云原生数据库 PolarDB：几何模型

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。

GanosBase Geometry是对象关系型数据库PostgreSQL兼容版本（PolarDB PostgreSQL版）的一个时空引擎扩展，GanosBase 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

GanosBase 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。

GanosBase 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。

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。

GanosBase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。

GanosBase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GanosBase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：

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GanosBase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。

GanosBase为空间数据提供了三种空间索引：

简介

快速入门帮助用户快速理解GanosBase 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。

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。