PostgreSQL+PostGIS 的使用

一、PostGIS中的几何类型

PostGIS支持所有OGC规范的“Simple Features”类型，同时在此基础上扩展了对3DZ、3DM、4D坐标的支持。

1. OGC的WKB和WKT格式

OGC定义了两种描述几何对象的格式，分别是WKB（Well-Known Binary）和WKT（Well-Known Text）。

在SQL语句中，用以下的方式可以使用WKT格式定义几何对象：

• POINT(0 0) ——点
• LINESTRING(0 0,1 1,1 2) ——线
• POLYGON((0 0,4 0,4 4,0 4,0 0),(1 1, 2 1, 2 2, 1 2,1 1)) ——面
• MULTIPOINT(0 0,1 2) ——多点
• MULTILINESTRING((0 0,1 1,1 2),(2 3,3 2,5 4)) ——多线
• MULTIPOLYGON(((0 0,4 0,4 4,0 4,0 0),(1 1,2 1,2 2,1 2,1 1)), ((-1 -1,-1 -2,-2 -2,-2 -1,-1 -1))) ——多面
• GEOMETRYCOLLECTION(POINT(2 3),LINESTRING((2 3,3 4))) ——几何集合

以下语句可以使用WKT格式插入一个点要素到一个表中，其中用到的GeomFromText等函数在后面会有详细介绍：
INSERT INTO table ( SHAPE, NAME )
VALUES ( GeomFromText('POINT(116.39 39.9)', 4326), '北京');

2. EWKT、EWKB和Canonical格式

EWKT和EWKB相比OGC WKT和WKB格式主要的扩展有3DZ、3DM、4D坐标和内嵌空间参考支持。

以下以EWKT语句定义了一些几何对象：
POINT(0 0 0) ——3D点
SRID=32632;POINT(0 0) ——内嵌空间参考的点
POINTM(0 0 0) ——带M值的点
POINT(0 0 0 0) ——带M值的3D点
SRID=4326;MULTIPOINTM(0 0 0,1 2 1) ——内嵌空间参考的带M值的多点

以下语句可以使用EWKT格式插入一个点要素到一个表中：
INSERT INTO table ( SHAPE, NAME )
VALUES ( GeomFromEWKT('SRID=4326;POINTM(116.39 39.9 10)'), '北京' )

Canonical格式是16进制编码的几何对象，直接用SQL语句查询出来的就是这种格式。

3. SQL-MM格式

SQL-MM格式定义了一些插值曲线，这些插值曲线和EWKT有点类似，也支持3DZ、3DM、4D坐标，但是不支持嵌入空间参考。

以下以SQL-MM语句定义了一些插值几何对象：
CIRCULARSTRING(0 0, 1 1, 1 0) ——插值圆弧
COMPOUNDCURVE(CIRCULARSTRING(0 0, 1 1, 1 0),(1 0, 0 1)) ——插值复合曲线
CURVEPOLYGON(CIRCULARSTRING(0 0, 4 0, 4 4, 0 4, 0 0),(1 1, 3 3, 3 1, 1 1)) ——曲线多边形
MULTICURVE((0 0, 5 5),CIRCULARSTRING(4 0, 4 4, 8 4)) ——多曲线
MULTISURFACE(CURVEPOLYGON(CIRCULARSTRING(0 0, 4 0, 4 4, 0 4, 0 0),(1 1, 3 3, 3 1, 1 1)),((10 10, 14 12, 11 10, 10 10),(11 11, 11.5 11, 11 11.5, 11 11))) ——多曲面

二、 PostGIS中空间信息处理的实现

1. spatial_ref_sys表

在基于PostGIS模板创建的数据库的public模式下，有一个spatial_ref_sys表，它存放的是OGC规范的空间参考。我们取我们最熟悉的4326参考看一下：

它的srid存放的就是空间参考的Well-Known ID，对这个空间参考的定义主要包括两个字段，srtext存放的是以字符串描述的空间参考，proj4text存放的则是以字符串描述的PROJ.4 投影定义（PostGIS使用PROJ.4实现投影）。

4326空间参考的srtext内容：
GEOGCS["WGS 84",DATUM["WGS_1984",SPHEROID["WGS 84",6378137,298.257223563,AUTHORITY["EPSG","7030"]],TOWGS84[0,0,0,0,0,0,0],AUTHORITY["EPSG","6326"]],PRIMEM["Greenwich",0,AUTHORITY["EPSG","8901"]],UNIT["degree",0.01745329251994328,AUTHORITY["EPSG","9122"]],AUTHORITY["EPSG","4326"]]

4326空间参考的proj4text内容：
+proj=longlat +ellps=WGS84 +datum=WGS84 +no_defs

2. geometry_columns表

geometry_columns表存放了当前数据库中所有几何字段的信息，比如我当前的库里面有两个空间表，在geometry_columns表中就可以找到这两个空间表中几何字段的定义：

其中f_table_schema字段表示的是空间表所在的模式，f_table_name字段表示的是空间表的表名，f_geometry_column字段表示的是该空间表中几何字段的名称，srid字段表示的是该空间表的空间参考。

3. 在PostGIS中创建一个空间表

在PostGIS中创建一个包含几何字段的空间表分为2步：第一步创建一个一般表，第二步给这个表添加几何字段。

以下先在test模式下创建一个名为cities的一般表：
create table test.cities (id int4, name varchar(20))

再给cities添加一个名为shape的几何字段（二维点）：
select AddGeometryColumn('test', 'cities', 'shape', 4326, 'POINT', 2)

4. PostGIS对几何信息的检查

PostGIS可以检查几何信息的正确性，这主要是通过IsValid函数实现的。
以下语句分辨检查了2个几何对象的正确性，显然，(0, 0)点和(1,1)点可以构成一条线，但是(0, 0)点和(0, 0)点则不能构成，这个语句执行以后的得出的结果是TRUE,FALSE。

select IsValid('LINESTRING(0 0, 1 1)'), IsValid('LINESTRING(0 0,0 0)')
默认PostGIS并不会使用IsValid函数检查用户插入的新数据，因为这会消耗较多的CPU资源（特别是复杂的几何对象）。当你需要使用这个功能的时候，你可以使用以下语句为表新建一个约束：
ALTER TABLE cities
ADD CONSTRAINT geometry_valid
CHECK (IsValid(shape))

这时当我们往这个表试图插入一个错误的空间对象的时候，会得到一个错误：
INSERT INTO test.cities ( shape, name )
VALUES ( GeomFromText('LINESTRING(0 0,0 0)', 4326), '北京');

ERROR: new row for relation "cities" violates check constraint "geometry_valid"
SQL 状态: 23514

5. PostGIS中的空间索引

数据库对多维数据的存取有两种索引方案，R-Tree和GiST（Generalized Search Tree），在PostgreSQL中的GiST比R-Tree的健壮性更好，因此PostGIS对空间数据的索引一般采用GiST实现。

以下的语句给sde模式中的cities表添加了一个空间索引shape_index_cities，在pgAdmin中也可以通过图形界面完成相同的功能。
CREATE INDEX shape_index_cities
ON sde.cities
USING gist
(shape);

另外要注意的是，空间索引只有在进行基于边界范围的查询时才起作用，比如“&&”操作。

三、 PostGIS中的常用函数

以下内容包括比较多的尖括号，发布到blogger的时候会显示不正常，内容太多我也无暇一个个手动改代码，因此如有问题就去参考PostGIS官方文档。

首先需要说明一下，这里许多函数是以ST_[X]yyy形式命名的，事实上很多函数也可以通过xyyy的形式访问，在PostGIS的函数库中我们可以看到这两种函数定义完全一样。

1. OGC标准函数

管理函数：
添加几何字段 AddGeometryColumn(, , , , , )
删除几何字段 DropGeometryColumn(, , )
检查数据库几何字段并在geometry_columns中归档 Probe_Geometry_Columns()
给几何对象设置空间参考（在通过一个范围做空间查询时常用） ST_SetSRID(geometry, integer)

几何对象关系函数 ：
获取两个几何对象间的距离 ST_Distance(geometry, geometry)
如果两个几何对象间距离在给定值范围内，则返回TRUE ST_DWithin(geometry, geometry, float)
判断两个几何对象是否相等
（比如LINESTRING(0 0, 2 2)和LINESTRING(0 0, 1 1, 2 2)是相同的几何对象） ST_Equals(geometry, geometry)
判断两个几何对象是否分离 ST_Disjoint(geometry, geometry)
判断两个几何对象是否相交 ST_Intersects(geometry, geometry)
判断两个几何对象的边缘是否接触 ST_Touches(geometry, geometry)
判断两个几何对象是否互相穿过 ST_Crosses(geometry, geometry)
判断A是否被B包含 ST_Within(geometry A, geometry B)
判断两个几何对象是否是重叠 ST_Overlaps(geometry, geometry)
判断A是否包含B ST_Contains(geometry A, geometry B)
判断A是否覆盖 B ST_Covers(geometry A, geometry B)
判断A是否被B所覆盖 ST_CoveredBy(geometry A, geometry B)
通过DE-9IM 矩阵判断两个几何对象的关系是否成立 ST_Relate(geometry, geometry, intersectionPatternMatrix)
获得两个几何对象的关系（DE-9IM矩阵） ST_Relate(geometry, geometry)

几何对象处理函数：
获取几何对象的中心 ST_Centroid(geometry)
面积量测 ST_Area(geometry)
长度量测 ST_Length(geometry)
返回曲面上的一个点 ST_PointOnSurface(geometry)
获取边界 ST_Boundary(geometry)
获取缓冲后的几何对象 ST_Buffer(geometry, double, [integer])
获取多几何对象的外接对象 ST_ConvexHull(geometry)
获取两个几何对象相交的部分 ST_Intersection(geometry, geometry)
将经度小于0的值加360使所有经度值在0-360间 ST_Shift_Longitude(geometry)
获取两个几何对象不相交的部分（A、B可互换） ST_SymDifference(geometry A, geometry B)
从A去除和B相交的部分后返回 ST_Difference(geometry A, geometry B)
返回两个几何对象的合并结果 ST_Union(geometry, geometry)
返回一系列几何对象的合并结果 ST_Union(geometry set)
用较少的内存和较长的时间完成合并操作，结果和ST_Union相同 ST_MemUnion(geometry set)

几何对象存取函数：
获取几何对象的WKT描述 ST_AsText(geometry)
获取几何对象的WKB描述 ST_AsBinary(geometry)
获取几何对象的空间参考ID ST_SRID(geometry)
获取几何对象的维数 ST_Dimension(geometry)
获取几何对象的边界范围 ST_Envelope(geometry)
判断几何对象是否为空 ST_IsEmpty(geometry)
判断几何对象是否不包含特殊点（比如自相交） ST_IsSimple(geometry)
判断几何对象是否闭合 ST_IsClosed(geometry)
判断曲线是否闭合并且不包含特殊点 ST_IsRing(geometry)
获取多几何对象中的对象个数 ST_NumGeometries(geometry)
获取多几何对象中第N个对象 ST_GeometryN(geometry,int)
获取几何对象中的点个数 ST_NumPoints(geometry)
获取几何对象的第N个点 ST_PointN(geometry,integer)
获取多边形的外边缘 ST_ExteriorRing(geometry)
获取多边形内边界个数 ST_NumInteriorRings(geometry)
同上 ST_NumInteriorRing(geometry)
获取多边形的第N个内边界 ST_InteriorRingN(geometry,integer)
获取线的终点 ST_EndPoint(geometry)
获取线的起始点 ST_StartPoint(geometry)
获取几何对象的类型 GeometryType(geometry)
类似上，但是不检查M值，即POINTM对象会被判断为point ST_GeometryType(geometry)
获取点的X坐标 ST_X(geometry)
获取点的Y坐标 ST_Y(geometry)
获取点的Z坐标 ST_Z(geometry)
获取点的M值 ST_M(geometry)

几何对象构造函数 ：
参考语义：
Text：WKT
WKB：WKB
Geom:Geometry
M:Multi
Bd:BuildArea
Coll:Collection ST_GeomFromText(text,[])

ST_PointFromText(text,[])
ST_LineFromText(text,[])
ST_LinestringFromText(text,[])
ST_PolyFromText(text,[])
ST_PolygonFromText(text,[])
ST_MPointFromText(text,[])
ST_MLineFromText(text,[])
ST_MPolyFromText(text,[])
ST_GeomCollFromText(text,[])
ST_GeomFromWKB(bytea,[])
ST_GeometryFromWKB(bytea,[])
ST_PointFromWKB(bytea,[])
ST_LineFromWKB(bytea,[])
ST_LinestringFromWKB(bytea,[])
ST_PolyFromWKB(bytea,[])
ST_PolygonFromWKB(bytea,[])
ST_MPointFromWKB(bytea,[])
ST_MLineFromWKB(bytea,[])
ST_MPolyFromWKB(bytea,[])
ST_GeomCollFromWKB(bytea,[])
ST_BdPolyFromText(text WKT, integer SRID)
ST_BdMPolyFromText(text WKT, integer SRID)

四、 PostGIS示例

下面我们通过一个简单的Flex应用示例来看一下PostGIS的用法：

假想现在发生了恐怖袭击，导致在一些城市有污染物出现，现在我们要根据污染物和当地风力、风向情况，计算污染扩散范围，针对这些区域及时进行警报和疏散。

首先我们希望获得所有发生污染的城市的当前风速、风向等信息，在我们的PostGIS数据库中有一个空间表保存着这些信息，我们构造这样的SQL语句进行查询：
select *,ST_AsGeoJson(shape) from sde.wind

这里会获取所有风相关的信息，并且附加了以JSON格式返回的几何信息，这有助于我们在Flex中进行解析。如下图是关于风的查询结果：

下面我们希望PostGIS帮助我们实现一些空间分析。我们以污染发生的城市为起点，当地风向为主方向，构造一个30度开角的范围；这个范围将是污染扩散的主要方向，扩散的范围主要和风的强度有关；在构造这个区域以后，为了保险起见，我们在对其进行一定范围的缓冲，最后得到每个污染源可能扩散的范围。我们构造的SQL语句如下：
select *,ST_AsGeoJson( ST_Buffer( ST_PolygonFromText( 'POLYGON((' ||ST_X(shape)||' '||ST_Y(shape)||',' ||ST_X(shape)+velocity*cos((direction+15)*PI()/180)/20||' '||ST_Y(shape)+velocity*sin((direction+15)*PI()/180)/20||',' ||ST_X(shape)+velocity*cos((direction-15)*PI()/180)/20||' '||ST_Y(shape)+velocity*sin((direction-15)*PI()/180)/20||',' ||ST_X(shape)||' '||ST_Y(shape)||'))' ) , velocity/50 ) ) from sde.wind

下面是PostGIS进行运算后返回的结果：

在这里，Flex应用与服务器的交互通过BlazeDS进行,下面是本示例在服务器端的Java代码：

package wuyf;

import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.ResultSet;
import java.sql.Statement;
import java.util.ArrayList;
import java.util.HashMap;

public class Wind
{
private Connection conn = null;

public Connection getConn()
{
if (conn==null)
{
try
{
Class.forName("org.postgresql.Driver");
String url = "jdbc:postgresql://localhost:5432/sde" ;
conn = DriverManager.getConnection(url, "sde" , "pwd" );
conn.setAutoCommit(false);
}
catch(Exception e)
{
System.err.print(e);
}
}

return conn;
}

public ArrayList > getWinds()
{
ArrayList > result = new ArrayList >();

if ( this.getConn()==null )
return result;

try
{
String sql = "select *,ST_AsGeoJson(shape) from sde.wind";

Statement st = this.getConn().createStatement();
st.setFetchSize(0);
ResultSet rs = st.executeQuery(sql);
while (rs.next())
{
HashMap map = new HashMap ();
map.put("shape", rs.getString("ST_AsGeoJson"));
map.put("velocity", rs.getString("velocity"));
map.put("direction", rs.getString("direction"));
result.add(map);
}
rs.close();
st.close();
}
catch(Exception e)
{
System.err.print(e);
}

return result;
}

 

public ArrayList > getEffectZones()
{
ArrayList > result = new ArrayList >();

 

if ( this.getConn()==null )
return result;

try
{
String sql = "select *,ST_AsGeoJson(";
sql+= "ST_Buffer(";
sql+= "ST_PolygonFromText(";
sql+= "'POLYGON(('";
sql+= "||ST_X(shape)||' '||ST_Y(shape)||','";
sql+= "||ST_X(shape)+velocity*cos((direction+15)*PI()/180)/20||' '||ST_Y(shape)+velocity*sin((direction+15)*PI()/180)/20||','";
sql+= "||ST_X(shape)+velocity*cos((direction-15)*PI()/180)/20||' '||ST_Y(shape)+velocity*sin((direction-15)*PI()/180)/20||','";
sql+= "||ST_X(shape)||' '||ST_Y(shape)||'))'";
sql+= ")";
sql+= ", velocity/50";
sql+= ")";
sql+= ") ";
sql+="from sde.wind";

Statement st = this.getConn().createStatement();
st.setFetchSize(0);
ResultSet rs = st.executeQuery(sql);
while (rs.next())
{
HashMap map = new HashMap ();
map.put("shape", rs.getString("ST_AsGeoJson"));
map.put("velocity", rs.getString("velocity"));
map.put("direction", rs.getString("direction"));
result.add(map);
}
rs.close();
st.close();
}
catch(Exception e)
{
System.err.print(e);
}

return result;
}

}