目前，仅依靠信息技术（information technology，IT）已无法实现地理信息系统（geographicinformation system，GIS）向云计算的数字化转型和升级。为推动上述转型与升级，GIS 势必需要经历三类转变：从以功能为中心到以数据为中心、从空间数据引擎到空间数据库、从单机环境到云平台。可见，“以空间位置为核心的相关理论和技能”逐步成为地理科学、测绘工程及相关专业学生日后开展各类工作的重要基础。
空间数据库是计算机科学与地理学的交叉领域。为了深入理解《空间数据库管理系统概论（第二版）》中的相关理论，《空间数据库实验教程》（以下简称本教程）是与之配套使用的实验教程。本教程设计了地层孢粉观测数据、蓝湖地区地图数据、黄河流域河流-省-城市-DEM数据、出租车时空轨迹与社区规划等系列实验案例，强化空间数据库理论与地理数据、概念和问题的联系，帮助读者在实践中理解和掌握相关概念和方法，如图 1 所示。
2021 年 Glass 收集并分析了数百万个招聘信息，SQL 成为招聘信息中出现率最高的编程语言。本教程首要且最为关键的特色在于着重培养读者撰写结构化查询语言（GSQL）的能力。GSQL 是与数据库进行交互的核心工具，也是读者应当学习掌握的重点，更是空间数据库课程及其实践的关键内容之一。GSQL 是空间数据库区别于其他专业相关课程的特色所在，是读者理解理论知识和运用空间数据库技能的根本。因此，在实验案例体系中，设计了图 1中示出的系列重要案例，强化读者编写 GSQL 的能力。同时，为了实现 GeoServer 与 PostGIS中栅格数据表的连接，本教程还增加了附录 A，以便读者扩展练习。
本教程的第二个特色是先在单机上部署系统，读者通过前 4 章的学习基本掌握了空间数据库管理系统的基础技术，如图 2 中间左部所示；然后，逐步将单机环境扩展到网络环境。扩展主要分为三步：首先，在局域网下基于两层软件架构实现远程数据库的访问，如图 2 中间右部所示，详见 5.2 节；其次，在互联网环境下基于三层架构实现空间数据库的 Web 环境的共享与发布，如图 2 上部所示，详见第 6 章；最后，面向时空大数据实现数据服务器端的分布式存储与计算，如图 2 下部所示，详见第 10 章。通过上述学习过程，让读者体会数据库从单机环境到云环境的过程。
本教程的第三个特色体现为基于开源软件和实践平台。开源空间数据库能够削减教学和使用成本，有益于加深对理论知识的理解；再者，开源产品具备源代码且代表技术发展新趋势。本教程以开源 GIS 软件（QGIS）和开源空间数据库软件（PostgreSQL 和 PostGIS）作为实践平台，其不但适配于 Linux、Windows 和 MacOS 等操作系统，而且简洁灵活、功能完备、易于操作、便于理解。同时，本实验平台与 Oracle Spatial、SQLServer 等系列商业产品的理论、体系、概念保持一致，学习成果易于移植。本教程用到的所有软件或模块的关系及体系结构如图 2 所示。此外，本教程能够与地理信息系统原理、空间分析、时空大数据分析、城市地理学等其他地理科学专业相关课程关联，形成课程链。本教程的实验代码在文本中的方框内给出，其中，白底正体字的代码为 SQL 或 GSQL语句，白底斜体字的代码为操作系统的命令行，灰底正体字的代码为 Python 代码或文件内容等其他信息。
配套的实验软件和数据的下载链接为：http://cheng.bnu.edu.cn/ 。若读者所用的操作系统与本教程不同，界面表现形式可能会存在差异，但教程介绍的功能在所有支持的操作系统上均能实现，请结合自己的操作系统和教程描述进行实验。此外，针对教程命令行中出现的目录，请读者用自己计算机上的对应目录进行替换。
本文节选自《空间数据库实验教程》（程昌秀著，北京：科学出版社，2024.9）一书“前言”
1998 年美国原副总统戈尔提出“数字地球”。十年后 IBM 提出“智慧地球”。2018 年中国信息通信研究院提出“数字孪生城市”。近年虚实相生的“元宇宙”又正值风口。在这些新技术、新理念、新应用的驱动下，地理信息系统（geographic information system，GIS）不断转型升级，或将成为未来元宇宙的操作系统。空间数据库作为专门用于存储和管理地理空间数据的基座，是 GIS 的重要组成部分。管理全量数据的空间数据库必将成为打造数字孪生、元宇宙的重要基础。
为发展自主知识产权的空间数据库技术，国家先后布局了系列关键技术研发和应用示范项目。程昌秀教授作为空间数据库领域的核心骨干，对国内外经典空间数据库管理系统进行了深入剖析与系统实践，在海量空间数据管理、高效搜索引擎等核心技术方面取得重要进展。2012 年编著了《空间数据库管理系统概论》。2014 年，作者开始依托该著作反哺教学，并在教学实践中不断完善理论体系、丰富实践案例，形成了《空间数据库管理系统概论（第二版）》和《空间数据库实验教程》两部教材。
《空间数据库管理系统概论（第二版）》系统阐述了“研教用”相融合的完备的课程理论和核心知识点。在共性方面，该书以国际国内标准为抓手，系统凝练了数据模型、9 交模型、拓扑分析、索引等空间数据库领域共性的理论、方法和技术；在个性方面，本书以历史为主线、以产品为案例，通过归纳分类和提炼演绎，系统地梳理了不同技术方法的特点与时代局限性。这种共性与个性相结合的编写方式，方便读者全面、系统、客观地掌握国内外现有空间数据库的系列方法与技术。此外，针对地理时空大数据，该书最后一章还重点介绍了分布式存储、分布式计算、NoSQL 等新兴的方法与技术，旨在开阔学生视野、启发创新思维。
《空间数据库实验教程》由浅入深地设计了系列跨领域、多尺度、具有地理特色的空间数据库实验案例，强化了读者理论联系实践的能力，深化了读者对空间数据库在地学相关领域应用的认知。此外，该教程还以北京市出租车时空轨迹大数据为例，展示了轨迹分析在城市感知中的应用与实践，以及分布式存储与计算技术在轨迹大数据管理中的效用，旨在培养与社会需求相接轨的专业人才。
作者近年在空间数据库教学方面的相关实践和探索受到师生好评，荣获第三届高等学校GIS 教学成果特等奖、北京高校优质本科课程。相信两部教材的出版将对我国 GIS 相关专业的教学与人才培养产生重大的推动作用。同时，希望作者持续关注该领域国内外最新动态与成果，以便纳入该书后续的版本中。
周成虎
中国科学院院士
科学出版社“十四五”普通高等教育本科规划教材
《空间数据库实验教程》
程昌秀 著
书号：9787030795373
定价：59元
※
程昌秀，京师特聘教授，北京师范大学教学名师，教育部地理信息科学虚拟教研室工作委员会主任，主要从事地理空间数据管理与挖掘的方法研究，相关成果以第一完成人获省部级科技奖励 2 项。科研反哺教学，开设了“空间数据库原理与实践”、“时空大数据分析”等地理数据类课程，提出了“研教用”相融合的完备的课程内容体系，设计了案例驱动的翻转教学方法，建设了相关教学实验平台与教学资源共享平台（http://cheng.bnu.edu.cn）。出版《空间数据库管理系统概论（第二版）》《空间数据库实验教程》《时空统计分析：陆地表层系统研究的实践工具》等教材 3 部，其中，前两部入选科学出版社“十四五”普通高等教育本科规划教材。教学成果荣获北京市优质本科课程、第三届全国高等学校 GIS 教学成果特等奖、地理数据教育与科学普及奖等系列荣誉。
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《空间数据库管理系统概论》（第二版）
程昌秀 编著
书号：9787030795373
定价：128元
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