Postgres空间地理类型POINT POLYGON实现附近的定位和电子围栏功能
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需求和背景
在已有大量经纬度坐标点的情况下，给定一组经纬度如何快速定位到附近的POI有哪些？
现在使用经纬度转geohash的算法，将二维的距离运算转换为like前缀匹配。通过比较9位到5位前缀，来获取附近5米到3km之内的坐标，为了寻求更快的定位方法，测试一下postgres的空间类型。
安装插件postgis
先安装了pg-10, 并且是通过yum安装的。导入过repo.
检查插件
yum search postgis
postgis-docs.x86_64 : Extra documentation for PostGIS
postgis-jdbc.x86_64 : The JDBC driver for PostGIS
postgis-utils.x86_64 : The utils for PostGIS
postgis23_10-client.x86_64 : Client tools and their libraries of PostGIS
postgis23_10-devel.x86_64 : Development headers and libraries for PostGIS
postgis23_10-docs.x86_64 : Extra documentation for PostGIS
postgis23_10-utils.x86_64 : The utils for PostGIS
postgis24_10-client.x86_64 : Client tools and their libraries of PostGIS
postgis24_10-debuginfo.x86_64 : Debug information for package postgis24_10
postgis24_10-devel.x86_64 : Development headers and libraries for PostGIS
postgis24_10-docs.x86_64 : Extra documentation for PostGIS
postgis24_10-utils.x86_64 : The utils for PostGIS
postgis.x86_64 : Geographic Information Systems Extensions to PostgreSQL
postgis23_10.x86_64 : Geographic Information Systems Extensions to PostgreSQL
postgis24_10.x86_64 : Geographic Information Systems Extensions to PostgreSQL
安装
yum install postgis.x86_64 postgis24_10.x86_64
系统安装了插件之后，数据库还要继续启用插件才行。
针对数据库启用插件
# 添加空间插件
CREATE EXTENSION postgis;
CREATE EXTENSION postgis_topology;
安装之后，public下会新增一个表spatial_ref_sys。
点POINT类型和距离
点POINT类型的数据结构为POINT(0 0)，正好可以用作存储经纬度。
表添加POINT类型
AddGeometryColumn
使用函数AddGeometryColumn, 命令行查看函数
\df+ AddGeometryColumn
Synopsis
text AddGeometryColumn(varchar table_name, varchar column_name, integer srid, varchar type, integer dimension, boolean use_typmod=true);
text AddGeometryColumn(varchar schema_name, varchar table_name, varchar column_name, integer srid, varchar type, integer dimension, boolean use_typmod=true);
text AddGeometryColumn(varchar catalog_name, varchar schema_name, varchar table_name, varchar column_name, integer srid, varchar type, integer dimension, boolean use_typmod=true);
添加两个点字段
SELECT AddGeometryColumn ('poi', 'geom_point', 4326, 'POINT', 2);
SELECT AddGeometryColumn ('poi', 'geom_point_26986', 26986, 'POINT', 2);
其中两个重要的坐标体系
- 4326 \ GCS_WGS_1984 \ World Geodetic System (WGS)
- 26986 \ 美国马萨诸塞州地方坐标系（区域坐标系）\ 投影坐标, 平面坐标
直接添加
ALTER TABLE poi ADD COLUMN geom_p_alter geometry(POINT,4326);
添加空间索引
CREATE INDEX idx_point
ON poi
USING gist(geom_point);
插入点
使用函数将文本转换为几何类型: ST_GeomFromText
sdx=# SELECT ST_GeomFromText('POINT(120.377041 36.066019)', 4326);
st_geomfromtext
----------------------------------------------------
0101000020E61000001310937021185E4012F5824F73084240
(1 row)
使用坐标转换函数转换坐标体系：ST_Transform
sdx=# SELECT ST_Transform(ST_GeomFromText('POINT(120.377041 36.066019)', 4326),26986)
st_transform
----------------------------------------------------
01010000206A690000B6A9B046D9615AC162C3613707DD6441
使用函数将几何类型转换为文本描述：ST_AsText
SELECT ST_AsText(ST_GeomFromText('POINT(120.377041 36.066019)', 4326));
st_astext
-----------------------------
POINT(120.377041 36.066019)
(1 row)
插入三个点
update poi set
geom_point=ST_GeomFromText('POINT(121.248642 31.380415)', 4326),
geom_point_26986=ST_Transform(ST_GeomFromText('POINT(121.248642 31.380415)', 4326),26986),
geom_p_alter=ST_GeomFromText('POINT(121.248642 31.380415)', 4326)
WHERE uuid='462745f185a349bbb8454f70d085baae';
SELECT geom_point,geom_point_26986,geom_p_alter from poi WHERE uuid='462745f185a349bbb8454f70d085baae';
geom_point | geom_point_26986 | geom_p_alter
----------------------------------------------------+----------------------------------------------------+--
0101000020E610000085766FC1E94F5E400D1AFA27B858D83F | 01010000206A69000087930146005A5CC1ECE89370F91A6541 | 0101000020E610000085766FC1E94F5E400D1AFA27B858D83F
(1 row)
验证：
SELECT ST_AsText(geom_point),ST_AsText(geom_point_26986),geom_p_alter from s_poi_gaode WHERE uuid='462745f185a349bbb8454f70d085baae';
st_astext | st_astext | geom_p_alter
-----------------------------+-------------------------------------------+----------------------------------
POINT(121.248642 31.380415) | POINT(-7432193.09384621 11065291.5180554) | 0101000020E610000085766FC1E94F5E400D1AFA27B858D83F
(1 row)
批量更新现有的经纬度字段为POINT
update s_poi_gaode set
geom_point=ST_GeomFromText('POINT('||longitude||' ' ||latitude||')', 4326),
geom_point_26986=ST_Transform(ST_GeomFromText('POINT('||longitude||' ' ||latitude||')', 4326),26986);
验证：
SELECT longitude,latitude,ST_AsText(geom_point),ST_AsText(geom_point_26986) from s_poi_gaode WHERE uuid='e3ebbcf15cc545408ac8b22d4df64ca6';
longitude | latitude | st_astext | st_astext
------------+-----------+-----------------------------+------------------------------------------
121.417666 | 31.281433 | POINT(121.417666 31.281433) | POINT(-7448729.03389232 11054385.435284)
(1 row)
其中，需要注意的是，使用pg的字符串拼接符号||，POINT经纬度之间要留空格。
两个点之间的距离
距离计算函数
ST_Distance
文本转换地理几何类型函数
ST_GeogFromText 。
文本转换为地理几何类型函数
ST_GeographyFromText
计算距离，单位是m的方法
-- 921.37629155
select ST_Distance(ST_GeographyFromText('SRID=4326;POINT(114.017299 22.537126)'),
ST_GeographyFromText('SRID=4326;POINT(114.025919 22.534866)')
);
-- 921.37629155
SELECT ST_Distance(ST_GeomFromText('POINT(114.017299 22.537126)',4326):: geography,
ST_GeomFromText('POINT(114.025919 22.534866)', 4326):: geography
);
-- 920.28519
SELECT ST_DistanceSphere(ST_GeomFromText('POINT(114.017299 22.537126)',4326),
ST_GeomFromText('POINT(114.025919 22.534866)', 4326)
);
-- unit=m 26986 马萨诸塞州 投影平面坐标系 单位m result=972.989337453172
SELECT ST_Distance(
ST_Transform(ST_GeomFromText('POINT(114.017299 22.537126)',4326 ),26986),
ST_Transform(ST_GeomFromText('POINT(114.025919 22.534866)', 4326 ),26986)
);
计算距离，单位是度
# unit=degrees result=0.00891134108875483
SELECT ST_Distance(ST_GeomFromText('POINT(114.017299 22.537126)',4326),
ST_GeomFromText('POINT(114.025919 22.534866)', 4326)
);
关于单位是m的, 前三种的计算结果是正确的。最后一种坐标转换的计算方法，
参考PostGIS 坐标转换(SRID)的边界问题引发的专业知识 - ST_Transform 建议国内不要使用马萨诸塞州的投影平面，会使得距离计算不够准确。
附近5公里内的点
使用函数ST_DWithin 可以计算两个点之间的距离是否在5公里内。
# 计算两个点是否在给定距离内
# 单位米m
SELECT ST_DWithin(
ST_GeographyFromText('SRID=4326;POINT(114.017299 22.537126)'),
ST_GeographyFromText('SRID=4326;POINT(114.025919 22.534866)'),
1000);
# 单位度degrees
SELECT ST_DWithin(
ST_GeomFromText('POINT(114.017299 22.537126)',4326),
ST_GeomFromText('POINT(114.025919 22.534866)', 4326),
0.00811134108875483);
-- 查找给定经纬度5km以内的点
SELECT
uuid,
longitude,
latitude,
ST_DistanceSphere (
geom_point,
ST_GeomFromText ( 'POINT(121.248642 31.380415)', 4326 )) distance
FROM
s_poi_gaode
WHERE
ST_DWithin ( geom_point :: geography, ST_GeomFromText ( 'POINT(121.248642 31.380415)', 4326 ) :: geography, 5000 ) IS TRUE
order by distance desc
LIMIT 30;
通过指定类型geom_point :: geography，单位变成米, 否则默认距离单位是度。
最近的10个点
SELECT * FROM s_poi_gaode_gps ORDER BY geom_point <-> ST_GeomFromText ( 'POINT(121.248642 31.380415)', 4326 ) LIMIT 10;
速度极快。
面多边形'POLYGON'
添加字段类型
SELECT AddGeometryColumn ('basic_mall_v1', 'geom_fence', 4326, 'POLYGON', 2);
或者
ALTER TABLE basic_mall_v1 ADD COLUMN geom_fence_alter geometry(POLYGON,4326);
添加索引
CREATE INDEX idx_area_fence
ON basic_mall_v1
USING gist(geom_fence);
插入值
使用函数 ST_GeomFromText
SELECT ST_GeomFromText ( 'POLYGON((118.902957 32.085437,118.9041 32.086069,118.904754 32.085219,118.903592 32.084564,118.902957 32.085437))', 4326 );
st_geomfromtext
-----------------------------------------------------------------------
0103000020E610000001000000050000006F2C280CCAB95D40266F8099EF0A404012143FC6DCB95D4087191A4F040B4040363B527DE7B95D40B9FFC874E80A4040583B8A73D4B95D40A0353FFED20A40406F2C280CCAB95D40266F8099EF0A4040
(1 row)
-- 验证
SELECT
ST_AsText(
ST_GeomFromText ( 'POLYGON((118.902957 32.085437,118.9041 32.086069,118.904754 32.085219,118.903592 32.084564,118.902957 32.085437))', 4326 )
)
st_astext
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
POLYGON((118.902957 32.085437,118.9041 32.086069,118.904754 32.085219,118.903592 32.084564,118.902957 32.085437))
(1 row)
更新到数据库字段
UPDATE basic_mall_v1 SET geom_fence=ST_GeomFromText ( 'POLYGON((118.902957 32.085437,118.9041 32.086069,118.904754 32.085219,118.903592 32.084564,118.902957 32.085437))', 4326 ) WHERE id=1000001;
-- 验证：
SELECT ST_AsText(geom_fence) FROM basic_mall_v1 WHERE id=1000001;
st_astext
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
POLYGON((118.902957 32.085437,118.9041 32.086069,118.904754 32.085219,118.903592 32.084564,118.902957 32.085437))
(1 row)
实际上，我们原始围栏数据可能是这样的
-- longitude,latitude; longitude,latitude; longitude,latitude;
119.306413,26.131464;119.307575,26.131739;119.30776,26.131224;119.307336,26.131114;119.307438,26.130791;119.306776,26.13059;119.306413,26.131464
需要将这个字段转换成空间类型的围栏字段。
UPDATE basic_mall_v1 SET geom_fence=
ST_GeomFromText(
'POLYGON(('||
replace(
replace(gaode_shape, ',', ' ' ),
';', ',')
||'))'
, 4326)
计算gps附近30m内的围栏
使用函数ST_DWithin 判断一个几何对象是否在另一个的r距离以内：
SELECT
ST_Distance(ST_GeomFromText('POINT(120.731069 30.758984)',4326):: geography,
geom_fence :: geography
) AS distance, id, name
FROM
basic_mall_v1
WHERE
ST_DWithin (
geom_fence :: geography,
ST_GeomFromText ( 'POINT( 120.731069 30.758984)', 4326 ) :: geography,
30
) ORDER BY distance
LIMIT 10;
使用函数boolean ST_Within(geometry A, geometry B); 判断A是否完全在B内部
SELECT
id, name
FROM
basic_mall_v1
WHERE
ST_Within (
ST_GeomFromText('POINT('|| #{longitude} ||' '|| #{latitude} ||')',4326),
geom_fence
)
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关于坐标体系
地理坐标系（Geographic coordinate system）
首先理解地理坐标系（Geographic coordinate system），Geographic coordinate system直译为地理坐标系统，是以经纬度为地图的存储单位的。
很明显，Geographic coordinate system是球面坐标系统。我们要将地球上的数字化信息存放到球面坐标系统上，如何进行操作呢？地球是一个不规则的椭球，如何将数据信息以科学的方法存放到椭球上？
这必然要求我们找到这样的一个椭球体。这样的椭球体具有特点：
可以量化计算的。具有长半轴，短半轴，偏心率。
以下几行便是Krasovsky_1940椭球及其相应参数。
Alias:
Abbreviation:
Remarks:
Angular Unit: Degree (0.017453292519943299)
Prime Meridian（起始经度）: Greenwich (0.000000000000000000)
Datum（大地基准面）: D_Beijing_1954
Spheroid（参考椭球体）: Krasovsky_1940
Semimajor Axis: 6378245.000000000000000000
Semiminor Axis: 6356863.018773047300000000
Inverse Flattening: 298.300000000000010000
然而有了这个椭球体以后还不够，还需要一个大地基准面将这个椭球定位。在坐标系统描述中，可以看到有这么一行：
Datum: D_Beijing_1954
表示，大地基准面是D_Beijing_1954。
Projection coordinate system（投影坐标系统）
投影坐标系统，实质上便是平面坐标系统，其地图单位通常为米.
投影的意义：将球面坐标转化为平面坐标的过程便称为投影。
参数
Projection: Gauss_Kruger
Parameters:
False_Easting: 500000.000000
False_Northing: 0.000000
Central_Meridian: 117.000000
Scale_Factor: 1.000000
Latitude_Of_Origin: 0.000000
Linear Unit: Meter (1.000000)
Geographic Coordinate System:
Name: GCS_Beijing_1954
Alias:
Abbreviation:
Remarks:
Angular Unit: Degree (0.017453292519943299)
Prime Meridian: Greenwich (0.000000000000000000)
Datum: D_Beijing_1954
Spheroid: Krasovsky_1940
Semimajor Axis: 6378245.000000000000000000
Semiminor Axis: 6356863.018773047300000000
Inverse Flattening: 298.300000000000010000
参考
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