SQL Server 2008空間數(shù)據(jù)應(yīng)用系列二：空間索引（Spatial Index）基礎(chǔ)
Microsoft SQL Server 2008 提供了全面性的空間支持，可讓組織通過具有空間功能的應(yīng)用程序來無縫地取用、使用及擴(kuò)展以位置為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，***協(xié)助用戶做出更好的決策。本篇文章著重介紹的是空間索引的概念微軟SQL Server 2008空間索引的應(yīng)用。
一、空間索引
空間索引是指依據(jù)空間對象的位置和形狀或空間對象之間的某種空間關(guān)系按一定的順序排列的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中包含空間對象的概要信息。作為一種輔助性的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，空間索引介于空間操作算法和空間對象之間，它通過篩選作用，大量與特定空間操作無關(guān)的空間對象被排除，從而提高空間操作的速度和效率。
來至百科的定義：為便于空間目標(biāo)的定位及各種空間數(shù)據(jù)操作，按要素或目標(biāo)的位置和形狀或空間對象之間的某種空間關(guān)系來組織和存儲數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。
關(guān)于更多空間索引的知識點(diǎn)需要深入了解EPSG和SRID，本文主要介紹基于微軟SQL Server 2008的空間數(shù)據(jù)特性實(shí)現(xiàn)介紹，故不詳細(xì)介紹這些基礎(chǔ)理論知識點(diǎn)，有興趣的可以訪問文末的推薦資料鏈接，了解更多關(guān)于EPSG核SRID的相關(guān)知識。
SQL Server 2008中的空間數(shù)據(jù)類型作為CLR系統(tǒng)類型來執(zhí)行。SQL Server 2008增加了數(shù)據(jù)庫中的CLR類型的***規(guī)模，提高了原來在SQL Server 2005中的8000字節(jié)的限制，這使得它可以存儲非常復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)元素，例如通過許多點(diǎn)定義的多邊形。通過在關(guān)系表中存儲空間數(shù)據(jù)，SQL Server 2008 使得可以結(jié)合空間數(shù)據(jù)到其他任何商業(yè)數(shù)據(jù)類型中去;這消除了對維護(hù)一個(gè)單獨(dú)的只用于空間數(shù)據(jù)存儲的維護(hù)要求，并使得可以做高性能查詢，它不需要結(jié)合從多個(gè)外部來源獲得的數(shù)據(jù)。
在SQL Server 2008中對空間索引的支持進(jìn)一步增強(qiáng)了對空間數(shù)據(jù)的查詢操作。你可以用一個(gè)集成在SQL Server數(shù)據(jù)庫引擎中的適合的多級網(wǎng)格索引來檢索空間數(shù)據(jù)。空間索引包含一個(gè)基于網(wǎng)格的層級，在其中每一級索引又細(xì)分為由上一級所定義的網(wǎng)格區(qū)域。下圖為官方給出的一個(gè)空間索引的概率模型圖：
SQL Server查詢優(yōu)化器會作出基于成本的決策，決定對給定的查詢使用哪種索引，并且因?yàn)榭臻g索引是數(shù)據(jù)庫引擎的一個(gè)完整部分，可以作出關(guān)于是否使用特殊的空間索引的基于成本的決策，就像其它索引一樣。
二、SQL Server 2008的空間參考系統(tǒng)
微軟SQL Server 2008的空間系統(tǒng)表(實(shí)際上是一個(gè)系統(tǒng)視圖)"sys.spatial_reference_systems"中存儲了詳細(xì)的支持所有大地測量空間參考系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，該表中的每一行數(shù)據(jù)對應(yīng)于一個(gè)唯一的空間參考系統(tǒng)，可以基于這些空間參考系統(tǒng)在SQL Server 2008中來定義任何形式的空間數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)表“sys.spatial_reference_systems”中實(shí)際上僅僅只是存儲了應(yīng)用于SQL Server 2008中地理參照坐標(biāo)的參考系統(tǒng)，除了空間參考系統(tǒng)可以使用這張表中列出的參考系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，也可以基于這些標(biāo)準(zhǔn)來定義基于任何地理投影的空間數(shù)據(jù)。
三、空間參照文本格式（WKT）
Well-Known Text (WKT) Representation of Spatial Reference Systems：顧名思義用眾所周知的文字形式來描述看見坐標(biāo)參考系統(tǒng)，它與EPSG（2005年已經(jīng)換名）的坐標(biāo)文字表述模型一致。WKT字符串應(yīng)用于確定空間參考系統(tǒng)的組成部分的描述，其定義主要包含以下10項(xiàng)內(nèi)容：
1、一個(gè)總體的坐標(biāo)系名
2、一個(gè)地理圖形坐標(biāo)系統(tǒng)名
3、一個(gè)基準(zhǔn)面定義
4、一個(gè)橢球體的名字。長半軸(semi-major axis)和反扁率(inverse flattening)
5、本初子午線(prime meridian)名和其與格林威治子午線的偏移值
6、投影方法類型（如橫軸莫卡托）
7、投影參數(shù)列表（如中央經(jīng)線等）
8、一個(gè)單位的名稱和其到米和弧度單位的轉(zhuǎn)換參數(shù)
9、軸線的名稱和順序
10、在預(yù)定義的權(quán)威坐標(biāo)系中的編碼（如EPSG）
- select well_known_text
- from sys.spatial_reference_systems
- where authorized_spatial_reference_id=4326
- and authority_name='EPSG'
基于sys.spatial_reference_systems表定義了多種不同的空間參照系統(tǒng)的WKT描述，如上SQL語句查詢出的是我們平時(shí)在地圖應(yīng)用開發(fā)中使用最多的EPSG:4326空間參照系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，則對于的WKT如下：
- GEOGCS["WGS 84",
- DATUM["World Geodetic System 1984",
- ELLIPSOID["WGS 84", 6378137, 298.257223563]],
- PRIMEM["Greenwich", 0],
- UNIT["Degree", 0.0174532925199433]
- ]
以上KWT字符串確定了EPSG:4326空間參照系統(tǒng)的組成部分元素描述，其主要使用了四種空間配置，分別為：基準(zhǔn)（Datum）、橢圓（Ellipsoid）、本初子午線（Primem）和Unit（計(jì)量單位）。關(guān)于這些空間參考系統(tǒng)參數(shù)在上一篇文中中介紹過，這里就不在做重復(fù)介紹，以上KWT字符串表述的意思大致是這樣的：“WGS 84坐標(biāo)系，采用1984年訂立的世界地理坐標(biāo)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，地理標(biāo)準(zhǔn)半徑為：6378137........”。
四、SQL Server 2008的空間索引
SQL Server 2008 引入了對空間數(shù)據(jù)和空間索引的支持。“空間索引”是一種擴(kuò)展索引，允許您對空間列編制索引。空間列是包含空間數(shù)據(jù)類型（如 geometry 或 geography）數(shù)據(jù)的表列。本節(jié)中的主題介紹了空間索引。
在 SQL Server 2008 中，空間索引(存儲在:sys.spatial_indexes表中)使用 B 樹構(gòu)建而成，也就是說，這些索引必須按 B 樹的線性順序表示二維空間數(shù)據(jù)。因此，將數(shù)據(jù)讀入空間索引之前，SQL Server 2008 先實(shí)現(xiàn)對空間的分層均勻分解。索引創(chuàng)建過程會將空間分解成一個(gè)四級“網(wǎng)格層次結(jié)構(gòu)”。這些級別指的是“第 1 級”（***）、“第 2 級”、“第 3 級”和“第 4 級”。
每個(gè)后續(xù)級別都會進(jìn)一步分解其上一級，因此上一級別的每個(gè)單元都包含下一級別的整個(gè)網(wǎng)格。在給定級別上，所有網(wǎng)格沿兩個(gè)軸都有相同數(shù)目的單元（例如 4x4 或 8x8），并且單元的大小都相同。下圖顯示了網(wǎng)格層次結(jié)構(gòu)每個(gè)級別的右上角單元被分解成 4x4 網(wǎng)格的情況。事實(shí)上，所有單元都是以這種方式分解的。因此，以此為例，將一個(gè)空間分解成四個(gè)級別的 4x4 網(wǎng)格際上會總共產(chǎn)生 65,536 個(gè)第四級單元。針對空間索引進(jìn)行的空間分解與應(yīng)用程序數(shù)據(jù)使用的度量單位無關(guān)。
網(wǎng)格層次結(jié)構(gòu)的單元是利用多種 Hilbert 空間填充曲線以線性方式編號的。然而，出于演示目的，這里使用的是簡單的按行編號，而不是由 Hilbert 曲線實(shí)際產(chǎn)生的編號。在下圖中，幾個(gè)表示建筑物的多邊形和表示街道的線已經(jīng)放進(jìn)了一個(gè) 4x4 的 1 級網(wǎng)格中。第 1 級單元的編號為 1 到 16，編號從左上角的單元開始。
沿網(wǎng)格軸的單元數(shù)目確定了網(wǎng)格的“密度”：單元數(shù)目越大，網(wǎng)格的密度越大。例如，8x8 網(wǎng)格（產(chǎn)生 64 個(gè)單元）的密度就大于 4x4 網(wǎng)格（產(chǎn)生 16 個(gè)單元）的密度。網(wǎng)格密度是以每個(gè)級別為基礎(chǔ)定義的。網(wǎng)格配置單元數(shù)目低 ：4X4 =16，中8X8 = 64，高16X16 =256，默認(rèn)設(shè)置所有級別都為 中。
您可以通過指定非默認(rèn)的網(wǎng)格密度控制分解過程。例如，在不同級別指定不同網(wǎng)格密度對于基于索引空間的大小和空間列中的對象來優(yōu)化索引可能非常有用。空間索引的網(wǎng)格密度顯示在 sys.spatial_index_tessellations 目錄視圖的 level_1_grid、level_2_grid、level_3_grid 和 level_4_grid 列中。
將索引空間分解成網(wǎng)格層次結(jié)構(gòu)后，空間索引將逐行讀取空間列中的數(shù)據(jù)。讀取空間對象（或?qū)嵗┑臄?shù)據(jù)后，空間索引將為該對象執(zhí)行“分割過程”。分割過程通過將對象與其接觸的網(wǎng)格單元集（“接觸單元”）相關(guān)聯(lián)使該對象適合網(wǎng)格層次結(jié)構(gòu)。從網(wǎng)格層次結(jié)構(gòu)的第 1 級開始，分割過程以“廣度優(yōu)先”方式對整個(gè)級別進(jìn)行處理。在可能的情況下，此過程可以連續(xù)處理所有四個(gè)級別，一次處理一個(gè)級別。
注：以上內(nèi)容截取SQL Server 2008幫助文檔，詳細(xì)請查看聯(lián)機(jī)幫助文檔。
五、相關(guān)資料
[1]、EPSG：http://en.wikipedia.org/wiki/European_Petroleum_Survey_Group
[2]、SRID：http://en.wikipedia.org/wiki/SRID
[3]、WKT：http://en.wikipedia.org/wiki/Well-known_text
[4]、空間索引概論：http://www.cnblogs.com/terryfeng/archive/2009/05/27/1490803.html
總結(jié)：
通過本文我們了解了空間索引的概念和微軟SQL Server 2008 空間索引的應(yīng)用，在后續(xù)文章中將了解SQL Server 2008 空間數(shù)據(jù)類型。
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