全国高校地理信息科学实验教学系列丛书
空间数据库实验教程
程昌秀张天媛万幼谷雷编著
内 容 简 介
数据驱动是地理信息科学未来核心发展方向，空间数据库搭建与实操能力，也成为地理信息科学、测绘工程等专业从业者必备基础素养。本书沿GIS单机、C/S、B/S至云端迭代脉络展开，融合蓝湖区域矢量地图、长江流域水系与地形、北京POI数据及出租车时空轨迹等真实地理数据集，设计多尺度、跨领域、贴合地理学科特色的完整实验体系。内容由浅入深，兼顾理论与实操，助力读者吃透空间数据库核心重难点，熟练掌握地理结构化查询语言(GSQL)编写、空间大数据分布式存储技术，以及生成式人工智能协同交互方法。本书适配地理科学、测绘工程等专业本科教学，亦可供行业技术人员查阅参考。
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图书在版编目 （CIP） 数据
空间数据库实验教程 / 程昌秀等编著. -- 北京 : 清华大学出版社, 2026. 8.
(全国高校地理信息科学实验教学系列丛书). -- ISBN 978-7-302-72641-8
Ⅰ. P208-33
中国国家版本馆CIP数据核字第2026GK5114号
责任编辑： 秦娜王华
封面设计： 谢晓翠
责任校对： 欧洋
责任印制： 宋林
出版发行： 清华大学出版社
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印装者： 三河市天利华印刷装订有限公司
经销： 全国新华书店
开本： 185mm×260mm印张： 15字数： 364千字
版次： 2026年9月第1版印次： 2026年9月第1次印刷
定价： 45.00元
产品编号： 116897-01审图号： GS京（2026）1703号
全国高校地理信息科学实验教学系列丛书
编委会
顾问汤国安宋关福
主任张书亮刘耀林
副主任
熊礼阳李晶程昌秀吴浩王春
洪亮任福
编委 （按姓氏拼音排序）
曹凯车健陈清祥陈颖陈勇
程峰邓敏杜世宏段福洲高照忠
谷雷郭一珂何宽胡楚丽黄丙湖
黄骁力江岭黎华李柏延李满春
李苗李思进李鑫李颖林安琪
刘德儿刘涛刘宪锋罗国玮梅新
孟祥锐明冬萍年雁云牛继强潘梅娥
秦昆邵怀勇宋立生孙亚琴万幼
王佳王世东位宏吴孟泉吴田军
吴志峰喜文飞夏既胜肖佳徐艳杰
杨建宇姚晓军张虎张韶华张天媛
张王菲张鲜化张晓祥赵建军赵江洪
赵相伟赵耀龙郑光辉郑江华周旭
周自翔
丛书序
值此“全国高校地理信息科学实验教学系列丛书”首批成果付梓之际，作为地理信息系统(GIS)教育领域从业者、本套丛书编委会顾问，我深感欣慰与振奋。
地理信息科学是支撑国土空间规划、智慧城市建设、时空大数据应用等国家战略领域的核心基础学科，其学科属性决定了实验教学在人才培养中的核心地位。实验教学是衔接课堂理论与行业实操的关键纽带，是学生将抽象原理转化为解决实际问题能力的必经之路，直接决定着地理信息专业人才的培养质量。数十年来，我国GIS教育事业蓬勃发展，专业布点持续增多，人才培养规模稳步提升，但在实践教学环节，始终存在教材体系碎片化、教学标准不统一、实操内容与产业需求衔接不紧密、国产GIS技术融入不足等共性痛点，成为专业人才培养质量进一步提升的瓶颈。
近年来，随着云计算、大数据、人工智能与三维可视化等技术的深度融入，GIS产业正加速向地理空间智能方向演进； 与此同时，信创战略全面推进，国产GIS平台已成为行业应用的主流选择，行业对人才的实践能力、技术适配性与创新素养提出了全新要求。新时代的GIS教育，急需一套体系完整、标准统一、贴合产业、适配国产技术的实验教学资源，为全国高校提供规范化的实践教学参照，推动GIS实践教学从“各自探索”走向“规范优质”。
正是基于这样的行业共识与教育使命，在2024年12月举办的首届GIS教育大会上，丛书编委会正式成立，全面启动本套丛书的编撰工作。在2025年10月举办的第二届GIS教育大会上，编委会完成与教材配套软件SuperMap GIS的资源深度对接，同步完善组织架构，聘任多位全国高校名师组织分册的编写，为丛书编撰筑牢了专业根基。历经一年多的系统筹备与深耕打磨，依托全国数十所高校的优势教学资源与行业头部企业的技术力量，首批教材终于与广大读者见面。这既是全国GIS教育界协同攻关的成果，也是产学研深度融合助力人才培养的有益探索，更标志着我国系统化的地理空间智能实践教学体系落地迈出了关键一步。
本套丛书首批推出《地理信息系统原理实验教程》《空间数据库实验教程》《GIS空间分析实验教程》《时空大数据分析实验教程》《三维GIS实验教程》《遥感地学分析与应用实验教程》，全面覆盖GIS基础原理、数据管理、空间分析、智能挖掘、三维建模、遥感应用等核心教学模块，构建了从入门基础到前沿应用、从方法原理到工程实践的完整实验教学体系。丛书的编写体例与逻辑均基于以国产GIS软件为核心的实验平台，精选真实行业案例与科研数据，既注重核心原理的拆解阐释，又强化实操能力的系统训练，着力破解“会操作而不明机理”的教学难题，兼具教学适用性与产业适配性。
作为一套面向全国高校的实验教学丛书，其出版填补了国内地理信息科学领域标准化实验教学系列丛书的空白，能够为各高校GIS专业的实验教学、课程改革提供权威规范的教学支撑，更将有力推动全国GIS实验教学的均衡化、高质量发展，助力构建产学研用一体化的人才培养体系，为我国地理信息产业持续输送高素质、应用型、创新型专业人才。
丛书编撰过程中，各分册作者凝心聚力、精益求精，开展了近百次线上线下研讨打磨，对实验内容、操作步骤、案例数据反复进行论证。编委会联动出版社严格落实出版规范，完成全流程三审三校，统一全套丛书的目录体系与装帧排版，全方位保障了丛书的专业性、规范性与系统性。
地理信息科学技术迭代迅速、应用边界持续拓展，实验教学资源也须与时俱进、动态更新。未来，编委会将紧密跟踪学科前沿发展与全国高校教学实践反馈，稳步推出更多方向的实验教程，同时对已出版教材进行常态化修订升级，保障丛书始终贴合学科发展节奏与教学实际需求。
教育事业薪火相传，教材建设永无止境。希望这套凝聚了全国GIS教育人心血的丛书，能够成为广大师生教学与学习过程中的得力助手，也期待广大读者与同行多提宝贵意见，共同推动丛书不断完善，为我国地理信息科学教育事业的发展添砖加瓦。
汤国安
2026年夏于南京师范大学
前言
“空间数据库”是地理信息科学、测绘工程等专业人才培养体系中的核心基础课程，是构建地理空间数据管理能力、支撑GIS全链路技术应用的底层基石。随着数据驱动成为地理信息科学的核心发展方向，空间数据库的搭建、运维与应用能力，已成为相关专业学生与行业从业者必备的核心专业素养。课程兼具扎实的理论体系与极强的工程实践性，既要求学生掌握空间数据模型、查询优化等核心原理，又需要通过系统化实操训练，将理论转化为真实场景下的数据管理与分析能力，对学生的工程思维与实践能力提出了较高要求。
在数字经济与国土空间数字化建设浪潮下，地理信息科学正式进入以数据为核心的全新发展阶段。空间数据库作为地理信息系统的底层核心支撑，承担着自然资源调查、智慧城市建设、交通时空治理、流域生态监测等各类行业业务的数据存储、查询与智能分析职能，是数字孪生、实景三维、国土空间规划等重大工程不可或缺的技术基座。与此同时，伴随全国信创战略全面落地，国产化GIS软件替代进程持续提速，以SuperMap GIS系列软件为代表的国产地理信息平台已广泛应用于政务、自然资源、生态环境、交通等关键行业。产业变革倒逼人才培养体系同步转型，熟练掌握国产GIS平台空间数据库搭建、运维及时空大数据处理的实操能力，已成为相关专业人才培养的核心目标。
近年来，国内高校空间数据库课程建设持续推进，在理论体系完善、教学资源建设、教学方法创新等方面取得了一系列积极成果。但从实验教学层面看，仍存在与产业发展不相适配的现实瓶颈： 一是市面上主流空间数据库实验教材大多基于国外GIS软件开发，无法适配现阶段国产化教学与产业应用需求； 二是现有国产GIS相关图书多侧重三维开发与二次编程，缺少覆盖空间数据库全流程的分层实验设计，鲜有融入分布式存储、时空轨迹挖掘、生成式人工智能协同处理等前沿内容； 三是教学中理论课堂与上机实操脱节问题突出，企业招聘时常反映应届生不熟悉国产空间数据库操作，人才供给与行业需求存在明显断层。在此时代与行业双重背景下，编写一套契合信创发展、依托国产GIS平台，体系完整的空间数据库实验教程，具备极强的现实必要性与应用价值。
本书由北京师范大学、武汉大学、河北师范大学、文山学院等多所高校GIS专业一线教师联合编著，依托团队多年国家一流本科课程教学积累、多项地理空间数据管理科研项目成果，以及全国高等学校GIS教学成果特等奖的实践经验编写而成,是《空间数据库管理系统概论》（第二版）的配套实验教材。编写团队秉持“技术演进为主线、国产平台为依托、真实场景为载体、能力进阶为目标”的建设思路，立足一线教学与产业实际需求，系统构建了梯度化的实验教学体系。
全书以GIS技术“单机—C/S—B/S—云”的演进架构为主线，依托SuperMap GIS等软件实验环境展开。书中选取蓝湖区域矢量地图、长江流域水系与地形、北京兴趣点（POI）数据、海量出租车时空轨迹等多尺度、跨领域真实地理数据集，设计层次分明、贴合行业场景的系列实验。内容由浅入深，兼顾基础原理与前沿技术，读者可循序渐进地掌握GSQL空间查询编写、矢量与栅格高阶分析、远程数据库访问、Web地图发布、海量时空数据分布式存储，以及空间数据与生成式人工智能交互等实操技能，真正打通理论学习与国产GIS平台工程实践的环节。
本书定位为地理科学、测绘工程等相关专业本科实验教学用书，同时可供自然资源、测绘、智慧城市领域技术人员开展技能学习与岗前培训。希望本书的出版，能够为地理信息科学及相关专业的空间数据库实验教学提供一套体系完备，贴合产业需求、技术前沿的实操参考，助力学生夯实空间数据管理理论基础，熟练掌握国产GIS平台工程应用技能，为后续专业学习与职业发展筑牢数据能力底座。本书编写过程中参考了诸多同行专家的学术成果与教学资料，清华大学出版社编辑团队为本书的打磨与出版提供了细致、专业的支持，在此一并表示衷心感谢！
受限于编者学识与研究范围，书中难免存在疏漏与不足之处，恳请各位师生、行业同仁批评指正，以便在后续修订中不断完善。
作者
2026年3月
目录
第1章绪论1
1.1空间数据库概述1
1.2空间数据管理方式1
1.2.1文件系统管理方式1
1.2.2数据库管理方式2
1.2.3两种管理方式对比3
1.3空间数据库体系结构3
1.4空间数据库应用方案4
1.4.1融合式应用方案5
1.4.2寄生式应用方案6
1.4.3两种应用方案对比7
第2章蓝湖地区地图数据库的构建与查询9
2.1蓝湖地区地图数据库实验数据9
2.2概念设计与逻辑设计10
2.3蓝湖地区地图数据库物理实现14
2.3.1建表前的准备工作14
2.3.2建表的GSQL语句14
2.3.3建表后的系统表信息16
2.3.4空间数据的插入16
2.3.5蓝湖数据的查看18
2.4蓝湖地区地图空间查询18
2.4.1单表空间查询18
2.4.2多表空间查询21
思考题22
第3章长江流域数据库的空间查询与远程访问23
3.1长江流域数据库实验数据23
3.1.1融合式体系结构的矢量数据导入导出23
3.1.2寄生式体系结构下基于SuperMap iDesktopX的矢量数据导入导出36
3.1.3融合式体系结构的栅格数据导入与查看41
3.1.4寄生式体系结构下基于SuperMap iDesktopX的栅格数据导入查看43
3.2融合式体系结构下长江流域数据库GSQL查询分析实验45
3.2.1矢量空间查询45
3.2.2栅格空间查询48
3.2.3栅格与矢量混合空间查询50
3.3长江流域数据库局域网环境的远程访问50
3.3.1搭建S机和C机的局域网络环境50
3.3.2服务器端（S机）的配置与关键参数获取51
3.3.3客户端（C机）远程访问S机的长江流域数据库56
3.4长江流域数据库Web共享与发布60
3.4.1长江流域数据库Web共享与发布实验概述60
3.4.2长江流域数据库Web共享与发布实验步骤60
思考题73
第4章空间数据的高阶处理与分析74
4.1矢量数据类型的高阶处理与分析74
4.1.1矢量高阶处理与分析实验概述75
4.1.2矢量高阶处理与分析实验步骤75
4.2高程和气候栅格数据的高阶处理与分析89
4.2.1栅格高阶处理与分析实验概述90
4.2.2使用空间聚合函数创建大型栅格数据92
4.2.3栅格波段操作93
4.2.4调整栅格瓦片大小94
4.2.5栅格与矢量数据的相交运算96
4.2.6栅格统计99
4.2.7地图代数103
思考题106
第5章面向城市POI数据的空间索引实验107
5.1面向城市POI数据的空间索引实验概述107
5.2使用SuperMap iDesktopX创建PostGIS空间数据库109
5.2.1新建PostGIS数据源109
5.2.2导入空间数据109
5.2.3空间数据库信息核查112
5.3索引创建与查询性能对比实验113
5.3.1基于B-Tree的主键索引114
5.3.2基于B-Tree的单列非唯一索引116
5.3.3基于B-Tree的多列组合索引118
5.3.4基于GiST的空间索引120
5.3.5索引失效的情况讨论125
思考题127
第6章出租车订单的时空轨迹大数据处理与分析128
6.1出租车订单的时空轨迹大数据处理与分析实验概述128
6.1.1出租车GNSS打点数据的导入130
6.1.2交通规划小区数据导入132
6.2基于出租车打点数据的OD交通量处理与查询132
6.2.1时间和空间字段的解译与生成133
6.2.2系统最大内存限制的修改及空间索引的创建134
6.2.3某出租车载客和空驶状态OD流的生成134
6.2.4所有出租车订单OD流的生成138
6.2.5交通规划小区间OD流列表的生成139
6.2.6交通规划小区间OD矩阵的生成140
6.3基于出租车打点数据的时空轨迹处理与查询142
6.3.1将打点数据表转换为轨迹表142
6.3.2检查生成的轨迹类型是否正确144
6.3.3查询轨迹基本信息144
6.3.4将轨迹还原为点数据144
6.3.5计算行驶中的最近距离145
6.3.6计算行驶中达到最近距离的时间146
6.3.7判断行驶中的最近距离是否小于指定阈值146
6.4海量出租车订单OD数据的分布式存储与查询147
6.4.1海量出租车订单OD数据的分布式存储与查询实验概述147
6.4.2数据存储分布查询149
6.4.3数据查询效率比较150
思考题152
第7章AI增强的空间数据库智能查询与可视化153
7.1AI增强的空间数据库智能查询与可视化实验概述153
7.2使用MCP客户端连接PostGIS空间数据库155
7.2.1PostGIS空间数据库实验环境准备155
7.2.2PostGIS数据库连接与数据检查156
7.2.3MCP概要介绍158
7.2.4PostgreSQL的MCP配置与上下文检查160
7.3自然语言到SQL的空间查询165
7.3.1自然语言到SQL的空间属性查询165
7.3.2自然语言到SQL的基础空间查询167
7.3.3自然语言到SQL的综合空间查询170
7.4AI驱动的R树空间索引可视化173
7.4.1提示词设计与可视化程序生成173
7.4.2在TRAE中生成并运行R树空间索引可视化程序174
7.4.3加载示例数据并观察R树空间索引的创建情况177
7.4.4手动添加空间点并观察R树节点分裂过程178
思考题180
参考文献181
附录182
附录APostgreSQL安装与使用182
附录BPostGIS下载与安装184
附录CSuperMap iDesktopX安装186
附录DQGIS下载与安装196
附录ESuperMap iServer安装与使用197
附录FSuperMap iPortal安装206
附录G分布式空间数据库的部署、安装与环境配置208
