PolarDB:GanosBase H3 地理グリッド：機能とベストプラクティス

背景情報

地理グリッドは、粗いスケールから細かいスケールまで、地球表面を多段階のポリゴンセルに分割します。各セルには一意のコードが割り当てられ、空間フィーチャーを他の時空間データと連携して表現、インデックス化、結合することが可能になります。三次元地理グリッドでは、緯度・経度に加えて、高さも分割およびエンコーディング範囲に含めます。

GanosBase は以下の 2 種類のグリッドシステムをサポートしています：

• GeoSOT：中国で開発された地理空間分割理論に基づく、多段階の地域位置識別システムです。

• H3：Uber 社が開発した二次元グローバル六角形グリッドシステムです。H3 は、統一的かつ多層構造の六角形で地球表面全体をカバーします。

H3 の六角形セルは、空間分析に適した以下の 3 つの特性を持ちます：均一な隣接セル間距離、固定された 6 方向隣接関係、方向バイアスの欠如。これらの特性により、正方形または三角形グリッドと比較して、経路計画、ジオコーディング、ジオフェンシング、密度分析などの処理が簡素化されます。

GanosBase は、H3 を拡張し、複数の階層レベルにわたる最小限のグリッドセル集合で空間範囲を表現する「劣化グリッド計算（degenerated grid computing）」を実装しています。これにより、エンコーディングのストレージコストを削減できます。また、GanosBase には、グリッドコードの高速クエリおよび集約計算を実現する独自開発のグリッドインデックスも同梱されています。

適用範囲/利用シーン/ユースケース

H3 グリッドは、空間データワークロード全般で活用されています：

• 物流および旅行サービス：経路計画、エリアカバレッジ分析、配達範囲の明確化、ホットスポットの発見。

• データ分析：人口密度分析、モバイルユーザー行動分析、地理的市場セグメンテーション。

• IoT（モノのインターネット）：スマートシティ、環境モニタリング、資産追跡などのシナリオにおけるモニタリングデータの空間分布分析。

• ソーシャルネットワーク：位置情報ベースサービス（LBS）、友人位置共有、イベント通知。

• 緊急対応および公共サービス：災害ディストリビューション分析、早期警戒のためのヒートマップ、緊急リソース割り当て、救助エリアの明確化。

機能

GanosBase H3 は、以下の操作をサポートしています：

• ポイント、ライン、ポリゴンを H3 グリッドコードとしてエンコード

• グリッドコードを空間ジオメトリへデコード

• 親子グリッド関係の判定

• グリッドパス距離およびトラバーサルの計算

• 空間範囲、レベル、近接性に基づくグリッドクエリ

• H3 グリッドコードを GanosBase Geometry 型へ変換し、ベクトルデータとの空間分析を実行

• H3 グリッドとラスターデータを組み合わせたピクセル統計の実行

• 劣化グリッド計算を適用し、エンコーディングのストレージを最小化

全関数リファレンスについては、「」をご参照ください。

技術的優位性

GanosBase H3 は、オープンソースの H3 ライブラリに加え、以下の追加機能を提供します：

• 豊富なエンコーディング入力タイプ：緯度・経度座標だけでなく、GanosBase の Point、LineString、Polygon ジオメトリ型を直接 H3 グリッドコードとしてエンコード可能です。

• パフォーマンス最適化：大規模データセット向けに、エンコーディングスループットおよびグリッドクエリ効率が最適化されています。

• クロスモデルクエリ分析：H3 グリッドを GanosBase の他の空間モデル（例：ジオメトリから H3 エンコーディングへの変換、ラスターデータに対するピクセル統計）と結合できます。

• 大規模データ向けの階層ストレージ：PolarDB の多態階層ストレージ機能を活用し、大規模ポイントデータを Object Storage Service (OSS) にエンコード・保存することで、ストレージコストを大幅に削減します。

ベストプラクティス

本セクションでは、GanosBase H3 を用いた空間ポイントデータの格納、エンコード、クエリ、および可視化に至る一連のワークフローを完全に解説します。使用するデータセットは、Uber 社が公開した 2023 年ニューヨーク市タクシー乗車データ（FOIL）です。

CREATE EXTENSION ganos_geomgrid CASCADE;

-- h3_lev13 にはレベル 13 の H3 コードを格納
CREATE TABLE FOIL2013 (
  id text,
  lon float,
  lat float,
  h3_lev13 h3grid
);

-- 緯度・経度からレベル 13 の H3 コードを生成
UPDATE FOIL2013 SET h3_lev13 = ST_H3FromLatLng(lat, lon, 13);

-- 確認：H3 コードを文字列形式で表示
SELECT id, lon, lat, ST_AsText(h3_lev13) AS h3
FROM FOIL2013
LIMIT 100;

-- H3 セルごとのポイント数をカウントし、結果を格納
CREATE TABLE h3_count_lev13 AS
SELECT ST_AsText(h3_lev13) AS h3code, COUNT(*) AS count
FROM FOIL2013
GROUP BY h3_lev13;

-- 乗車回数上位のセルをクエリ
SELECT ST_AsText(h3_lev13), ST_AsText(geometry), count
FROM h3_count_lev13
ORDER BY count DESC;

SELECT *
FROM foil2013
WHERE ST_GridDistance(
  ST_H3FromLatLng(40.71481749, -73.99100368, 13),
  h3_lev13
) < 10;

H3 グリッドの可視化

GanosBase は、データベースから直接 Mapbox Vector Tiles（MVT）形式で H3 グリッドを提供できます。Python バックエンドが現在の地図ビューポートに基づいてデータベースをクエリし、ベクタータイルをブラウザへストリーム送信します。専用のタイルサーバーは不要です。

GanosBase は、可視化時に H3 グリッドを動的に生成することもサポートしています。たとえば、テーブルにレベル 13 のデータが格納されているが、地図がレベル 10 のタイルを要求している場合、ST_AsMVTGeom(ST_H3FromLatLng(lat, lon, 10), ...) を使用してオンザフライで生成できます。事前計算済みのグリッドは高速ですが、動的生成は複数のグリッドレベルを格納する必要がなくなります。

以下の手順では、h3_count_lev13 から事前計算済みのグリッドを使用します。

ステップ 1：タイルクエリの高速化のためのグリッドインデックスの作成

CREATE INDEX ON h3_count_lev13 USING GIST(h3_lev13);

ステップ 2：タイル座標によるベクタータイルのクエリ

以下のクエリは、タイル (z=14, x=4826, y=6157) の MVT を返します。タイル座標は、ユーザーのビューポートおよびズームレベルに基づき、地図フロントエンドから取得されます。

SELECT ST_AsMVT(tile)
FROM (
  SELECT ST_AsMVTGeom(
           h3_lev13,
           ST_Transform(ST_TileEnvelope(14, 4826, 6157), 4326)
         ) AS grid,
         count
  FROM h3_count_lev13
  WHERE h3_lev13 && ST_Transform(ST_TileEnvelope(14, 4826, 6157), 4326)
) AS tile;

ステップ 3：フロントエンドの実行

可視化フロントエンドには、Python（Quart + asyncpg）バックエンドと、Mapbox GL JS を用いた HTML ページを使用します。Python スクリプトを起動し、ブラウザで localhost:5100 を開きます。スクリプトは、地図の現在位置およびズームレベルに基づきタイルクエリ SQL を動的に生成し、各セルを乗車回数に応じて色付けします。

フロントエンドには Mapbox アクセストークンが必要です。YOUR_TOKEN を index.html 内で自身のトークンに置き換えてください。

まとめ

地理グリッドは、モバイルオブジェクト関連のアプリケーションシナリオにおいて不可欠であり、軌道、ベクトル、ラスターなどのデータ型と統合することで、顕著なビジネス価値を実現します。世界で初めてモバイルオブジェクト（MOD）をサポートするデータベースとして、GanosBase は、交通、物流、旅行、自動車など多様な業界の顧客において、その地理空間グリッド機能を実証済みです。従来のミドルウェアや業務コードによる実装と比較して、GanosBase はデータベースシステムレベルで大規模モバイルオブジェクト向けの時空間処理フレームワークを提供し、計算効率を大幅に向上させるとともに、総合的なコストを削減します。

付録

以下は、H3 グリッド可視化のための完全なフロントエンド実装コードです。

Python バックエンド（`app.py`）

from quart import Quart, send_file, render_template
import asyncpg
import io
import re

## Database connection parameters
CONNECTION = {"host": "YOUR-HOST-NAME-OR-IP", "port": PORT_NO, "database": "DATABASE_NAME",
              "user": "USER_NAME", "password": "PASSWORD"}

## Target table name/field/ID
TABLE = "h3_count_lev13"
H3_COL = "h3_lev13"
H3_GEOM_COL = "geometry"
AGG_VAL_COL = "count"
COL_SRID = 4326

app = Quart(__name__, template_folder='./')


@app.before_serving
async def create_db_pool():
    app.db_pool = await asyncpg.create_pool(**CONNECTION)


@app.after_serving
async def close_db_pool():
    await app.db_pool.close()


@app.route("/")
async def home():
    sql = f'''
    SELECT ST_Extent(ST_Transform(ST_Envelope({H3_GEOM_COL}), 4326))
    FROM {TABLE};
    '''
    async with app.db_pool.acquire() as connection:
        box = await connection.fetchval(sql)
        box = re.findall('BOX\((.*?) (.*?),(.*?) (.*?)\)', box)[0]
        min_x, min_y, max_x, max_y = list(map(float, box))
        bounds = [[min_x, min_y], [max_x, max_y]]
        center = [(min_x + max_x) / 2, (min_y + max_y) / 2]
        return await render_template('./index.html', center=str(center), bounds=str(bounds))


@app.route("/h3_mvt/<int:z>/<int:x>/<int:y>")
async def h3_mvt(z, x, y):
    sql = f'''
    SELECT ST_AsMVT(tile.*)
    FROM
      (SELECT ST_AsMVTGeom({H3_COL}, ST_Transform(ST_TileEnvelope($1,$2,$3),{COL_SRID}), 4096, 512, true) geometry,
       {AGG_VAL_COL} count
      FROM {TABLE}
      WHERE ({H3_COL} && ST_Transform(ST_TileEnvelope($1,$2,$3),{COL_SRID}))) tile'''
    async with app.db_pool.acquire() as connection:
        tile = await connection.fetchval(sql, z, x, y)
        return await send_file(io.BytesIO(tile), mimetype='application/vnd.mapbox-vector-tile')

if __name__ == "__main__":
    app.run(port=5100)

HTML フロントエンド（`index.html`）

<!DOCTYPE html>
<html>

<head>
  <meta charset="utf-8">
  <title>map viewer</title>
  <meta name="viewport" content="initial-scale=1,maximum-scale=1,user-scalable=no">
  <link href="https://api.mapbox.com/mapbox-gl-js/v2.14.1/mapbox-gl.css" rel="stylesheet">
  <script src="https://api.mapbox.com/mapbox-gl-js/v2.14.1/mapbox-gl.js"></script>
  <script src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/chroma-js/2.4.2/chroma.min.js"></script>
</head>

<body>
  <div id="map" style="position: absolute;left:0; top: 0; bottom: 0; width: 100%;cursor:pointer;"></div>
  <div class="counter"
    style="position: absolute;left:2%;font-size: 20px;padding: .1em .1em;text-shadow: 3px 3px 3px black;">
    

  </div>
  <script>
    let YOUR_TOKEN = "pk.eyJ1Ijoia3pmaWxlIiwiYSI6ImNqbHZueXdlZjB2cG4zdnFucGl1OHJsMjkifQ.kW_Utrh8ETQltRk6fnpa_A"

    mapboxgl.accessToken = YOUR_TOKEN;
    const map = new mapboxgl.Map({
      container: "map",
      style: "mapbox://styles/mapbox/navigation-night-v1",
      center: {{ center }},
      zoom: 1
    })

    map.on("load", () => {
      map.fitBounds({{ bounds }})

      map.on('mousemove', 'h3', (e) => {
        map.getCanvas().style.cursor = "default";
        if (e.features.length > 0)
          document.getElementById('count').innerText = e.features[0].properties.count
      })
      map.on('mouseleave', 'h3', () => {
        map.getCanvas().style.cursor = "grab";
        document.getElementById('count').innerText = 0
      })
      map.addSource("h3_source", {
        type: "vector",
        tiles: [`${window.location.href}h3_mvt/{z}/{x}/{y}`],
        tileSize: 512
      });

      // make color map
      const MIN = 1
      const MAX = 600
      const STEP = 10
      color_map = chroma.scale(["#536edb", "#5d96a5", "#68be70", "#91d54d", "#cddf37", "#fede28", "#fda938", "#fb7447", "#f75a40", "#f24734", "#e9352a", "#da2723", "#cb181d"])
        .domain([MIN, MAX]);
      let colors = []
      for (let i = MIN; i < MAX; i += STEP)
        colors.push(color_map(i).hex(), i)
      colors.push(color_map(MAX).hex())

      map.addLayer({
        id: "h3",
        type: "fill",
        source: "h3_source",
        "source-layer": "default",
        paint: {
          "fill-color": [
            "step", ["get", "count"],
            ...colors
          ],
          "fill-opacity": 0.8
        }
      });

    });
  </script>
</body>

</html>