中心的应用模式是未来地理信息科学发展的重要趋势。掌握空间数据库相关理论和方法，势必成为地理学、测绘学及相关专业学生日后开展各类工作的重要基本技能。

本书以“单机→C/S→B/S→云”的升级为主线，首先系统介绍了结构化关系数据库的相关理论和技术；其后，针对非结构化的地理空间数据，以国际国内相关标准为抓手，系统阐述了从关系数据库向空间数据库的升级和扩展过程，梳理了空间数据相关的核心概念、重要理论与关键知识点，主要包括：空间数据模型、空间结构化查询语言、空间索引、空间查询处理与优化等。

读者对象

本书旨在服务于地理学、测绘学及相关专业本科生的教学工作，或相关专业技术人才的职业培训工作。

本书框架

《空间数据库管理系统概论（第二版）》（以下简称：本教程）是以空间数据库“单机→C/S→B/S→云”的升级为主线，系统讲述了上述升级过程中积淀的核心概念、重要理论与关键知识点，并以国际国内相关标准为抓手，系统介绍了空间数据库系统的共性理论、方法和技术，具体如图 1 所示。

图1 “共性理论-关键内容-知识要点”的课程内容

图 1 中白色内层区域列出了计算机领域数据管理的共性理论，即归纳了体系结构、数据模型、关系运算、索引、结构化查询语言（ Structured query language ， SQL ）、查询优化、并发控制、设计与实现、新型空间数据库（ spatial database ， SDB ）等九大数据库关键理论； 对应本教程第 1 章到第 6 章 。具体内容如下：第1章介绍了数据库领域的常用术语；以数据库领域的图灵奖为主线，梳 理了数据库领域近百年做出的重要理论成就。 这些成就也是后续章节介绍的重点。 第 2 章介绍了数据库管理模型的发展史，引出了成熟的关系数据库和对象 - 关系数据库； 介绍了关系数据库的核心理论基础——关系范式和关系代数，其中，关系范式是空间数据库表结构设计的重要基础理论，而关系代数是后续学习结构化查询语言（ structured query Language, SQL ）的重要基础理论； 最后介绍了关系数据库管理系统的七大优势。 第 3 章重点介绍了结构化查询语言的历史、特点，以及相关的语法规则和查询案例，通过本章的学习希望读者掌握 SQL 的撰写。 第 4 章重点介绍了数据库的设计过程与设计步骤，以及关键步骤所需的设计工具和文档范例，使读者掌握数据库设计的相关流程和规范。 第 5 章介绍了常见的索引数据结构及其查询执行过程，便于读者理解数据库内部的机制，为后续实践中数据库的调优工作奠定基础。 第 6 章介绍了关系数据库中并发访问控制机制与安全访问控制机制的基本理论和知识点，以及在并发和安全方面需要注意的问题。

图 1 中灰色区域则从内层的九大共性理论出发，结合地理空间数据的管理、处理与分析的特殊性，扩展了非结构化地理空间数据管理的关键基础理论（灰色中间层），并辐射出相关知识点（灰色外层），形成了从理论到方法到技术的一套完备的空间数据库教学内容理论体系和知识点； 对应本教程的第 7 章到第 12 章。 具体内容如下： 第 7 章介绍空间数据库的相关基本概念，空间数据库管理技术的发展历史以及相关国际标准和国家标准。 第 8 章介绍空间数据库中常见的几何对象模型、几何拓扑模型、网络拓扑模型、栅格模型、注记文本模型，以及如何在对象关系数据库中扩展实现上述各类模型。 第 9 章以常用的几何对象模型、栅格模型为例，介绍空间数据库中扩展出的常用数据类型及相关函数，以及相关的语法规则和查询案例，通过此章的学习希望读者掌握 GSQL 的撰写。 第 10 章介绍网格索引、四叉树索引、 R 树索引、填充曲线索引等常见的空间索引及其空间查询执行过程，为后续实践中空间数据库调优工作奠定基础。 第 11 章介绍空间查询处理与优化的内部实现机制，阐述相应的启发式规则、代价评估模型、空间直方图等概念，为后续实践中空间数据库调优工作以及内核技术的研发奠定基础。 第 12 章介绍近年来时空大数据管理的新技术、新方案，以及相关的新服务与新应用，扩大读者视野、启发思考。

为深入理解本教程中相关理论并结合具体案例开展实践，《空间数据库实验教程》是与之配套使用的实验教程。涉及地层孢粉观测数据、蓝湖地区地图数据、黄河流域典型要素数据库、出租车时空轨迹与社区规划等实践案例，如图 2。

图2 空间数据库管理系统实践案例

主要作者简介

程昌秀

博士，北京师范大学地理科学部京师特聘教授。兼任教育部地理信息科学专业虚拟教研室工作委员会主任，欧亚系统科学研究会理事，中国地理学会地理大数据工委会副主任委员等职务。长期从事地理时空数据分析与应用方向的研究，科研成果获省部级一等奖2项（排名第1），获茅以升北京青年科技奖、第八届全国高校 GIS 创新人物奖、北京师范大学教学名师奖等荣誉。教学成果与课程分别获第三届全国高等学校 GIS 教学成果奖特等奖、北京市高等学校优质本科生课程。

本文摘 自《 空间数据库管理系统概论 》（程昌秀编著. 2 版. 北京： 科学出版社，2023.11）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

（本文编辑：谢婉蓉）

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