简单要素模型 SFA¶
本文档主要参考了原文：简单要素模型 ，建议直接阅读原链接，这里仅作简单总结。
概述¶
OGC 的 SFA（简单要素访问）标准第一部分定义了一个简单的地理空间数据模型和操作接口，主要用于描述和操作二维几何对象。其核心是定义了几何对象的类型（如点、线、面等）以及它们之间的空间关系（比如判断是否相交、是否包含、计算距离等）。
SFA 标准第一部分主要包括以下内容：
几何对象类型：定义了基本的几何类型，例如点（Point）、线（LineString）、多边形（Polygon），以及它们的集合形式（如MultiPoint、MultiLineString、MultiPolygon）。
空间参考系统：支持将几何对象与特定的空间参考系统（SRS）关联，确保几何数据具有明确的地理坐标信息。
空间操作：提供了一组空间操作函数，用于计算几何对象的面积、长度，进行缓冲区分析，以及判断空间关系（如相交、包含、重叠等）。
数据格式：定义了几何对象的文本和二进制表示形式。常用的文本格式是 WKT（熟知文本），二进制格式是 WKB（熟知二进制）。
SFA 标准的优点是简单易用，能满足大多数GIS应用的需求。它为不同系统之间的几何数据交换提供了统一的标准，大大增强了数据的互操作性。
几何对象模型¶
SFA 定义的几何对象模型如上图所示，它是一个层次化的结构，用于表示二维空间中的各种几何图形。这个模型以几何类型为基础，能够描述从简单到复杂的几何对象。
所有几何对象的基类都是 Geometry，它是一个抽象类，具体的几何类型都继承自它。模型主要包括以下几种类型：
点（Point）：表示空间中的一个单一位置，由一对坐标 (x, y) 定义。它是最简单的几何类型。
线（LineString）：由一系列有序的点连接而成，表示一条线。它可以是直线或折线，至少需要两个点来定义。
多边形（Polygon）：由一个外部边界和零个或多个内部边界（孔洞）组成。外部边界和内部边界都是闭合的线（LineString），且内部边界必须完全位于外部边界之内。
多点（MultiPoint）：多个点的集合，这些点之间没有连接关系。
多线（MultiLineString）：多条线的集合，每条线是独立的。
多面（MultiPolygon）：多个多边形的集合，每个多边形是独立的。
几何集合（GeometryCollection）：可以包含任意类型几何对象（点、线、面等）的混合集合。
这个模型还定义了空间参考系统（SRS），用于将几何对象与地理坐标系关联起来，确保数据具有明确的空间位置。同时，模型支持几何对象的文本（WKT）和二进制（WKB）表示，便于数据的存储和交换。
这种层次化的模型既简单又灵活，能够满足大多数二维空间数据的表示需求，也为空间分析和操作打下了基础。
几何对象操作部分定义了一系列用于处理和分析几何对象的接口，主要可以分为以下几类：
空间关系判断：提供判断两个几何对象之间空间关系的函数。例如： * Equals ：判断两个几何对象是否相等。 * Disjoint ：判断是否完全不相交。 * Intersects ：判断是否相交。 * Touches ：判断是否接触。 * Crosses ：判断是否交叉。 * Within ：判断一个是否在另一个内部。 * Contains ：判断一个是否包含另一个。 * Overlaps ：判断是否部分重叠。
空间分析操作：用于计算几何对象的属性或生成新的几何对象。例如： * Distance ：计算两个几何对象之间的最短距离。 * Buffer ：生成几何对象周围指定距离的缓冲区。 * ConvexHull ：生成几何对象的凸包。 * Intersection ：计算两个几何对象的交集。 * Union ：计算并集。 * Difference ：计算差集。 * SymDifference ：计算对称差集。
几何属性计算：提供计算几何对象基本属性的函数。例如： * Area ：计算面积（适用于面）。 * Length ：计算长度（适用于线）。 * Centroid ：计算几何中心。
几何对象操作：包括对几何对象进行修改或转换的函数。例如： * Simplify ：简化几何形状。 * Boundary ：获取几何对象的边界。 * Envelope ：获取几何对象的最小外接矩形。
这些标准化的接口为GIS和空间数据库等应用中的空间数据分析与处理提供了有力支持。
注意
需要注意的是，SFA标准本身没有定义曲线（如圆弧）类型，但很多GIS软件都对其进行了扩展支持。
WKT 描述的几何对象¶
WKT（熟知文本）是一种用文本字符串描述几何对象的格式，非常直观易读。
几何类型, WKT 格式示例 |
|
|---|---|
点 (Point) |
|
点Z (PointZ) |
|
点ZM (PointZM) |
|
线 (LineString) |
|
多边形 (Polygon) |
|
多点 (MultiPoint) |
|
多线 (MultiLineString) |
|
多面 (MultiPolygon) |
|
几何集合 (GeometryCollection) |
|
多面体表面 (PolyhedralSurface) |
|
三角不规则网络 (TIN) |
|
WKB 描述的几何对象¶
WKB（熟知二进制）是一种用于描述几何对象的二进制格式，适合高效存储和传输。以下是各种几何类型在WKB中的基本结构说明。
几何类型 |
WKB 格式说明 |
|---|---|
点 (Point) |
字节顺序（1字节） + 类型标识（4字节，值为1） + X坐标（8字节） + Y坐标（8字节） |
点Z (PointZ) |
字节顺序（1字节） + 类型标识（4字节，值为1001） + X坐标（8字节） + Y坐标（8字节） + Z坐标（8字节） |
点ZM (PointZM) |
字节顺序（1字节） + 类型标识（4字节，值为3001） + X坐标（8字节） + Y坐标（8字节） + Z坐标（8字节） + M坐标（8字节） |
线 (LineString) |
字节顺序（1字节） + 类型标识（4字节，值为2） + 点数（4字节） + 点列表（每个点包含X和Y坐标，各8字节） |
多边形 (Polygon) |
字节顺序（1字节） + 类型标识（4字节，值为3） + 环数（4字节） + 每个环的点列表（每个点包含X和Y坐标，各8字节） |
多点 (MultiPoint) |
字节顺序（1字节） + 类型标识（4字节，值为4） + 点数（4字节） + 每个点的WKB表示 |
多线 (MultiLineString) |
字节顺序（1字节） + 类型标识（4字节，值为5） + 线数（4字节） + 每条线的WKB表示 |
多面 (MultiPolygon) |
字节顺序（1字节） + 类型标识（4字节，值为6） + 多边形数（4字节） + 每个多边形的WKB表示 |
几何集合 (GeometryCollection) |
字节顺序（1字节） + 类型标识（4字节，值为7） + 几何对象数（4字节） + 每个几何对象的WKB表示 |
多面体表面 (PolyhedralSurface) |
字节顺序（1字节） + 类型标识（4字节，值为15） + 多边形数（4字节） + 每个多边形的WKB表示 |
三角不规则网络 (TIN) |
字节顺序（1字节） + 类型标识（4字节，值为16） + 三角形数（4字节） + 每个三角形的WKB表示 |
说明：
字节顺序：1个字节，表示数据的字节序（0代表大端序，1代表小端序）。
类型标识：4个字节，用来标识几何对象的类型（如点、线、面等）。
坐标值：根据几何类型，可能包含X、Y、Z和M坐标，每个坐标值通常占用8字节（双精度浮点数）。
WKB 格式的优势：适合高效存储和网络传输，广泛应用于空间数据库和GIS系统。
WKT 描述的空间参考¶
在 SFA 标准中，WKT（熟知文本）不仅可以描述几何对象，还可以用来描述空间参考系统（SRS）。
WKT 描述空间参考系统的基本结构¶
描述地理坐标系的WKT格式如下：
GEOGCS["<地理坐标系名称>",
DATUM["<基准面名称>",
SPHEROID["<椭球体名称>", <长半轴>, <扁率>]
],
PRIMEM["<本初子午线>", <经度>],
UNIT["<单位名称>", <转换因子>],
AXIS["<轴名称>", <方向>],
AUTHORITY["<权威机构>", "<代码>"]
]
描述投影坐标系的WKT格式如下：
PROJCS["<投影坐标系名称>",
GEOGCS["<地理坐标系名称>",
DATUM["<基准面名称>",
SPHEROID["<椭球体名称>", <长半轴>, <扁率>]
],
PRIMEM["<本初子午线>", <经度>],
UNIT["<单位名称>", <转换因子>]
],
PROJECTION["<投影方法名称>"],
PARAMETER["<参数名称>", <参数值>],
UNIT["<单位名称>", <转换因子>],
AXIS["<轴名称>", <方向>],
AUTHORITY["<权威机构>", "<代码>"]
]
示例 1：地理坐标系（GEOGCS）¶
以下是一个描述 WGS84 地理坐标系的 WKT 示例：
GEOGCS["WGS 84",
DATUM["WGS_1984",
SPHEROID["WGS 84", 6378137, 298.257223563]
],
PRIMEM["Greenwich", 0],
UNIT["Degree", 0.0174532925199433],
AUTHORITY["EPSG", "4326"]
]
GEOGCS：表示这是一个地理坐标系。
DATUM：定义基准面，包含椭球体信息。
SPHEROID：定义椭球体的名称、长半轴和扁率。
PRIMEM：定义本初子午线（通常是格林尼治）。
UNIT：定义坐标的单位（这里是度）。
AUTHORITY：定义权威机构和其分配的代码（例如 EPSG:4326）。
示例 2：投影坐标系（PROJCS）¶
以下是一个描述 UTM 50N 投影坐标系的 WKT 示例：
PROJCS["WGS 84 / UTM zone 50N",
GEOGCS["WGS 84",
DATUM["WGS_1984",
SPHEROID["WGS 84", 6378137, 298.257223563]
],
PRIMEM["Greenwich", 0],
UNIT["Degree", 0.0174532925199433]
],
PROJECTION["Transverse_Mercator"],
PARAMETER["Latitude_of_origin", 0],
PARAMETER["Central_Meridian", 117],
PARAMETER["Scale_Factor", 0.9996],
PARAMETER["False_Easting", 500000],
PARAMETER["False_Northing", 0],
UNIT["Meter", 1],
AUTHORITY["EPSG", "32650"]
]
PROJCS：表示这是一个投影坐标系。
PROJECTION：定义所使用的投影方法（这里是横轴墨卡托）。
PARAMETER：定义投影的各种参数（如中央经线、比例因子等）。
UNIT：定义投影后坐标的单位（这里是米）。
AUTHORITY：定义权威机构和代码（例如 EPSG:32650）。
总结¶
WKT 可以清晰地描述**地理坐标系（GEOGCS）**和**投影坐标系（PROJCS）**。
通过 WKT 能够完整定义基准面、椭球体、投影方法、单位等关键信息。
WKT 格式在 GIS 系统和空间数据库中被广泛用于描述和交换空间参考信息。
SQL 预定义 Schema¶
在 SFA 标准中，SQL 预定义 Schema 定义了几何数据在关系数据库中的标准存储结构和表设计，主要包含两张核心表。
SQL 预定义 Schema 的核心表结构¶
表名 |
字段名 |
描述 |
|---|---|---|
GEOMETRY_COLUMNS |
F_TABLE_SCHEMA |
表所属的模式（数据库）名称 |
F_TABLE_NAME |
包含几何列的表名称 |
|
F_GEOMETRY_COLUMN |
几何列的名称 |
|
COORD_DIMENSION |
几何对象的坐标维度（如 2 表示2D，3 表示3D） |
|
SRID |
空间参考系统标识符 |
|
TYPE |
几何对象的类型（如 POINT LINESTRING 等） |
|
SPATIAL_REF_SYS |
SRID |
空间参考系统标识符 |
AUTH_NAME |
空间参考系统的权威机构名称（如 “EPSG”） |
|
AUTH_SRID |
权威机构定义的空间参考系统标识符 |
|
SRTEXT |
空间参考系统的 WKT 描述 |
|
PROJ4TEXT |
空间参考系统的 PROJ.4 格式描述 |
说明：
GEOMETRY_COLUMNS 表： * 用来记录数据库中所有包含几何列的表的信息。 * 包括表名、几何列名、坐标维度、空间参考（SRID）和几何类型。
SPATIAL_REF_SYS 表： * 用来存储空间参考系统的定义。 * 包括 SRID、权威机构信息、WKT 描述和 PROJ.4 描述。
使用示例：
查询数据库中有哪些几何列：
SELECT F_TABLE_SCHEMA, F_TABLE_NAME, F_GEOMETRY_COLUMN, SRID, TYPE
FROM GEOMETRY_COLUMNS;
查询特定空间参考系统（如 EPSG:4326）的详细信息：
SELECT SRID, AUTH_NAME, AUTH_SRID, SRTEXT
FROM SPATIAL_REF_SYS
WHERE SRID = 4326;
总结¶
SQL 预定义 Schema 提供了一种标准化的方式，在关系数据库中存储和管理几何数据及其空间参考。
GEOMETRY_COLUMNS 表充当了数据库空间列的“目录”。
SPATIAL_REF_SYS 表是空间参考系统的“字典”。
这套表结构被许多支持空间数据的数据库系统（如 PostGIS、MySQL Spatial 等）采用或借鉴。
SQL 几何对象存储¶
在 OGC 标准中，几何信息可以存储在一个单独的 Geometry 表中，这个表可以通过常规字段或 WKB 二进制格式存储几何对象。Geometry 表通过一个唯一标识符（GID）字段与业务表（Feature 表）的几何字段关联。
实际上，OGC 标准还提供了另一种更常用的方式：将几何信息直接存储在业务表的字段中，并使用 SQL UDT（用户自定义类型）来定义这个字段的类型。现在大多数空间数据库都采用这种方式，比如 PostGIS 中的 geometry 类型、ArcSDE 中的 ST_Geometry 类型等。
SQL 几何对象存储的核心表结构（单独表方式示例）¶
表名 |
字段名 |
描述 |
|---|---|---|
GEOMETRY_TABLE |
ID |
几何对象的唯一标识符 |
GEOM |
几何对象数据（可以是 WKB 或特定类型的值） |
|
SRID |
空间参考系统标识符 |
自定义类型可以采用 SFA 标准中定义的几何类型，也可以采用 SQL/MM 标准中定义的类型。例如 PostGIS 就同时支持这两种标准。下图展示了两种标准中几何类型的对应关系：
- SQL/MM 是什么？
它是 ISO《SQL Multimedia and Application Packages》标准的一部分，其中 Part 3: Spatial 专门定义了与空间数据相关的内容。
SFA 和 SQL/MM 类型对应关系¶
SFA 类型 |
SQL/MM 类型 |
SFA 描述 |
SQL/MM 描述 |
|---|---|---|---|
Point |
ST_Point |
点几何类型 |
点几何类型 |
LineString |
ST_LineString |
线几何类型 |
线几何类型 |
Polygon |
ST_Polygon |
多边形几何类型 |
多边形几何类型 |
MultiPoint |
ST_MultiPoint |
多点几何类型 |
多点几何类型 |
MultiLineString |
ST_MultiLineString |
多线几何类型 |
多线几何类型 |
MultiPolygon |
ST_MultiPolygon |
多面几何类型 |
多面几何类型 |
GeometryCollection |
ST_GeometryCollection |
几何集合类型 |
几何集合类型 |
ST_CircularString |
圆弧几何类型（SQL/MM扩展） |
||
ST_CompoundCurve |
复合曲线几何类型（SQL/MM扩展） |
||
ST_CurvePolygon |
曲线多边形几何类型（SQL/MM扩展） |
||
ST_MultiCurve |
多曲线几何类型（SQL/MM扩展） |
||
ST_MultiSurface |
多曲面几何类型（SQL/MM扩展） |
||
ST_PolyhedralSurface |
多面体表面几何类型（SQL/MM扩展） |
||
ST_TIN |
三角不规则网络几何类型（SQL/MM扩展） |
SFA 和 SQL/MM 在基本的几何对象类型（点、线、面等）上是完全兼容的。
SQL/MM 标准扩展了 SFA，支持了更复杂的几何对象（如曲线、曲面），适用于更高级的空间分析与建模。
这些类型被 PostGIS、Oracle Spatial 等主流空间数据库广泛支持。
SQL 空间操作¶
SFA 标准定义了一套用于对几何对象进行空间分析和操作的SQL函数。
SQL 空间操作概览¶
操作类型 |
函数名称 |
描述 |
|---|---|---|
空间关系 |
ST_Equals |
判断两个几何对象是否相等 |
ST_Disjoint |
判断两个几何对象是否完全不相交 |
|
ST_Intersects |
判断两个几何对象是否相交（接触也算） |
|
ST_Touches |
判断两个几何对象是否接触 |
|
ST_Crosses |
判断两个几何对象是否交叉（例如线穿过面） |
|
ST_Within |
判断几何对象A是否完全在几何对象B内部 |
|
ST_Contains |
判断几何对象A是否完全包含几何对象B |
|
ST_Overlaps |
判断两个几何对象是否部分重叠 |
|
空间分析 |
ST_Distance |
计算两个几何对象之间的最短距离 |
ST_Buffer |
生成几何对象周围指定距离的缓冲区 |
|
ST_ConvexHull |
生成几何对象的凸包 |
|
ST_Intersection |
计算两个几何对象相交的部分 |
|
ST_Union |
计算两个几何对象的合并结果 |
|
ST_Difference |
计算几何对象A减去与几何对象B相交的部分 |
|
ST_SymDifference |
计算两个几何对象不相交的部分（对称差） |
|
几何属性 |
ST_Area |
计算几何对象的面积（适用于面和体） |
ST_Length |
计算几何对象的长度（适用于线和曲线） |
|
ST_Centroid |
计算几何对象的质心（中心点） |
不同类型几何对象的支持操作¶
下面列出了一些特定几何类型常用的操作函数示例。
点（Point）支持的操作¶
操作类型 |
函数名称 |
描述 |
|---|---|---|
空间关系 |
ST_Equals |
判断两个点是否坐标相同 |
ST_Distance |
计算两个点之间的距离 |
|
几何属性 |
ST_X |
获取点的 X 坐标 |
ST_Y |
获取点的 Y 坐标 |
|
ST_Z |
获取点的 Z 坐标（如果存在） |
线（LineString）支持的操作¶
操作类型 |
函数名称 |
描述 |
|---|---|---|
空间关系 |
ST_Intersects |
判断线是否与其他几何对象相交 |
几何属性 |
ST_Length |
计算线的长度 |
ST_StartPoint |
获取线的起点 |
|
ST_EndPoint |
获取线的终点 |
|
ST_NumPoints |
获取线包含的点的数量 |
面（Polygon）支持的操作¶
操作类型 |
函数名称 |
描述 |
|---|---|---|
空间关系 |
ST_Contains |
判断面是否包含其他几何对象 |
几何属性 |
ST_Area |
计算面的面积 |
ST_ExteriorRing |
获取面的外边界环（LineString） |
|
ST_NumInteriorRings |
获取面内部的孔洞（内环）数量 |
曲线（Curve）支持的操作（SQL/MM扩展）¶
操作类型 |
函数名称 |
描述 |
|---|---|---|
空间关系 |
ST_IsClosed |
判断曲线是否首尾相连（闭合） |
ST_IsRing |
判断曲线是否是一个简单的环（闭合且不自交） |
|
几何属性 |
ST_CurveToLine |
将曲线转换为由线段近似的 LineString |
GeometryCollection 支持的操作¶
操作类型 |
函数名称 |
描述 |
|---|---|---|
空间关系 |
ST_Equals |
判断两个几何集合是否相等 |
ST_Intersects |
判断几何集合是否与其他几何对象相交 |
|
几何属性 |
ST_NumGeometries |
获取集合中包含的几何对象数量 |
ST_GeometryN |
获取集合中第 N 个几何对象（N从1开始） |
MultiCurve 支持的操作（SQL/MM扩展）¶
操作类型 |
函数名称 |
描述 |
|---|---|---|
空间关系 |
ST_Equals |
判断两个多曲线是否相等 |
ST_Intersects |
判断多曲线是否与其他几何对象相交 |
|
几何属性 |
ST_IsClosed |
判断多曲线是否所有成员曲线都闭合 |
ST_Length |
计算多曲线的总长度 |
|
ST_NumCurves |
获取多曲线中包含的曲线数量 |
|
ST_CurveN |
获取多曲线中第 N 条曲线 |
MultiSurface 支持的操作（SQL/MM扩展）¶
操作类型 |
函数名称 |
描述 |
|---|---|---|
空间关系 |
ST_Equals |
判断两个多曲面是否相等 |
ST_Intersects |
判断多曲面是否与其他几何对象相交 |
|
几何属性 |
ST_Area |
计算多曲面的总面积 |
ST_NumSurfaces |
获取多曲面中包含的曲面数量 |
|
ST_SurfaceN |
获取多曲面中第 N 个曲面 |
总结¶
SQL 空间操作提供了丰富的函数，用于空间关系判断、空间分析和几何属性计算。
不同类型的几何对象支持的操作各有侧重，但基本关系判断（如相交、包含）适用于所有类型。
这些标准化的操作函数是 PostGIS、Oracle Spatial 等空间数据库的核心功能，极大地便利了空间数据处理。
文档总结¶
SFA（简单要素访问）标准为地理空间数据提供了一个核心、通用的模型和操作接口。它通过定义标准的几何类型（点、线、面等）、空间参考系统描述方法（WKT-SRS）、数据交换格式（WKT/WKB）以及数据库存储和操作规范（SQL Schema/MM），成功地在不同的GIS软件和空间数据库之间架起了桥梁，是实现空间数据互操作性的重要基石。