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几何模型

更新时间:

本文介绍了几何模型的用途、基本构成和快速入门等内容。

模型用途

简介

几何模型是开放地理空间联盟(Open Geospatial Consortium,以下简称为OGC)设计的简单要素访问标准(Simple Features Access standard,以下简称为SFA),用于描述地理空间数据。该标准定义了基本的空间模型Geometry模型及对该模型的操作、转换等行为,以实现各种空间分析任务。

Ganos Geometry是对象关系型数据库PostgreSQL兼容版本(PolarDB PostgreSQL版(兼容Oracle))的一个时空引擎扩展,Ganos Geometry扩展采用了OGC Simple Features规范,它包含了Geometry和Geography两种类型,用于表示平面或曲面上的点、线、面等几何对象。

功能概述

Ganos Geometry支持构建、访问、编辑、处理、聚合、导出空间对象的多种方法,支持空间对象关系查询,支持空间对象线性参考设置等。

Ganos Geometry兼容多种外部格式的直接输入,例如:WKT、WKB、EKWT、EWKB、KML、GML、GeoHash、Geojson等,也支持通过其他工具输入Esri Shape File等格式。

主要业务场景

在实际应用中,Geometry类型可以用于几何对象存储分析的场景:

  • 地图制作和可视化

    地图可视化可以直观地展现地理空间中数据的分布、趋势和关系,通过在地图上标记不同的数据点、线、面等元素,选择合适的地图投影、色彩、符号等元素,展示数据在地理空间中的分布情况,实现地图的制作和可视化。Geometry类型可以用于表示地图上的各种要素,例如道路、河流、建筑物等。

  • 位置服务

    对位置数据进行空间查询,聚合和分析,可以找到最佳位置、评估风险或计算两点之间距离等。Geometry类型可以描述点状地物同时对点状地物进行各种空间处理,可为位置服务提供支持。

  • 空间关系查询

    空间关系查询可以用于多种场景,例如空间数据挖掘、城市规划等。通过空间关系查询,可以快速地找到满足特定条件的空间实体,为决策提供有力的支持。Geometry类型支持多个几何对象之间空间关系的判断,例如确定两个物体是否相交或相切等。

  • 空间分析和计算

    空间分析和计算用于各种量测场景,例如计算建筑物的面积、计算两个城市之间的距离等。Geometry类型支持各种空间分析和计算,例如计算面积、长度、距离、质心等。

基本构成

几何模型概述

Geometry模型在二维或三维笛卡尔坐标系中进行建模,其大小与位置由其坐标决定。每一个坐标都有一个X和Y坐标值,同时,可以包含可选的Z和M坐标值。 Z坐标通常用于表示高程。M坐标表示测量值,可以表示时间或距离。 如果Geometry中存在Z或M值,则必须为其中的每个点定义它们。 若Geometry具有Z或M坐标,则其坐标维度为3DZ或3DM,如果它同时具有Z和M,则为4D。

空间参考系

空间参考系(Spatial Reference System,以下简称为 SRS )定义了如何将Geometry对象关联到地球表面上某个具体位置。

Ganos使用一个整数来表示SRS的定义引用,称为SRID。Geometry对象通过其自身的SRID值与SRS关联。

更多内容请参见空间参考

OGC外部交换格式

SFA规范同时定义了两种用于外部数据交换的格式:

  • 方便阅读的文本形式:Well-Known Text (以下简称为WKT)。

  • 可以保留数据精度且方便传输的二进制形式:Well-Known Binary (以下简称为WKB)。

WKT和WKB均包含对象的类型信息和定义它的坐标信息,但不包含其关联的SRID,也不支持非二维数据。

Ganos扩展WKT/WKB为EKWT/EKWB,添加了对3DZ、3DM、4D数据的支持,同时支持嵌入SRID信息。

EKWT/EKWB为WKT/WKB的超集,当前版本下,任意有效的WKT/WKB都是有效的EKWT/EKWB。

OGC几何类型详情

  • 原子类型

    模型名称

    模型说明

    模型WKT示例

    Point

    Point是一个零维几何图形,表示坐标空间中的单个位置。

    • POINT (1 2) * POINT Z (1 2 3)

    • POINT ZM (1 2 3 4)

    LineString

    LineString是由连续的线段序列形成的一维线。每条线段由两个点定义,一条线段的终点形成下一条线段的起点。 LineString可以自相交。

    LINESTRING (1 2, 3 4, 5 6)

    Polygon

    Polygon由外部边界和零个或多个内部边界(孔)界定。每个边界都是一个LinearRing 。

    POLYGON ((0 0 0,4 0 0,4 4 0,0 4 0,0 0 0),(1 1 0,2 1 0,2 2 0,1 2 0,1 1 0))

  • 参数化类型

    模型名称

    模型说明

    模型WKT示例

    EllipticalString

    椭圆弧。

    ELLIPTICALSTRING(-2 0,2 0,0 0,0,0,0,2,0.5)

    Bezier3Curve

    四个点确定的一条三阶贝塞尔曲线。

    BEZIER3CURVE(1 1, 2 2, 3 2, 3 1) 

  • 集合类型

    模型名称

    模型说明

    模型WKT示例

    MultiPoint

    MultiPoint是Point的集合。

    MULTIPOINT ( (0 0), (1 2) )

    MultiLineString

    MultiLineString是LineString的集合。

    MULTILINESTRING ( (0 0,1 1,1 2), (2 3,3 2,5 4) )

    MultiPolygon

    MultiPolygon是不重叠、不相邻的Polygon的集合。集合中的Polygon只能在有限点处相接。

    MULTIPOLYGON (((1 5, 5 5, 5 1, 1 1, 1 5)), ((6 5, 9 1, 6 1, 6 5)))

    GeometryCollection

    GeometryCollection是Geometry的集合,可以混合不同类型的Geometry对象。

    GEOMETRYCOLLECTION ( POINT(2 3), LINESTRING(2 3, 3 4))

    CompoundCurve

    含线、椭圆弧或贝塞尔曲线的复合线对象。 CompoundCurve中每个单元对象的几何必须连续。

    • COMPOUNDCURVE((1 0,2 0),ELLIPTICALSTRING(2 0 ,4 0, 3 0 ,1,0,0,1,0.5))

    • COMPOUNDCURVE((1 2,2 0),BEZIER3CURVE(2 0,20 20 ,30 10,10 10))

    CurvePolygon

    含曲线的复合面对象。 CurvePolygon中的各个子对象必须是闭合的。

    • CURVEPOLYGON(ELLIPTICALSTRING(2 0,2 0,0 0,0,0,0,2,0.5),CIRCULARSTRING(-0.5 0,0.5 0,-0.5 0))

    • CURVEPOLYGON(BEZIER3CURVE(1 1, 2 2, 3 1, 1 1),CIRCULARSTRING(1.7 1.2,1.9 1.2,1.7 1.2))

空间数据列视图

在Ganos中,geometry_columns是从数据库系统目录表中读取全部几何列的视图。该视图遵循了OGC的Simple Features Specification for SQL标准。

空间数据列视图具有如下结构:

列名

类型

说明

f_table_catalog

varchar(256)

一般为固定值postgres。

f_table_schema

varchar(256)

该表所在的schema。

f_table_name

varchar(256)

该表的表名。

f_geometry_column

varchar(256)

该表中某个Geometry列的列名。

coord_dimension

integer

Geometry列的维度(2,3或4)。

srid

integer

Geometry列SRID,是引用到spatial_ref_sys表的外键。

type

varchar(30)

Geometry对象的类型,应为OGC标准类型之一。若为混合类型,则值为GEOMETRY。

可以通过如下语句查询当前数据库中全部几何数据列:

SELECT * FROM geometry_columns;

索引

空间索引使Ganos处理大型空间数据集时避免对数据库进行全局“顺序扫描”。索引通过将数据组织到搜索树中来加速搜索,可以快速遍历该搜索树以查找特定记录。

Ganos为空间数据提供了三种空间索引:

索引名称

索引简介

索引特点

GiST (Generalized Search Tree)

GiST索引是一种平衡搜索树,是最常用、最通用的空间索引方法,提供非常好的查询性能。 

GiST索引允许定义一些规则将任意类型的数据分布在一棵平衡树上,同时也允许定义一些方法访问这些数据。

BRIN (Block Range Index)

BRIN索引通过汇总空间表中一定数量记录的空间范围进行处理。搜索是通过扫描空间范围来完成的。 

  • 适合数据量较大且重叠很少或没有重叠(例如点)的表,这些表是静态的或不经常变化的。

  • 相比GiST索引,它提供了更快的索引创建时间和更小的索引大小,但查询时间更慢。

  • BRIN需要手动维护索引。

  • 对于返回相对大量数据记录的查询更有效。

SP-GiST (Space-Partitioned Generalized Search Tree)

SP-GiST是一种通用索引方法,支持四叉树、kd树和根基树等分区搜索树。

  • 相比GiST索引,SP-GiST支持更少的运算符,也不支持KNN搜索。

  • 相比GiST索引,更适合不相互重叠的对象。

快速入门

简介

快速入门帮助用户快速理解Ganos Geometry引擎的基本用法,包括扩展创建、创建表、导入数据、创建索引、空间分析量测、空间关系判断等内容。

更多专业用法可参考Geometry最佳实践文章:

语法说明

  • 创建扩展。

    --创建几何扩展
    CREATE extension ganos_geometry cascade;
    说明

    建议将扩展安装在public模式下,避免权限问题。

    CREATE extension ganos_geometry WITH schema public cascade;
  • 创建几何表。

    --方式一:直接创建带geometry字段的表
    CREATE TABLE ROADS ( ID int4, ROAD_NAME varchar(25), geom geometry(LINESTRING,3857) );
    
    --方式二:先创建普通表,再附加几何字段
    CREATE TABLE ROADS ( ID int4, ROAD_NAME varchar(25) );
    SELECT AddGeometryColumn( 'roads', 'geom', 3857, 'LINESTRING', 2);
  • 添加几何约束。

    ALTER TABLE ROADS ADD CONSTRAINT geometry_valid_check CHECK (ST_IsValid(geom));
  • 导入几何数据。

    INSERT INTO roads (id, geom, road_name)
      VALUES (1,ST_GeomFromText('LINESTRING(191232 243118,191108 243242)',3857),'北五环');
    INSERT INTO roads (id, geom, road_name)
      VALUES (2,ST_GeomFromText('LINESTRING(189141 244158,189265 244817)',3857),'东五环');
    INSERT INTO roads (id, geom, road_name)
      VALUES (3,ST_GeomFromText('LINESTRING(192783 228138,192612 229814)',3857),'南五环');
    INSERT INTO roads (id, geom, road_name)
      VALUES (4,ST_GeomFromText('LINESTRING(189412 252431,189631 259122)',3857),'西五环');
    INSERT INTO roads (id, geom, road_name)
      VALUES (5,ST_GeomFromText('LINESTRING(190131 224148,190871 228134)',3857),'东长安街');
    INSERT INTO roads (id, geom, road_name)
      VALUES (6,ST_GeomFromText('LINESTRING(198231 263418,198213 268322)',3857),'西长安街');
  • 查询几何对象信息。

    SELECT id, ST_AsText(geom) AS geom, road_name FROM roads;
    
    --------------------------------
     id | geom| road_name
    --------+-----------------------------------------+-----------
      1 | LINESTRING(191232 243118,191108 243242) | 北五环
      2 | LINESTRING(189141 244158,189265 244817) | 东五环
      3 | LINESTRING(192783 228138,192612 229814) | 南五环
      4 | LINESTRING(189412 252431,189631 259122) | 西五环
      5 | LINESTRING(190131 224148,190871 228134) | 东长安街
      6 | LINESTRING(198231 263418,198213 268322) | 西长安街
    (6 rows)
  • 创建索引。

    --GiST索引
    CREATE INDEX [indexname] ON [tablename] USING GIST ( [geometryfield] );
    CREATE INDEX [indexname] ON [tablename] USING GIST ([geometryfield] gist_geometry_ops_nd);
    VACUUM ANALYZE [table_name] [(column_name)];
    
    --举例
    Create INDEX sp_geom_index ON ROADS USING GIST(geom);
    VACUUM ANALYZE ROADS (geom);
    
    --BRIN索引
    CREATE INDEX [indexname] ON [tablename] USING BRIN ( [geometryfield] );
    CREATE INDEX [indexname] ON [tablename] USING BRIN ([geometryfield] brin_geometry_inclusion_ops_3d);
    CREATE INDEX [indexname] ON [tablename] USING BRIN ([geometryfield] brin_geometry_inclusion_ops_4d);
      --指定块大小的brin索引
    CREATE INDEX [indexname] ON [tablename] USING BRIN ( [geometryfield] ) WITH (pages_per_range = [number]);
  • 空间测量和空间分析。

    --Create Table bc_roads:
    Column  | Type  | Description
    ------------+-------------------+-------------------
    gid | integer   | Unique ID
    name| character varying | Road Name
    the_geom| geometry  | Location Geometry (Linestring)
    
    --Create table bc_municipality:
    Column | Type  | Description
    -----------+-------------------+-------------------
    gid| integer   | Unique ID
    code   | integer   | Unique ID
    name   | character varying | City / Town Name
    the_geom   | geometry  | Location Geometry (Polygon)
    
    --长度计算
    SELECT sum(ST_Length(the_geom))/1000 AS km_roads FROM bc_roads;
    
    km_roads
    ------------------
    70842.1243039643
    (1 row)
    
    --面积计算
    SELECT ST_Area(the_geom)/10000 AS hectares FROM bc_municipality WHERE name = 'PRINCE GEORGE';
    
    hectares
    ------------------
    32657.9103824927
    (1 row)
  • 空间关系判断。

    --ST_Contains
    SELECT  m.name, sum(ST_Length(r.the_geom))/1000 as roads_km
    FROM
      bc_roads AS r, bc_municipality AS m
    WHERE
      ST_Contains(m.the_geom,r.the_geom)
    GROUP BY m.name
    ORDER BY roads_km;
    
    name| roads_km
    ----------------------------+------------------
    SURREY  | 1539.47553551242
    VANCOUVER   | 1450.33093486576
    LANGLEY DISTRICT| 833.793392535662
    BURNABY | 773.769091404338
    PRINCE GEORGE   | 694.37554369147
    ...
    
    --ST_Covers,a circle covering a circle
    SELECT ST_Covers(smallc,smallc) As smallinsmall,
        ST_Covers(smallc, bigc) As smallcoversbig,
        ST_Covers(bigc, ST_ExteriorRing(bigc)) As bigcoversexterior,
        ST_Contains(bigc, ST_ExteriorRing(bigc)) As bigcontainsexterior
    FROM (SELECT ST_Buffer(ST_GeomFromText('POINT(1 2)'), 10) As smallc,
        ST_Buffer(ST_GeomFromText('POINT(1 2)'), 20) As bigc) As foo;
        --Result
     smallinsmall | smallcoversbig | bigcoversexterior | bigcontainsexterior
    --------------+----------------+-------------------+---------------------
     t| f  | t | f
    (1 row)
    
    --ST_Disjoint
    SELECT ST_Disjoint('POINT(0 0)'::geometry, 'LINESTRING ( 2 0, 0 2 )'::geometry);
     st_disjoint
    ---------------
     t
    (1 row)
    SELECT ST_Disjoint('POINT(0 0)'::geometry, 'LINESTRING ( 0 0, 0 2 )'::geometry);
     st_disjoint
    ---------------
     f
    (1 row)
    
    --ST_Overlaps
    SELECT ST_Overlaps(a,b) As a_overlap_b,
            ST_Crosses(a,b) As a_crosses_b,
            ST_Intersects(a, b) As a_intersects_b, ST_Contains(b,a) As b_contains_a
    FROM (SELECT ST_GeomFromText('POINT(1 0.5)') As a, ST_GeomFromText('LINESTRING(1 0, 1 1, 3 5)')  As b)
        As foo
    
    a_overlap_b | a_crosses_b | a_intersects_b | b_contains_a
    ------------+-------------+----------------+--------------
    f   | f   | t  | t
    
    --ST_Relate
    SELECT ST_Relate(ST_GeometryFromText('POINT(1 2)'), ST_Buffer(ST_GeometryFromText('POINT(1 2)'),2), '0FFFFF212');
    st_relate
    -----------
    t
    
    --ST_Touches
    SELECT ST_Touches('LINESTRING(0 0, 1 1, 0 2)'::geometry, 'POINT(1 1)'::geometry);
     st_touches
    ------------
     f
    (1 row)
    
    SELECT ST_Touches('LINESTRING(0 0, 1 1, 0 2)'::geometry, 'POINT(0 2)'::geometry);
     st_touches
    ------------
     t
    (1 row)
    
    --ST_Within
    SELECT ST_Within(smallc,smallc) As smallinsmall,
        ST_Within(smallc, bigc) As smallinbig,
        ST_Within(bigc,smallc) As biginsmall,
        ST_Within(ST_Union(smallc, bigc), bigc) as unioninbig,
        ST_Within(bigc, ST_Union(smallc, bigc)) as biginunion,
        ST_Equals(bigc, ST_Union(smallc, bigc)) as bigisunion
    FROM
    (
    SELECT ST_Buffer(ST_GeomFromText('POINT(50 50)'), 20) As smallc,
        ST_Buffer(ST_GeomFromText('POINT(50 50)'), 40) As bigc) As foo;
    --Result
     smallinsmall | smallinbig | biginsmall | unioninbig | biginunion | bigisunion
    --------------+------------+------------+------------+------------+------------
     t| t  | f  | t  | t  | t
    (1 row)
  • 几何对象存取。

     SELECT ST_IsSimple(ST_GeomFromText('POLYGON((1 2, 3 4, 5 6, 1 2))'));
     st_issimple
    -------------
     t
    (1 row)
    
     SELECT ST_IsSimple(ST_GeomFromText('LINESTRING(1 1,2 2,2 3.5,1 3,1 2,2 1)'));
     st_issimple
    -------------
     f
    (1 row)
    
    
    --查询地形中拥有环岛且面积最大的城市
    SELECT gid, name, ST_Area(the_geom) AS area
    FROM bc_municipality
    WHERE ST_NRings(the_geom) > 1
    ORDER BY area DESC LIMIT 1;
    
    gid  | name | area
    -----+--------------+------------------
    12   | 安宁市        | 257374619.430216
    (1 row)
  • 删除扩展(可选)。

    --删除几何扩展
    Drop extension ganos_geometry cascade;

SQL参考

详细SQL手册请参见Geometry SQL参考