空间索引是依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定顺序排列的一种数据结构,旨在快速筛选与特定空间操作无关的空间对象,是确保高效搜索和展示空间数据效率的重要指标,其性能的优劣直接影响地理信息系统与空间数据库的整体性能。目前,国内外涌现出各类空间索引结构,尽管他们从不同角度对空间索引算法进行了优化,但仍存在很大的局限性。其中,在索引树结构方面,节点间较高的空间重叠度,造成索引树深度的增加、同一空间查询出现多条查询路径等一系列弊端,从而降低了空间索引质量,影响空间索引性能。而且随着数据量和数据类型复杂程度的剧增以及索引数据的不断更新,这类弊端也愈发明显。空间对象近似(SpatialObjectApproximation)精度较低,是导致索引节点间较大重叠度的一个重要问题。通过使用相关空间目标近似技术(如最小外接矩形)可减少原始空间目标复杂的空间关系计算,从而提高空间查询效率。地理信息系统处理的空间目标具有不规则的几何形状(如道路、河流等),若直接利用其精确空间位置来实现某些给定的空间操作(如相交、包含等),计算量会急剧增加。但现有方法未挖掘空间目标的几何形态特征,导致索引节点间存在较高的空间重叠度,进而影响空间查询性能的提升。针对上述问题,本文以优化空间索引结构为目标,从空间目标近似技术出发,结合线、面地理矢量要素的几何形态特征,提出了基于几何模板(Geometric Template)近似的空间索引优化方法,其中几何模板是指以栅格方式对原始几何对象进行粗略近似的图形。并设计相关空间数据检索实验,实验表明了该空间索引优化方法明显提高了窗口查询与空间连接查询效率与精度。本文具体研究内容与成果如下:(1)面向二维空间索引优化的几何模板针对空间对象近似精度不高、难以平衡索引树构建效率及空间复杂度等的问题,本文提出了基于多级网格剖分的几何模板构建方案。定义了以网格数据结构为基础的几何模板结构,设计了基于改进最小编辑距离和几何模板频率直方图的归类算法、基于图形字典的几何模板位编码算法以及基于位操作和几何模板空间关系预取的混合机制下的空间关系粗计算策略。(2)基于几何模板近似的空间索引优化方法鉴于R*树是R-树变体中应用最为广泛的一类,本文以R*树为例,提出了基于几何模板近似的空间索引优化方法,旨在将几何模板替换R*树中的最小外接矩形,以达到优化的目的。通过对比分析基于几何模板近似和基于最小外接矩形近似下空间索引数据构建、删除、窗口查询和空间连接查询以及节点分裂等算法的差异性。本文提出了基于几何模板空间关系粗计算的窗口查询与空间连接查询详细算法。设计了基于几何模板变换(起点变换、级别变换)和位运算的节点分裂算法,构造了基于几何模板类型和级别的面积、周长计算方法,以此为基础,最终提出了基于几何模板近似的空间索引构建和删除算法。(3)设计原型系统进行实验验证通过选择中国区域内有代表性的线和面状OSM(Open Street Map)矢量数据集,本文构建了 VGIS原型系统,从窗口查询效率、精度和存储空间压缩比方面,对提出的基于几何模板近似的空间索引优化方法进行实验分析。结果表明,基于几何模板近似的空间索引优化方法以增加少量建树时间,换取更少的窗口查询与空间连接查询时间以及存储空间占用量,提高了空间查询性能和空间利用率,且扩展了查询谓词。