基于MySQL Spatial的矢量空間數據存儲與查詢

黃 鵬

(長江工程職業技術學院， 武漢 430212)

定位技術與地理位置服務的廣泛應用，使得空間地理信息在智慧城市建設中占據重要位置。與傳統數據相比，空間數據具有數據量大、非結構化、分類編碼、空間位置相關、更新速度快等特點。目前空間數據庫有兩種主流技術模式：一種是采用空間數據引擎+關系型數據庫的中間件技術，如ESRI公司的ArcSDE。另一種是關系數據庫+空間功能擴展的對象關系型數據庫融合模式，由數據庫廠商專門實現，如Oracle Spatial，PostGIS，Mysql Spatial等[1]。

1 對象關系型空間數據庫

對象關系型數據庫采用關系模型組織屬性數據，按對象存取空間數據，實現了在數據庫內核中進行空間操作和處理，其優點是擴展SQL比較方便，較易實現數據共享與互操作[2]。目前市場上流行的三種對象關系型空間數據庫分別是Oracle Spatial，PostGIS和Mysql Spatial。

Oracle spatial 是Oracle數據庫為實現快速、高效地存取分析空間數據而推出的專用組件。Oracl Spatial定義了一種可自定義的空間對象類型SDO_Geometry，在該類型中，可以進一步定義數據的幾何體類型、空間參考坐標系、數據結構、坐標值信息等。Oracl Spatial還提供了四叉樹、參照樹等空間索引方案，支持直接在SQL語句中調用完整的空間操作函數，極大地提高了空間數據的查詢效率。Oracle Spatial實現了非結構化、有嵌套關系的空間數據與屬性數據的統一存儲和管理，為空間數據的管理和利用帶來方便。

PostGIS是在開源數據庫Postgre SQL基礎上研發出來的空間功能擴展插件，它彌補了Postgre SQL在空間數據管理上的缺陷和不足。PostGIS支持幾乎所有的空間數據類型，如點、線、多邊形、復合點、復合線、復合多邊形，也支持所有的數據存儲和構造方法。PostGIS提供了Union(求并)、Difference(求差)、Distance(求距離)等空間分析函數來操作空間數據，也提供二元謂詞來監測空間對象之間的空間關系[3]。此外，PostGIS還提供了空間坐標系轉換、空間聚集函數、柵格數據切片緩存等功能，拓展了空間數據管理能力，在目前的開源GIS建設方案中占據重要地位。

MySQL是最初由瑞典MySQL AB公司所研發的中小型數據庫管理系統，據數據庫權威網站DB-Engines統計，2020-2022三年間，MySQL牢牢占據數據庫排行榜第二名的位置。MySQL從4.0版本開始加入了Spatial模塊，簡稱為MySQL Spatial。該模塊遵循了美國OGC協會提出的開放式地理數據互操作規范，支持空間幾何數據類型，并實現了相關的空間操作函數和空間索引方法。隨著8.0版本的推出，MySQL Spatial在空間操作功能方面逐步完善，引入了地理參照坐標系，豐富了空間分析函數，又因其開源免費、知名度高等特點，已成為空間數據管理的優選方案之一。

2 MySQL Spatial空間擴展

2.1 空間數據類型及存儲格式

Mysql Spatial實現了OpenGIS規范的一個子集，實現了有限的空間幾何數據類型[4]，如Geometry(幾何基類)、Point(點)、LineString(線)、Polygon(面)等基礎數據類型，和MulitPoint(復合點)、MultiLineString(復合線)、MultiPolygon(復合面)、GeometryCollection(幾何集合)等復雜數據類型。Mysql Spatial已支持的幾何數據模型如圖1所示。

圖1 MySQL Spatial支持的幾何數據模型

Mysql Spatial采用三種數據格式WKT、WKB、內部存儲格式來描述空間數據的幾何結構。WKT(Well-Known Text format)是一種文本標記語言，用于表示地圖上的矢量幾何對象、空間參照系以及空間參照系之間的轉換。如將點對象表示為POINT(x y)，線對象表示為LINESTRING(x1 y1,x2 y2,…,xn yn)，而面對象則采用內環坐標加外環坐標的形式來表示，如POLYGON((x01 y01,x02 y02,…,x0n y0n), (x11 y11,x12 y12,…,x1n y1n))。

WKB(Well-Known Binary Format)格式以二進制流的形式交互幾何數據，將幾何信息存儲在BLOB值中。如一個點狀對象表示為21個字節的二進制數，其中1個字節代表字節序、4個字節代表幾何類型、16個字節代表雙精度x坐標、y坐標。線狀和面狀對象則保留前部“字節序和幾何類型”的位置，剩余的字節由子對象數目和子對象的坐標數組共同決定。

內部存儲格式是Mysql實際存儲幾何對象的數據格式，它與WKB格式不完全相同，而是在二進制數的頭部再加4個字節表示空間參考系的ID(SRID)值，如WGS84坐標系的SRID為4326。這樣一個點狀對象在Mysql中的實際存儲長度是25個字節。

2.2 空間索引

為了提高空間數據的搜索效率，MySQL Spatial支持為空間數據添加R-Trees(R樹)空間索引[5]。R樹索引將空間對象按范圍進行劃分，分為葉節點和非葉節點。其中葉節點不可再分，由空間對象的最小外接矩形(MBR)構成。非葉節點是可以再分的節點，也稱為父節點，它由所有子節點的公共外接矩形MBR構成，并存儲有指向各子節點的指針。自8.0版本以后，MySQL Spatial支持為MyISAM和INNODB存儲引擎的數據表添加空間索引，添加索引的關鍵字為SPATIAL INDEX，且添加索引的字段不能為空。

2.3 空間處理函數

MySQL Spatial也提供了大量的空間處理函數來操作空間數據。這些函數可以分為以下5類：幾何對象構造函數、格式轉換函數、幾何屬性訪問函數、空間關系函數和空間運算函數，如表1所示。在MySQL 8.0版本以前，空間函數的操作都是在幾何平面(笛卡爾坐標系)下進行，沒有考慮幾何對象的空間參照關系。而在MySQL 8.0版本中，空間函數已經支持同一坐標系下的幾何空間運算，極大地擴展了MySQL的空間數據處理能力。

表1 Mysql Spatial空間函數表

3 矢量空間數據存儲與查詢

為了驗證MySQL Spatial在空間數據存儲管理上的有效性，選取湖北省行政區劃數據(面類型)與綠地公園數據(點類型)為樣本，通過Shapelib開源庫實現Shapefile矢量格式數據的讀取，再調用Mysql Connector Net驅動程序的API接口，將其轉存到Mysql數據庫中。

3.1 Shapefile矢量數據讀取

Shapelib是采用c語言編寫的輕量級地圖工具，在.net環境下，可以通過DLLImport方法將其引入到c#語言中使用(注意指針與IntPtr、數組等參數的轉換關系)，也可以使用SharpShape版本來讀取數據。Shapelib讀取Shapefile數據的具體過程如下：(1)通過ShapeOpen()函數獲取文件句柄，調用SHPGetInfo()和SHPReadObject()函數讀取要素的幾何類型和坐標數據；(2)通過DBFOpen()打開屬性數據，再通過字段處理函數讀取字段類型及屬性值；(3)讀取.proj投影文件信息，根據空間參考規范，確定數據的SRID值。由于Mysql目前僅支持同一空間參考系下的函數運算，因此統一定義數據坐標系為WGS84，其SRID值為4326。Shapefile文件的讀取及存儲過程如圖2所示。

圖2 Shapefile矢量文件讀取及存儲過程

3.2 創建空間數據庫與數據表

在數據庫中，通過SQL語句“Create database myGIS; use myGIS;”創建并打開空間數據庫。由于Shapelib讀取獲得的字段類型與Mysql數據庫中的字段類型不完全一致，因此在創建數據表之前，需要確立兩者之間的轉換關系。幾何數據類型直接轉換為Mysql支持的幾何類型，而字符串類型和數字類型在轉換時還要保留數據的長度和精度信息。如表2所示。

表2 Shapelib讀取字段類型與MySQL字段類型對比

根據空間數據的特性，幾何坐標信息采用Point、

Linestring、Polygon幾何字段類型保存，屬性信息采用Mysql基礎數據類型保存。通過SQL語句“Create Table Name()”創建空間數據表，其建表過程如下：加載Mysql-connector-net驅動程序，根據之前讀取到的幾何字段類型和屬性字段類型，確定空間數據表的各個字段類型，創建對應的數據表。由于Mysql Spatial的空間函數已支持同一坐標系的空間運算，因此在建立幾何字段的同時，需附加空間參考約束‘SRID 4326’。建立行政區劃數據表的Sql語句如下所示：

CRETTETABLEhubeiRegion(FIDintprimarykeyauto_increment, -- 主鍵

SHAPEpolygonnotnullSRID4326,-- 幾何字段

NAMEvarchar(30), -- 區劃名稱

KINDvarchar(4), -- 分類碼

ADMINCODEvarchar(6), -- 行政編碼

PROVINCENAvarchar(50)); -- 所屬省份名稱

3.3 插入空間數據

數據表建好之后，將Shapefile中的坐標數據轉為標準SQL語句“Insert into values”插入表中。(1)將空間坐標數據逐一轉為WKT文本格式，緯度在前，經度在后；對于線、面對象，需要逐一獲取其子對象Part的坐標串數據，再附加其空間參考ID，以保證與數據表的結構相一致；(2)利用Mysql Spatial提供的ST_GeomFromText()函數逐一構造幾何參數；(3)依據shapelib讀取得到的屬性數據，補齊其余的屬性字段參數；(4)調用API接口的ExecuteNonQuery()方法，執行SQL語句向數據表插入一條記錄。插入空間數據后的行政區劃表如圖3所示。

圖3 MySQL空間數據存儲

3.4 空間查詢與索引

空間數據轉入數據庫后，還需要建立空間索引，

為后續的空間查詢做好鋪墊?？臻g索引的方法默認為R-Tree索引。其創建的方法是在幾何字段上建立R樹索引約束，關鍵字為Spatial Index。創建索引之前，還要確?？臻g索引字段不為空(非空約束)，且數據表的存儲引擎為InnoDB，以支持地理空間參考下的空間查詢功能。建立空間索引的SQL語句如下所示。

ALTERTABLEhubeiRegionADDSPATIALINDEX(shape);

(1)以查詢“與武漢市接壤的市級行政區劃”為例，實現行政區劃圖層內部的空間鄰接關系查詢。由于ST_Touches()函數在8.0.27版本中不能良好支持地理空間坐標系下的關系運算，因此可利用空間拓撲關系的映射不變特性，將其置于平面坐標系(SRID:0)來間接判斷要素間的空間鄰接關系。SQL查詢語句如下，查詢結果如圖4(a)所示。

圖4 MySQL空間查詢結果

SET@g= (SELECTST_SRID(shape,0)fromhubeiregionWHERENAME=“武漢市”);

SELECTNAME,ST_AsText(shape)FROMhubeiregionWHEREST_Touches(@g,ST_SRID(shape,0));

(2)以查詢“武漢市行政區劃內的綠地公園”為例，實現行政區劃圖層與綠地圖層的空間包含關系查詢。Mysql Spatial提供ST_Contains()函數來判斷實體要素間的空間包含關系。SQL查詢語句如下，查詢結果圖4(b)所示。

SET@g= (SELECTshapefromhubeiregionWHERENAME=“武漢市”);

SELECTNAMEFROMgreenlandWHEREST_Contains(@g,shape)limit14;

3.5 查詢結果分析

將上述樣本數據導入PostGIS 14中，與Mysql Spatial的查詢結果作對比分析。評測指標采用服務器執行SQL語句的實際查詢用時，排除查詢緩存和客戶端渲染技術對結果的影響，對比結果如表3所示。(1)數據導入方式：PostGIS提供了工具命令shp2pgsql及圖形化界面來導入Shapefile數據，導入后的坐標數據被定義為Geometry類型；而Mysql Spatial不提供shapefile文件導入功能，本文中使用shapelib第三方庫實現；(2)空間關系判斷：以“市內綠地”(點-面包含)及“行政區劃接壤”(面-面相鄰)的關系判斷為例，在不考慮空間參照系時，PostGIS中的查詢時間分別為67ms、116ms，Mysql Spatial中的查詢時間分別為88ms，48ms，后者總耗時少于前者。而在代入地理參照系后，前者的查詢時間幾乎沒有變化，而后者的“包含查詢”用時增加到508ms，且無法直接判斷鄰接關系，提示Mysql在空間關系的判斷上還存在不足；(3)距離量測與邊界查詢：兩者均提供了ST_Distance()函數進行地面距離的測算，在PostGIS中需要將Geometry幾何對象轉為Geography地理對象，才能獲得大地距離。以“白玉公園”到“新城廣場”中心點的距離為例，在PostGIS中的測量值為13 802.145m，耗時71ms，在Mysql中的測量值為13 802.158m，耗時66ms。另外，在讀取面要素的幾何邊界(武漢市行政邊界)時，兩者分別用時75ms、31ms，說明在不考慮空間關系運算時，Mysql的計算速度略優于PostGIS；(4)空間索引：PostGIS綜合使用了R樹與GIST索引兩種方式，而Mysql采用的是R樹索引，這也是導致兩者查詢效率產生差異的因素之一。

表3 Mysql Spatial與PostGIS查詢結果對比

4 結 語

隨著8.0版本的推出，Mysql Spatial進一步豐富了其空間處理函數，引入了地理坐標系和投影坐標系，并支持同一參考坐標系下的空間運算。其空間運算性能雖然相比PostGIS還有差距，但已能實現基于地理實體的空間關系判斷與距離測量，讀取幾何數據較快，具備了在中小型GIS系統中存儲和管理矢量數據的能力。研究中也發現，Mysql Spatial 8.0在地理坐標系下的鄰接關系判斷不夠完善，其空間分析函數不如專業的GIS應用軟件豐富。因此，Mysql Spatial未來可能會繼續專注于空間數據存儲、管理與查詢功能的完善，而將專業的地理分析功能交由商業GIS軟件來實現。