如何使用GanosGeometry幾何模型(O引擎) - PolarDB

本文介紹了幾何模型的用途、基本構成和快速入門等內容。

模型用途

簡介

幾何模型是開放地理空間聯盟（Open Geospatial Consortium，以下簡稱為OGC）設計的簡單要素訪問標準（Simple Features Access standard，以下簡稱為SFA），用於描述地理空間資料。該標準定義了基本的空間模型Geometry模型及對該模型的操作、轉換等行為，以實現各種空間分析任務。

GanosBase Geometry是對象關係型資料庫PostgreSQL相容版本（PolarDB PostgreSQL版（相容Oracle））的一個時空引擎擴充，GanosBase Geometry擴充採用了OGC Simple Features規範，它包含了Geometry和Geography兩種類型，用於表示平面或曲面上的點、線、面等幾何對象。

功能概述

GanosBase Geometry支援構建、訪問、編輯、處理、彙總、匯出空間對象的多種方法，支援空間對象關係查詢，支援空間對象線性參考設定等。

GanosBase Geometry相容多種外部格式的直接輸入，例如：WKT、WKB、EKWT、EWKB、KML、GML、GeoHash、Geojson等，也支援通過其他工具輸入Esri Shape File等格式。

主要業務情境

在實際應用中，Geometry類型可以用於幾何Object Storage Service分析的情境：

地圖製作和可視化
地圖可視化可以直觀地展現地理空間中資料的分布、趨勢和關係，通過在地圖上標記不同的資料點、線、面等元素，選擇合適的地圖投影、色彩、符號等元素，展示資料在地理空間中的分布情況，實現地圖的製作和可視化。Geometry類型可以用於表示地圖上的各種要素，例如道路、河流、建築物等。
位置服務
對位置資料進行空間查詢，彙總和分析，可以找到最佳位置、評估風險或計算兩點之間距離等。Geometry類型可以描述點狀地物同時對點狀地物進行各種空間處理，可為位置服務提供支援。
空間關係查詢
空間關係查詢可以用於多種情境，例如空間資料挖掘、城市規劃等。通過空間關係查詢，可以快速地找到滿足特定條件的空間實體，為決策提供有力的支援。Geometry類型支援多個幾何對象之間空間關係的判斷，例如確定兩個物體是否相交或相切等。
空間分析和計算
空間分析和計算用於各種量測情境，例如計算建築物的面積、計算兩個城市之間的距離等。Geometry類型支援各種空間分析和計算，例如計算面積、長度、距離、質心等。

基本構成

幾何模型概述

Geometry模型在二維或三維笛卡爾座標系中進行建模，其大小與位置由其座標決定。每一個座標都有一個X和Y座標值，同時，可以包含可選的Z和M座標值。 Z座標通常用於表示高程。M座標表示測量值，可以表示時間或距離。如果Geometry中存在Z或M值，則必須為其中的每個點定義它們。若Geometry具有Z或M座標，則其座標維度為3DZ或3DM，如果它同時具有Z和M，則為4D。

空間參考系

空間參考系（Spatial Reference System，以下簡稱為 SRS ）定義了如何將Geometry對象關聯到地球表面上某個具體位置。

GanosBase使用一個整數來表示SRS的定義引用，稱為SRID。Geometry對象通過其自身的SRID值與SRS關聯。

更多內容請參見空間參考。

OGC外部交換格式

SFA規範同時定義了兩種用於外部資料交換的格式：

方便閱讀的文本形式：Well-Known Text (以下簡稱為WKT)。
可以保留資料精度且方便傳輸的二進位形式：Well-Known Binary (以下簡稱為WKB)。

WKT和WKB均包含對象的類型資訊和定義它的座標資訊，但不包含其關聯的SRID，也不支援非二維資料。

GanosBase擴充WKT/WKB為EKWT/EKWB，添加了對3DZ、3DM、4D資料的支援，同時支援嵌入SRID資訊。

EKWT/EKWB為WKT/WKB的超集，目前的版本下，任意有效WKT/WKB都是有效EKWT/EKWB。

OGC幾何類型詳情

原子類型

模型名稱	模型說明	模型WKT樣本
Point	Point是一個零維幾何圖形，表示座標空間中的單個位置。	POINT (1 2) * POINT Z (1 2 3) POINT ZM (1 2 3 4)
LineString	LineString是由連續的線段序列形成的一維線。每條線段由兩個點定義，一條線段的終點形成下一條線段的起點。 LineString可以自相交。	LINESTRING (1 2, 3 4, 5 6)
Polygon	Polygon由外部邊界和零個或多個內部邊界（孔）界定。每個邊界都是一個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))

參數化型別

模型名稱	模型說明	模型WKT樣本
EllipticalString	橢圓弧。	ELLIPTICALSTRING(-2 0,2 0,0 0,0,0,0,2,0.5)
Bezier3Curve	四個點確定的一條三階貝茲路徑。	BEZIER3CURVE(1 1, 2 2, 3 2, 3 1)

集合類型

模型名稱	模型說明	模型WKT樣本
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是不重疊、不相鄰的Polygon的集合。集合中的Polygon只能在有限點處相接。	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，可以混合不同類型的Geometry對象。	GEOMETRYCOLLECTION ( POINT(2 3), LINESTRING(2 3, 3 4))
CompoundCurve	含線、橢圓弧或貝茲路徑的複合線對象。 CompoundCurve中每個單元對象的幾何必須連續。	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	含曲線的複合面對象。 CurvePolygon中的各個子物件必須是閉合的。	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))

空間資料行視圖

在GanosBase中，geometry_columns是從資料庫系統目錄表中讀取全部幾何列的視圖。該視圖遵循了OGC的Simple Features Specification for SQL標準。

空間資料行視圖具有如下結構：

列名	類型	說明
f_table_catalog	varchar(256)	一般為固定值postgres。
f_table_schema	varchar(256)	該表所在的schema。
f_table_name	varchar(256)	該表的表名。
f_geometry_column	varchar(256)	該表中某個Geometry列的列名。
coord_dimension	integer	Geometry列的維度（2，3或4）。
srid	integer	Geometry列SRID，是引用到spatial_ref_sys表的外鍵。
type	varchar(30)	Geometry對象的類型，應為OGC標準類型之一。若為混合類型，則值為GEOMETRY。

可以通過如下語句查詢當前資料庫中全部幾何資料列：

SELECT * FROM geometry_columns;

索引

空間索引使GanosBase處理大型空間資料集時避免對資料庫進行全域“順序掃描”。索引通過將資料群組織到搜尋樹中來加速搜尋，可以快速遍曆該搜尋樹以尋找特定記錄。

GanosBase為空白間資料提供了三種空間索引：

索引名稱	索引簡介	索引特點
GiST (Generalized Search Tree)	GiST索引是一種平衡搜尋樹，是最常用、最通用的空間索引方法，提供非常好的查詢效能。	GiST索引允許定義一些規則將任意類型的資料分布在一棵平衡樹上，同時也允許定義一些方法訪問這些資料。
BRIN (Block Range Index)	BRIN索引通過匯總空間表中一定數量記錄的空間範圍進行處理。搜尋是通過掃描空間範圍來完成的。	適合資料量較大且重疊很少或沒有重疊（例如點）的表，這些表是靜態或不經常變化的。相比GiST索引，它提供了更快的索引建立時間和更小的索引大小，但查詢時間更慢。 BRIN需要手動維護索引。對於返回相對大量資料記錄的查詢更有效。
SP-GiST (Space-Partitioned Generalized Search Tree)	SP-GiST是一種通用索引方法，支援四叉樹、kd樹和根基樹等分區搜尋樹。	相比GiST索引，SP-GiST支援更少的運算子，也不支援KNN搜尋。相比GiST索引，更適合不相互重疊的對象。

快速入門

簡介

快速入門協助使用者快速理解GanosBase Geometry引擎的基本用法，包括擴充建立、建立表、匯入資料、建立索引、空間分析量測、空間關係判斷等內容。

文法說明

建立擴充。

--建立幾何擴充
CREATE extension ganos_geometry cascade;

說明

建議將擴充安裝在public模式下，避免許可權問題。

CREATE extension ganos_geometry WITH schema public cascade;

建立幾何表。

--方式一：直接建立帶geometry欄位的表
CREATE TABLE ROADS ( ID int4, ROAD_NAME varchar(25), geom geometry(LINESTRING,3857) );

--方式二：先建立普通表，再附加幾何欄位
CREATE TABLE ROADS ( ID int4, ROAD_NAME varchar(25) )；
SELECT AddGeometryColumn( 'roads', 'geom', 3857, 'LINESTRING', 2);

添加幾何約束。

ALTER TABLE ROADS ADD CONSTRAINT geometry_valid_check CHECK (ST_IsValid(geom));

匯入幾何資料。

INSERT INTO roads (id, geom, road_name)
  VALUES (1,ST_GeomFromText('LINESTRING(191232 243118,191108 243242)',3857),'北五環');
INSERT INTO roads (id, geom, road_name)
  VALUES (2,ST_GeomFromText('LINESTRING(189141 244158,189265 244817)',3857),'東五環');
INSERT INTO roads (id, geom, road_name)
  VALUES (3,ST_GeomFromText('LINESTRING(192783 228138,192612 229814)',3857),'南五環');
INSERT INTO roads (id, geom, road_name)
  VALUES (4,ST_GeomFromText('LINESTRING(189412 252431,189631 259122)',3857),'西五環');
INSERT INTO roads (id, geom, road_name)
  VALUES (5,ST_GeomFromText('LINESTRING(190131 224148,190871 228134)',3857),'東長安街');
INSERT INTO roads (id, geom, road_name)
  VALUES (6,ST_GeomFromText('LINESTRING(198231 263418,198213 268322)',3857),'西長安街');

查詢幾何對象資訊。

SELECT id, ST_AsText(geom) AS geom, road_name FROM roads;

--------------------------------
 id | geom| road_name
--------+-----------------------------------------+-----------
  1 | LINESTRING(191232 243118,191108 243242) | 北五環
  2 | LINESTRING(189141 244158,189265 244817) | 東五環
  3 | LINESTRING(192783 228138,192612 229814) | 南五環
  4 | LINESTRING(189412 252431,189631 259122) | 西五環
  5 | LINESTRING(190131 224148,190871 228134) | 東長安街
  6 | LINESTRING(198231 263418,198213 268322) | 西長安街
(6 rows)

建立索引。

--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)];

--舉例
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);
  --指定塊大小的brin索引
CREATE INDEX [indexname] ON [tablename] USING BRIN ( [geometryfield] ) WITH (pages_per_range = [number]);

空間測量和空間分析。

--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)

--長度計算
SELECT sum(ST_Length(the_geom))/1000 AS km_roads FROM bc_roads;

km_roads
------------------
70842.1243039643
(1 row)

--面積計算
SELECT ST_Area(the_geom)/10000 AS hectares FROM bc_municipality WHERE name = 'PRINCE GEORGE';

hectares
------------------
32657.9103824927
(1 row)

空間關係判斷。

--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)

幾何對象存取。

 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)


--查詢地形中擁有環島且面積最大的城市
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   | 安寧市        | 257374619.430216
(1 row)

刪除擴充（可選）。

--刪除幾何擴充
Drop extension ganos_geometry cascade;

SQL參考

詳細SQL手冊請參見Geometry SQL參考。