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title: SFS-简单要素标准
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date: 2020-02-24
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author: ac
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tags:
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- SFS
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- GIS基础知识
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- OGC
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categories:
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- GIS
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> SFS是对现实世界中的地理实体抽象描述，包括通用模型和数据库存储上的实现。
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<!-- more -->
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## 简单要素标准
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简单要素标准包含两部分：`Common architecture`、`SQL option`
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- Common architecture（通用模型）：是对简单要素的描述，包括几何对象模型、`WKT`描述的几何对象、`WKB`描述的几何对象、`WKT`描述的空间参考；
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- `SQL option`：是上一部分在`SQL`中的实现，包括`SQL`预定义的Schema、`SQL`几何类型、`SQL`空间操作。
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### 几何对象模型
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<div style="text-align: center">SFS 中定义的几何对象模型</div>
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上图是`SFS`中几何对象的关系结构，Geometry作为抽象的根类，派生出点Point、曲线Curve、表面Surface和几何要素的集合类`GeometryCollection`。主要定义了点、线、面和多点、多线、多面。<br/>
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<div style="text-align: center">Geometry的操作</div>
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另外，SFS也定义了描述几何对象的的属性和方法。<br/>
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### WKT描述的几何对象
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Well-known text (WKT)是一种文本标记语言，用于表示地图上的几何对象、地理空间坐标系。该格式由开放地理空间联盟(OGC)制定。<br/>
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几何对象WKT文本例子：<br/>
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| 几何类型 | WKT | 说明 |
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| ---------------------- | ------------------------------------------------------------ | -------------------- |
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| Point | Point(6 10) | 点 |
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| LineString | LineString(3 4,10 50,20 25) | 有3个节点的线 |
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| Polygon | Polygon((1 1,5 1,5 5,1 5,1 1),(2 2, 3 2, 3 3, 2 3,2 2)) | 有内环和外环的多边形 |
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| MultiPoint | MultiPoint(<br />(10 10),<br />(4 10)<br />) | 多点 |
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| MultiLineString | MultiLineString(<br />(3 4,10 50,20 25),<br />(-5 -8,-10 -8,-15 -4)<br/>) | 多线 |
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| MultiPolygon | MultiPolygon(<br/>((10 10, 10 20, 20 20, 20 15, 10 10)),<br/>((60 60, 70 70, 80 60, 60 60 ))<br/>) | 多面 |
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| **GeometryCollection** | GeometryCollection(<br>POINT(10 10),<br/>POINT(30,30),<br/>LINESTRING(4 6,7 10)<br>) | 几何集合 |
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### WKT描述的空间参考
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地理坐标系（GCS）的WKT格式，以WGS1984的地理坐标系为例：<br/>
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```javascript
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GEOGCS[
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'名称',
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'大地基准面椭球体'['名称','参考椭球'['名称','长半轴a','扁率α']],
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'起始经线'['名称',0.0],
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'单位'['Degree','单位的转换因子'],
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'制定的权威机构'['']
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]
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GEOGCS[
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"WGS 84",
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DATUM["WGS_1984",SPHEROID["WGS 84", 6378137, 298.257223563]],
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PRIMEM["Greenwich", 0.0],
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UNIT["Degree", 0.0174532925199433],
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AUTHORITY["EPSG", "4326"]
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]
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```
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> π/180 = 0.0174532925199433
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投影坐标系（PCS）的WTK格式，以WGS84 Web Mercator（Auxiliary Sphere）坐标系为例：<br/>
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```javascript
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PROJCS
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[
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"WGS_1984_Web_Mercator_Auxiliary_Sphere",
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GEOGCS
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[
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"GCS_WGS_1984",
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DATUM["D_WGS_1984",SPHEROID["WGS_1984",6378137.0,298.257223563]],
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PRIMEM["Greenwich",0.0],
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UNIT["Degree",0.0174532925199433]
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],
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PROJECTION["Mercator_Auxiliary_Sphere"],
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PARAMETER["False_Easting",0.0],
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PARAMETER["False_Northing",0.0],
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PARAMETER["Central_Meridian",0.0],
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PARAMETER["Standard_Parallel_1",0.0],
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PARAMETER["Auxiliary_Sphere_Type",0.0],
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UNIT["Meter",1.0],
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AUTHORITY["EPSG",3857]
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]
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```
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投影坐标系中必然包含一个地理坐标系，还有投影方法和一些参数。
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### WKB描述的几何对象
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`WKB`(well-known binary)是`WKT`的二进制形式，通过序列化的字节对象来描述几何对象，常用于数据传输与数据库存储（`PostgreSQL`）。
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WKB 中主要涉及两种数值类型：
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- 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；
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- 另一种是 double，占 8 个字节，用以存储节点坐标值。
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其中的几何对象类型对应的整数可以参考下表：
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另外，`WKB`在第一位还存储了一个字节用来标识字节序（0=Big-Indian，1=Little-Indian）。
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> 现代的计算机系统一般采用**字节**(Octet, 8 bit Byte)作为逻辑寻址单位。当物理单位的长度大于1个字节时，就要区分**字节顺序**(Byte Order, or[Endianness](http://en.wikipedia.org/wiki/Endianness))。常见的字节顺序有两种：
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>
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> - **Big Endian**(High-byte first):低地址存放最高有效位（MSB），既高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端
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> - **Little Endian**(Low-byte first):低地址存放最低有效位（LSB），既低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。
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对于一个点（不带M值的二位点）来说，`WKB`描述应该类似如下结构，总占21个字节：
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对于有两个节点的线来说，`WKB`描述应该包含41个字节：
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### SQL Option
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#### SQL 预定义schema
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> **Schema**，即**XML Schema**，**XSD (XML Schema Definition)**是[W3C](https://baike.baidu.com/item/W3C)于2001年5月发布的推荐标准，指出以何种形式描述XML文档的元素的规范。**schema**是元数据的一个抽象集合，包含一套**schema component**: 主要是元素与属性的声明、复杂与简单数据类型的定义。
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数据库中的schema为一组数据结构的逻辑集合，称之为schema对象，包含索引（index）、视图（view）、表（table）、分区（partitions）、序列（sequences）、维度（dimensions）、同义词（synonyms）等。不同的数据库厂商对schema的定义略有不同。
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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 首先制定了在数据库中需要的 Schema 对象。
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<div style="text-align:center">OGC空间数据库中预定义的schema</div>
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从上图可以看出，要素表（`Feature Table`）中用一个几何类型的字段（`Geomentry Column`）记录空间几何信息。通过定义几何字段列的信息表（`GEOMETRY_COLUMNS`）和一张记录空间参考信息表（`SPATIAL_REF_SYS`）指定几何字段以何种形式（结构）存储几何信息。从支持`OCG`标准空间数据库中可以找到这两张表，如安装了空间扩展组件（`PostGIS`）的`PostgreSQL`。但不同的数据库或地信厂商提供的空间扩展，对这两张表的命名也会有所不同：
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- `PostGIS`：`GEOMETRY_COLUMNS`和`SPATIAL_REF_SYS`
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- `Oracle Spatial`：`OGIS_GEOMETRY_COLUMNS`和`OGIS_SPATIAL_REFERENCE_SYSTEMS`
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- `ArcSDE for Oracle`：`GEOMETRY_COLUMNS`和`SPATIAL_REFERENCES`
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#### SQL 几何对象存储
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从预定义的schema中可以知道，在`OGC`标准中几何信息存储在一个`Geometry`表中，该表有两种存储形式：常规的字段和二进制的`WKB`。通过`GID`字段关联`Feature`表的几何字段。但实际上，`OGC`标准还规定了要素表（`Feature`）中的几何字段（`Geometry`）可以使用自定义类型（`SQL UDT`），这样就不需要额外的`Geometry`表来存储几何信息，而是直接保存到要素表（`Feature`）的几何字段中，如：
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- `ArcGIS`中的`st_shape_lib`库中的`ST_Geometry`类型
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- `PostGIS`中的`Geometry`和`ST_Geometry`类型。
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自定义类型可以采用`SFS`标准定义的几何类型，也可以采用`SQL/MM`标准。
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> `SQL/MM`趣闻
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> - 1991~1992年--IEEE的赞助--文本搜索引擎厂商发表`SFQL`（结构化查询语言Structured Full-text Query Language）的语言规范
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> - 遭到了其他数据处理机构的批评，因为`SFQL`“劫持”了许多其它机构已经通用的关键字（如：CONTAINS）
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> - 此时一部分数据库厂商已经申明他们支持“对象关系模型”。基于这些厂商的建议，东京研讨会提出了第二个标准的概念
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> - 结构化数据：是第一类SQL类，通过普通的SQL99版本进行存取。
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> - 增加定义其他的SQL对象“类库”，每个类库对应一类复杂数据
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> - 建议的标准很快以SQL/MM（这里的MM表示多媒体）为人所共知
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<div style='text-align:center'>SQL/MM Geometry模型</div>
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| Simple feature access/SQL(SFA-SQL) | ISO/IEC (SQL/MM-Spatial) |
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| ---------------------------------- | ------------------------ |
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| Point | ST_Point |
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| Curve | ST_Curve |
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| LineString | ST_Linestring |
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| | ST_Circularstring |
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| Surface | ST_Surface |
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| | ST_CurvePolygon |
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| Polygon | ST_Polygon |
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| PolyhedralSurface | ST_PolyhedralSurface |
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| Multipoint | ST_MultiPoint |
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| Multicurve | ST_MultiCurve |
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| Multilinestring | ST_MultiLineString |
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| Multisurface | ST_MultiSurface |
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| Multipolygon | ST_MultiPolygon |
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| GeomCollection | ST_Collection |
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| | ST_CompoundCurve |
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<div style='text-align:center'>SFS和SQL/MM几何类型的对应关系</div>
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用户即可以遵循SFS的定义，使用类似“Geometry”、“Point”的命名，也可以遵循SQL/MM定义的采用“ST_”作为前缀进行命名，如：“ST_Geometry”、“ST_Point”等
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SQL
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#### SQL空间操作
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在`SQL/MM`中定义的空间操作：
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| 空间操作函数 | 说明 |
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| ------------------- | ------------------- |
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| **ST_WKTToSQL** | 从 WKT 构造几何对象 |
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| **ST_WKBToSQL** | 从 WKB 构造几何对象 |
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| **ST_AsText** | 获取 WKT 描述 |
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| **ST_AsBinary** | 获取 WKB 描述 |
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| **ST_Dimension** | 获取维数 |
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| **ST_GeometryType** | 获取几何类型 |
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| **ST_SRID** | 获取空间参考 ID |
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| **ST_IsEmpty** | 是否为空 |
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| **ST_IsSimple** | 是否是简单对象 |
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| **ST_Boundary** | 获取边界 |
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| **ST_Envelope** | 获取矩形范围 |
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此外还有空间拓扑关系、几何运算相关的操作函数，具体内容可查看ArcGIS和PostGIS中对SQL/MM 标准的实现：
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- ArcGIS：[与 ST_Geometry 配合使用的 SQL 函数](https://desktop.arcgis.com/zh-cn/arcmap/latest/manage-data/using-sql-with-gdbs/a-quick-tour-of-sql-functions-used-with-st-geometry.htm)
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- PostGIS：[PostGIS Special Functions Index](http://postgis.net/docs/PostGIS_Special_Functions_Index.html#PostGIS_SQLMM_Functions)
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**SFSQL与SQL/MM的对比**
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- SFSQL与SQL/MM的Geometry总体框架近似
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- SFSQL与SQL/MM有相互融合的趋势
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- SFSQL对部分类和函数按SQL/MM的形式进行封装
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- SQL/MM提供了亮哥符合SFSQL的短名字视图
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- SFSQL与SQL/MM优势互补，总体而言SQL/MM的覆盖面更广
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| | SFSQL | SQL/MM |
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| :----------------------- | :---: | :----: |
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| 3D数据类型 | √ | |
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| 参数化数据类型 | | √ |
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| 文本标注 | √ | |
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| Geometry存储方式：Numric | √ | |
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| Geometry存储方式：Binary | √ | |
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| Geometry存储方式：UDT | √ | √ |
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| 拓扑结构 | | √ |
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| 网络拓扑 | | √ |
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| 图/影像存储 | | √ |
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| 图/影像的检索 | | √ |
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| 对GML的支持 | | √ |
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### 参考文章
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[1] [SFSQL和SQLMM标准](http://www.doc88.com/p-734475445183.html) `http://www.doc88.com/p-734475445183.html`
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[2] [Simple Feature Access - Part 2: SQL Option](https://www.ogc.org/standards/sfs) `https://www.ogc.org/standards/sfs`
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