Postgres空间地理类型POINT POLYGON实现附近的定位和电子围栏功能

需求和背景
安装插件postgis
点POINT类型和距离
面多边形'POLYGON'
关于坐标体系
- 地理坐标系（Geographic coordinate system）
- Projection coordinate system（投影坐标系统）
参考

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。

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

      )

更多测试见菜鸟末端轨迹 - 电子围栏(解密支撑每天251亿个包裹的数据库)

关于坐标体系

参考地理坐标系（球面坐标系）和投影坐标系（平面坐标系）

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

几个函数的简单介绍