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1.1. I. OGC 与 OGC 标准

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1.3. III. GML-地理标记语言

1.2. II. SFS-简单要素标准

1.2.1. 概述

SFS（OpenGIS® Simple Features Interface Standard）的当前版本是1.2.0。事实上SFS中包括两部分内容， 第一部分是描述简单要素的通用模型（Part1: Common architecture）、另一部分是描述前一部分模型在SQL中的实现（Part 2: SQL option） 2。我们平时所熟知的 WKT、WKB 等就在第一部分中叙述，而在空间 SQL 诧句中常见的 AsText、Intersects 操作等则在第二部分中有定义。

下面就 SFS 中比较重要的内容进行详细的说明，包括第一部分中的几何对象模型、WKT 描述的几何对象、 WKB 描述的几何对象、WKT 描述的空间参考和第二部分中的 SQL 预定义 schema、SQL 几何类型、SQL 空间操作。

2

原本还有关于CORBA和OLE/COM的实现，当前版本已经不支持了。

1.2.2. 几何对象模型

imagea

图 1 SFS 中定义的几何对象模型

图 1 显示的是 SFS 中几何对象的关系结构，简单要素中的几何对象主要就是定义了点、线、面和多点、多线、多面。另外，几何对象还涉及一系列的操作，如图2 所示。

imageb

图 2 Geometry 的操作

1.2.3. WKT 描述的几何对象

WKT（Well-known Text）可以通过文本来描述几何对象。下面的例子可以比较快速、直观地说明什么是 WKT：

几何类型

WKT 例子

说明

Point

Point (10 10)

点

LineString

LineString ( 10 10, 20 20, 30 40)

有 3 个节点的线

Polygon

Polygon ((10 10, 10 20, 20 20, 20 15, 10 10))

叧有 1 个外环的多边形

MultiPoint

MultiPoint

(

(10 10),

(20 20)

多点

)

MultiLineString

MultiLineString

(

(10 10, 20 20),

(15 15, 30 15)

)

多线

MultiPolygon

MultiPolygon

(

((10 10, 10 20, 20 20, 20 15, 10 10)),

((60 60, 70 70, 80 60, 60 60 ))

)

多面

GeometryCollection

GeometryCollection

(

POINT (10 10),

POINT (30 30),

LINESTRING (15 15, 20 20)

)

几何集合

PolyhedralSurface

PolyhedralSurface Z

(

((0 0 0, 0 0 1, 0 1 1, 0 1 0, 0 0 0)),

((0 0 0, 0 1 0, 1 1 0, 1 0 0, 0 0 0)),

((0 0 0, 1 0 0, 1 0 1, 0 0 1, 0 0 0)),

((1 1 0, 1 1 1, 1 0 1, 1 0 0, 1 1 0)),

((0 1 0, 0 1 1, 1 1 1, 1 1 0, 0 1 0)),

((0 0 1, 1 0 1, 1 1 1, 0 1 1. 0 0 1))

)

多个表面构成的立方体

Tin

Tin Z

(

((0 0 0, 0 0 1, 0 1 0, 0 0 0)),

((0 0 0, 0 1 0, 1 0 0, 0 0 0)),

((0 0 0, 1 0 0, 0 0 1, 0 0 0)),

((1 0 0, 0 1 0, 0 0 1, 1 0 0)),

)

4 个三觇形构成的 TIN 网格

Point

Point Z (10 10 5)

三维点

Point

Point ZM (10 10 5 40)

带 M 值的三维点

Point

Point M (10 10 40)

带 M 值的二维点

表 2 WKT 描述几何对象示例

1.2.4. WKB 描述的几何对象

WKB（Well-known Binary）通过序列化的字节对象来描述几何对象。在

WKB 中主要涉及两种数值类型：一种是 uint32，占 4 个字节，用以存储节点数、几何对象类型等信息；另一种是 double，占 8 个字节，用以存储节点坐标值。其中的几何对象类型对应的整数可以参考下表：

image_0

图 3 WKB 中几何类型对应的整数值

除此之外，WKB在第一位还存储了一个额外的字节用来标识字节序 3 （0=Big-Indian，1=Little-Indian）。因此，对于一个点（不带 M 值的二维点）来说，它的 WKB 描述应该类似下面的结构，总共占据 21 个字节：

image_1

图 4 WKB 描述点的字节结构

对于有 2 个节点的线来说，WKB 描述应该包吨 41 个字节：

image_2

图 5 WKB 描述线的字节结构

对于仅有 1 个外环，由 3 个节点构成的多边形来说，WKB 描述则应该包吨

77 个字节：

image_33 1字节（字节序） 4字节（几 4字节（环 4字节（环 8字节（节 8字节（节 8字节（节 8字节（节 8字节（节 8字节（节 8字节（节 8字节（节何类型） 数） 1的节点数） 点1 X坐标） 点1 Y坐标） 点2 X坐标） 点2 Y坐标） 点3 X坐标） 点3 Y坐标） 点1 X坐标） 点1 Y坐标）

图 6 WKB 描述多边形的字节结构

3

关于字节序可以参考：http://zh.wikipedia.org/zh/%E5%AD%97%E8%8A%82%E5%BA%8F

1.2.5. WKT 描述的空间参考

WKT 除了可以描述几何对象，也可以描述空间参考。通过 2 个例子可以很直观地看到如何通过文本来描述空间参考。

对于一个地理坐标系，比如最常见的 WGS84 坐标系统，WKT 描述是这样的：

GEOGCS

[

"GCS_WGS_1984",

DATUM["D_WGS_1984",SPHEROID["WGS_1984",6378137.0,298.257223563]],

PRIMEM["Greenwich",0.0],

UNIT["Degree",0.0174532925199433],

AUTHORITY["EPSG",4326]

]

“GEOGCS”表明其后紧随的“[ ]”中描述的是一个地理坐标系统。该坐标系统名称为“GCS_WGS_1984”；采用的大地基准面为“D_WGS_1984”，该基准面近似椭球体的长轴为 6378137.0 米、扁率为 298.257223563；以格林威治 0 度经线为起始经线；地图单位为度，该单位的转换因子 4 为 0.

0174532925199433（π/180）；最后，该坐标系统在EPSG 5 中的编码为“4326”。对于一个投影坐标系，比如 WGS84 Web Mercator（Auxiliary Sphere）

坐标系统，WKT 描述是这样的：

PROJCS

[

"WGS_1984_Web_Mercator_Auxiliary_Sphere",

GEOGCS

[

"GCS_WGS_1984",

DATUM["D_WGS_1984",SPHEROID["WGS_1984",6378137.0,298.257223563]],

PRIMEM["Greenwich",0.0],

UNIT["Degree",0.0174532925199433]

],

PROJECTION["Mercator_Auxiliary_Sphere"],

PARAMETER["False_Easting",0.0],

PARAMETER["False_Northing",0.0],

PARAMETER["Central_Meridian",0.0],

PARAMETER["Standard_Parallel_1",0.0],

PARAMETER["Auxiliary_Sphere_Type",0.0],

UNIT["Meter",1.0],

AUTHORITY["EPSG",3857]

]

类似的，“PROJCS”代表这是一个投影坐标系。投影坐标系中必然会包括一个地理坐标系，这里的地理坐标系就是“GCS_WGS_1984”，这个地理坐标系的定义和上面的类似。下面紧跟着的是投影的相关参数，

“Mercator_Auxiliary_Sphere”是采用投影的名称，这个投影坐标系以 0 度经

线为中央经线进行投影；坐标系的单位为米（显然，转换因子就为 1.0），而该坐标系的 EPSG 编码为“3857”。

4

转换因子意为一个单位所代表的米（线性单位）戒所代表的弧度数（觇度单位）。

5

在线 EPSG编码参考：http://spatialreference.org/ref/epsg/

1.2.6. SQL 预定义 schema

在空间数据库中，需要一些表来存储和管理几何字段、空间参考等信息，因此 OGC 首先规定了在数据库中需要的 Schema 对象 6 ：

image_a1

图 7 OGC 空间数据库中需要预定义的 schema

可见，数据库中必须要有一个记录几何字段信息的GEOMETRY_COLUMNS 表和一个记录空间参考信息的 SPATIAL_REF_SYS 表。从支持 OGC 标准的空间数据库中，我们都可以找到这两张表。当然，有些空间数据库直接使用

“GEOMETRY_COLUMNS”和“SPATIAL_REF_SYS”作为这两张表的名称，比如 PostGIS，有些则采用其它名字，比如 Oracle Spatial 采用 “OGIS_GEOMETRY_COLUMNS”和“OGIS_SPATIAL_REFERENCE_SYSTEMS”、ArcSDE for Oracle 则采用

“GEOMETRY_COLUMNS”和“SPATIAL_REFERENCES”，不一而同。

6

兼容 ISO《SQL Multimedia and Application Packages(SQL/MM)—Part 3: Spatial》中的空间信息Schema 短名字规图定义。

1.2.7. SQL 几何对象存储

图 7 中显示在 OGC 标准中几何信息存储在一个 Geometry 表中，这个表可以用常规字段或 WKB 两种方式存储几何对象，Geometry 表通过 GID 字段关联到 Feature 表的几何字段。事实上，OGC 标准中还有一种定义，Feature 表的几何字段也可以是 SQL UDT（自定义类型），也就是不需要额外的 Geometry 表来存储几何信息，而直接存储在 Feature 表的几何字段中。大多数数据库都是采用这种自定义类型的方式存储几何信息，比如 ArcSDE 中的 ST_Geometry 类型、PostGIS 中的 Geometry 和 ST_Geometry 类型。

自定义类型可以采用 SFS 标准中定义的几何类型，也可以采用 SQL/MM 7 的定义，比如 PostGIS 对这两种定义都进行了支持，下图是 SFS 和 SQL/MM 几何类型定义的一个对应关系：

imga0

图 8 SFS 和 SQL/MM 几何类型的对应关系

用户既可以遵循 SFS 的定义，使用类似“Geometry”、“Point”这样的命

名；也可以遵循 SQL/MM 定义，采用“ST_”作为前缀进行命名，如“ST_Geometry”、“ST_Point”。

SQL 几何类型的继承关系可参考图 9，可以发现 SQL 中实现的几何对象模型和图 1 所示的通用几何对象模型非常类似。

imga1

图 9 SQL 几何对象模型

7

ISO《SQL Multimedia and Application Packages》标准，其中的《Part3:Spatial》定义了和空间数据有关的内容。

1.2.8. SQL 空间操作

以 SQL/MM 定义为例，在 SFS 中规定了以下的操作。

1.2.8.1. 1. 所有几何对象支持

几何对象构造

说明

ST_WKTToSQL

从 WKT 构造几何对象

ST_WKBToSQL

从 WKB 构造几何对象

几何信息获取

说明

ST_AsText

获取 WKT 描述

ST_AsBinary

获取 WKB 描述

ST_Dimension

获取维数

ST_GeometryType

获取几何类型

ST_SRID

获取空间参考 ID

ST_IsEmpty

是否为空

ST_IsSimple

是否是简单对象

ST_Boundary

获取边界

ST_Envelope

获取矩形范围

空间关系判断

说明

ST_Equals

image0

ST_Disjoint

image1

ST_Intersects

任意部分有相交，等价于判断空间关系的 DE-9IM 字符串表达是否是以下之一：

T********

*T*******

***T*****

****T****

ST_Touches

image2

ST_Crosses

image3

ST_Within

image4

ST_Contains

image5

ST_Overlaps

image6

ST_Relate

判断是否满足 DE-9IM 字符串表达关系

距离计算

说明

ST_Distance

几何对象间的最短距离

几何运算

说明

ST_Intersection

image7

ST_Difference

image8

ST_Union

image9

ST_SymDifference

image10

ST_Buffer

image11

ST_ConvexHull

image12

1.2.8.2. 2. Point 对象支持

SQL 操作

说明

ST_X

获取 X 值

ST_Y

获取 Y 值

ST_Z

获取 Z 值

ST_M

获取 M 值

1.2.8.3. 3. Curve 对象支持

SQL 操作

说明

ST_StartPoint

获取起始点

ST_EndPoint

获取终点

ST_IsRing

是否是环

ST_Length

获取长度

1.2.8.4. 4. LineString 对象支持

SQL 操作

说明

ST_NumPoints

节点数

ST_PointN

获取第 n 个节点

1.2.8.5. 5. Surface 对象支持

SQL 操作

说明

ST_Centroid

获取中心点

ST_PointOnSurface

获取面上一点

ST_Area

获取面积

1.2.8.6. 6. Polygon 对象支持

SQL 操作

说明

ST_ExteriorRing

获取外环

ST_NumInteriorRing

获取内环数

ST_InteriorRingN

获取第 n 个内环

1.2.8.7. 7. GeomCollection 对象支持

SQL 操作

说明

ST_NumGeometries

获取几何对象数

ST_GeometryN

获取第 n 个几何对象

1.2.8.8. 8. MultiCurve 对象支持

SQL 操作

说明

ST_IsClosed

是否闭合

ST_Length

获取长度

1.2.8.9. 9. MultiSurface 对象支持

SQL 操作

说明

ST_Centroid

获取中心点

ST_PointOnSurface

获取面上一点

ST_Area

获取面积

1.2.9. ArcGIS 对 SFS 的支持

ArcGIS 10 之前的全系列产品都支持 SFS 标准，版本为 1.1。下面通过几个ArcSDE（Oracle）的空间 SQL 操作看一下：

select st_astext(st_geometry('POINT(116 39)',0)) from dual;

select shape from TEST where st_envintersects(shape,40251885,4019516,40255159,4021607)=1;

select shape from TEST where st_intersects(shape, st_geometry('POLYGON((0 0,180 -90,180 90,0 0))',2))=1;

select st_relate (g1, g2, 'T*F**FFF*') equals, st_relate (g1, g3, 'T*F**FFF*') not_equals from RELATE_TEST;

select sum (st_area (st_difference (lot, footprint))) from FOOTPRINTS bf, LOTS where bf.building_id = lots.lot_id;