JAVA实现空间索引编码(GeoHash)

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      之前自己在做基于Lucene的内容检索过程中,了解到Lucene可以实现对文本信息,数值信息的内容检索,对于空间距离好像并为为源码中实现;最近半年自己接触到Solr,里面有一个空间距离检索(经纬度),最近对其中的实现做了下学习,了解到在实现空间距离检索的有一个比较常用的技术——GeoHash,下面就介绍下GeoHash。


GeoHash特点

1)GeoHash用一个字符串表示经度和纬度两个坐标,比如我现在所在位置的GeoHash值为 wx4sv61q;

2)GeoHash标识的并不是一个点,而是一个区域,比如 wx4sv61q 对应的就是一个矩形区域;

3)编码的前缀可以标识更大的区域,比如 wx4sv61 编码代表的区域要大于 wx4sv61q 代表的区域,但是 wx4sv61q 代表的区域一定在 wx4sv61 代表的区域内。

      因此我们再去做距离检索的时候,只需要对GeoHash进行前缀匹配即可,具体的原因在后面内容进行介绍。


GeoHash原理

      GeoHash最简单的解释就是将一个位置信息转化成一个可以排序、可以比较的字符串编码。下面就详细介绍以下其实现过程:

      维基百科对GeoHash的介绍:https://en.wikipedia.org/wiki/Geohash

      首先我们将纬度(-90, 90)平均分成两个区间(-90, 0)、(0, 90),如果坐标位置的纬度值在第一区间,则编码是0,否则编码为1。我们用 40.222012 举例,由于40.222012 属于 (0, 90),所以编码为1,然后我们继续将(0, 90)分成(0, 45)、(45, 90)两个区间,而40.222012 位于(0, 45),所以编码是0,依次类推,我们进行20次拆分,最后计算40.222012 的编码是 10111001001101000110。

      对于经度采用同样的的方法,得到 116.248283 的编码是 11010010101010100101。

      接下来我们对经纬度的编码合并,奇数为是纬度,偶数为是经度,得到的编码是 1110011101001001100011011001100000110110(这里需要特别注意,这里说的奇数、偶数是值数组的下标,从0开始的);

      最后用base32编码,二进制串对应的十进制分别为 28, 29, 4, 24, 27, 6, 1, 22,转化为base32是wx4sv61q,因此就 得到(40.222012, 116.248283) 的编码为 wx4sv61q。(下图介绍了base32的对应关系)

JAVA实现空间索引编码(GeoHash)_第1张图片

      编码 wx4sv61q 在地图上对应的位置如下图:

JAVA实现空间索引编码(GeoHash)_第2张图片

      这里我们GeoHash的编码长度为8,这时精度在19米,下表列出了不同的编码长度对应的精度:

JAVA实现空间索引编码(GeoHash)_第3张图片

JAVA实现空间索引编码(GeoHash)_第4张图片

      由上面的精度可知,如果要选取和我(40.222012, 116.248283)相距2km内的物品,我们只需要查找物品坐标对应的GeoHash以wx4sv为前缀的即可。


GeoHash延伸

      到目前为止我们对空间索引有了一定的了解,但是上面介绍的内容对下面的一种情况就无法实现(下面这幅图出自他人的博客):

JAVA实现空间索引编码(GeoHash)_第5张图片

      我们从图中可以看出,红点与上方的绿点距离较近,与下方的绿点距离较远,但是红点与下方的绿点的编码字符串一样,都是wx4g0。对于GeoHash这种边界问题解决思路也十分简单,我们在做检索或者查询的时候,对周围的八个区域进行匹配,这样就很好的解决了边界问题。下面我们就对GeoHash用java进行实现。


JAVA实现

      在实现之前,我们首先定义一个LocationBean,用它来表示经纬度信息:

 /**  
 *@Description: 存储经纬度信息   
 */ 
package com.lulei.geo.bean;  
  
public class LocationBean {
	public static final double MINLAT = -90;
	public static final double MAXLAT = 90;
	public static final double MINLNG = -180;
	public static final double MAXLNG = 180;
	private double lat;//纬度[-90,90]
	private double lng;//经度[-180,180]
	
	public LocationBean(double lat, double lng) {
		this.lat = lat;
		this.lng = lng;
	}
	public double getLat() {
		return lat;
	}
	public void setLat(double lat) {
		this.lat = lat;
	}
	public double getLng() {
		return lng;
	}
	public void setLng(double lng) {
		this.lng = lng;
	}
}

      然后我们编写一个类,来实现GeoHash,在实现GeoHash的过程中,我们需要用 定义一些常量以及经纬度信息,具体如下:

public class GeoHash {
	private LocationBean location;
	/**
	 * 1 2500km;2 630km;3 78km;4 30km
	 * 5 2.4km; 6 610m; 7 76m; 8 19m
	 */
	private int hashLength = 8; //经纬度转化为geohash长度
	private int latLength = 20; //纬度转化为二进制长度
	private int lngLength = 20; //经度转化为二进制长度
	
	private double minLat;//每格纬度的单位大小
	private double minLng;//每个经度的倒下
	private static final char[] CHARS = {'0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', 
				'8', '9', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h', 'j', 'k', 'm', 'n', 
				'p', 'q', 'r', 's', 't', 'u', 'v', 'w', 'x', 'y', 'z'};
}


      在GeoHash实例化时,我们需要对一些 属性进行赋值

public GeoHash(double lat, double lng) {
	location = new LocationBean(lat, lng);
	setMinLatLng();
}

public int gethashLength() {
	return hashLength;
}

/**
 * @Author:lulei  
 * @Description: 设置经纬度的最小单位
 */
private void setMinLatLng() {
	minLat = LocationBean.MAXLAT - LocationBean.MINLAT;
	for (int i = 0; i < latLength; i++) {
		minLat /= 2.0;
	}
	minLng = LocationBean.MAXLNG - LocationBean.MINLNG;
	for (int i = 0; i < lngLength; i++) {
		minLng /= 2.0;
	}
}

      我们在使用GeoHash的时候,需要 设置最终编码的长度,因此编写一个方法实现对GeoHash长度的设置

public boolean sethashLength(int length) {
	if (length < 1) {
		return false;
	}
	hashLength = length;
	latLength = (length * 5) / 2;
	if (length % 2 == 0) {
		lngLength = latLength;
	} else {
		lngLength = latLength + 1;
	}
	setMinLatLng();
	return true;
}

      有了这些设置之后,我们需要 将经度、纬度转化为对应的二进制编码

private boolean[] getHashArray(double value, double min, double max, int length) {
	if (value < min || value > max) {
		return null;
	}
	if (length < 1) {
		return null;
	}
	boolean[] result = new boolean[length];
	for (int i = 0; i < length; i++) {
		double mid = (min + max) / 2.0;
		if (value > mid) {
			result[i] = true;
			min = mid;
		} else {
			result[i] = false;
			max = mid;
		}
	}
	return result;
}


      分别获取经纬度的二进制编码后,我们需要 将两个二进制字符串合并成一个

private boolean[] merge(boolean[] latArray, boolean[] lngArray) {
	if (latArray == null || lngArray == null) {
		return null;
	}
	boolean[] result = new boolean[lngArray.length + latArray.length];
	Arrays.fill(result, false);
	for (int i = 0; i < lngArray.length; i++) {
		result[2 * i] = lngArray[i];
	}
	for (int i = 0; i < latArray.length; i++) {
		result[2 * i + 1] = latArray[i];
	}
	return result;
}

      最后我们需要将获得的 二进制转进行base32转化

/**
 * @param lat
 * @param lng
 * @return
 * @Author:lulei  
 * @Description: 获取经纬度的base32字符串
 */
private String getGeoHashBase32(double lat, double lng) {
	boolean[] bools = getGeoBinary(lat, lng);
	if (bools == null) {
		return null;
	}
	StringBuffer sb = new StringBuffer();
	for (int i = 0; i < bools.length; i = i + 5) {
		boolean[] base32 = new boolean[5];
		for (int j = 0; j < 5; j++) {
			base32[j] = bools[i + j];
		}
		char cha = getBase32Char(base32);
		if (' ' == cha) {
			return null;
		}
		sb.append(cha);
	}
	return sb.toString();
}

/**
 * @param base32
 * @return
 * @Author:lulei  
 * @Description: 将五位二进制转化为base32
 */
private char getBase32Char(boolean[] base32) {
	if (base32 == null || base32.length != 5) {
		return ' ';
	}
	int num = 0;
	for (boolean bool : base32) {
		num <<= 1;
		if (bool) {
			num += 1;
		}
	}
	return CHARS[num % CHARS.length];
}

      对于如何获取周围八个区域的GeoHash值这个问题我们可以做如下转化,我们已经知道当前点的经纬度值,我们也知道每一个区域内的经度、纬度的宽度,如果经度加上或减去这个宽度,我们就可以位于该区域左侧和右侧区域的经度,如果纬度加上或减去这个宽度,我们就可以获取该区域上部和下部的纬度,这样我们就可以分别获取到该区域周围八个区域内的一个点的坐标,我们分别计算这八个点的坐标,也就是八个区域对应的GeoHash编码。

public List getGeoHashBase32For9() {
	double leftLat = location.getLat() - minLat;
	double rightLat = location.getLat() + minLat;
	double upLng = location.getLng() - minLng;
	double downLng = location.getLng() + minLng;
	List base32For9 = new ArrayList();
	//左侧从上到下 3个
	String leftUp = getGeoHashBase32(leftLat, upLng);
	if (!(leftUp == null || "".equals(leftUp))) {
		base32For9.add(leftUp);
	}
	String leftMid = getGeoHashBase32(leftLat, location.getLng());
	if (!(leftMid == null || "".equals(leftMid))) {
		base32For9.add(leftMid);
	}
	String leftDown = getGeoHashBase32(leftLat, downLng);
	if (!(leftDown == null || "".equals(leftDown))) {
		base32For9.add(leftDown);
	}
	//中间从上到下 3个
	String midUp = getGeoHashBase32(location.getLat(), upLng);
	if (!(midUp == null || "".equals(midUp))) {
		base32For9.add(midUp);
	}
	String midMid = getGeoHashBase32(location.getLat(), location.getLng());
	if (!(midMid == null || "".equals(midMid))) {
		base32For9.add(midMid);
	}
	String midDown = getGeoHashBase32(location.getLat(), downLng);
	if (!(midDown == null || "".equals(midDown))) {
		base32For9.add(midDown);
	}
	//右侧从上到下 3个
	String rightUp = getGeoHashBase32(rightLat, upLng);
	if (!(rightUp == null || "".equals(rightUp))) {
		base32For9.add(rightUp);
	}
	String rightMid = getGeoHashBase32(rightLat, location.getLng());
	if (!(rightMid == null || "".equals(rightMid))) {
		base32For9.add(rightMid);
	}
	String rightDown = getGeoHashBase32(rightLat, downLng);
	if (!(rightDown == null || "".equals(rightDown))) {
		base32For9.add(rightDown);
	}
	return base32For9;
}

运行结果


JAVA实现空间索引编码(GeoHash)_第6张图片


完整代码

      上面的博客中已经有完整的LoacationBean代码,这里就不再写了。

 /**  
 *@Description: GeoHash实现经纬度的转化
 */ 
package com.lulei.geo;  

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;

import com.lulei.geo.bean.LocationBean;
import com.lulei.util.JsonUtil;
  
public class GeoHash {
	private LocationBean location;
	/**
	 * 1 2500km;2 630km;3 78km;4 30km
	 * 5 2.4km; 6 610m; 7 76m; 8 19m
	 */
	private int hashLength = 8; //经纬度转化为geohash长度
	private int latLength = 20; //纬度转化为二进制长度
	private int lngLength = 20; //经度转化为二进制长度
	
	private double minLat;//每格纬度的单位大小
	private double minLng;//每个经度的倒下
	private static final char[] CHARS = {'0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', 
				'8', '9', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h', 'j', 'k', 'm', 'n', 
				'p', 'q', 'r', 's', 't', 'u', 'v', 'w', 'x', 'y', 'z'};
	
	public GeoHash(double lat, double lng) {
		location = new LocationBean(lat, lng);
		setMinLatLng();
	}
	
	public int gethashLength() {
		return hashLength;
	}
	
	/**
	 * @Author:lulei  
	 * @Description: 设置经纬度的最小单位
	 */
	private void setMinLatLng() {
		minLat = LocationBean.MAXLAT - LocationBean.MINLAT;
		for (int i = 0; i < latLength; i++) {
			minLat /= 2.0;
		}
		minLng = LocationBean.MAXLNG - LocationBean.MINLNG;
		for (int i = 0; i < lngLength; i++) {
			minLng /= 2.0;
		}
	}
	
	/**
	 * @return
	 * @Author:lulei  
	 * @Description: 求所在坐标点及周围点组成的九个
	 */
	public List getGeoHashBase32For9() {
		double leftLat = location.getLat() - minLat;
		double rightLat = location.getLat() + minLat;
		double upLng = location.getLng() - minLng;
		double downLng = location.getLng() + minLng;
		List base32For9 = new ArrayList();
		//左侧从上到下 3个
		String leftUp = getGeoHashBase32(leftLat, upLng);
		if (!(leftUp == null || "".equals(leftUp))) {
			base32For9.add(leftUp);
		}
		String leftMid = getGeoHashBase32(leftLat, location.getLng());
		if (!(leftMid == null || "".equals(leftMid))) {
			base32For9.add(leftMid);
		}
		String leftDown = getGeoHashBase32(leftLat, downLng);
		if (!(leftDown == null || "".equals(leftDown))) {
			base32For9.add(leftDown);
		}
		//中间从上到下 3个
		String midUp = getGeoHashBase32(location.getLat(), upLng);
		if (!(midUp == null || "".equals(midUp))) {
			base32For9.add(midUp);
		}
		String midMid = getGeoHashBase32(location.getLat(), location.getLng());
		if (!(midMid == null || "".equals(midMid))) {
			base32For9.add(midMid);
		}
		String midDown = getGeoHashBase32(location.getLat(), downLng);
		if (!(midDown == null || "".equals(midDown))) {
			base32For9.add(midDown);
		}
		//右侧从上到下 3个
		String rightUp = getGeoHashBase32(rightLat, upLng);
		if (!(rightUp == null || "".equals(rightUp))) {
			base32For9.add(rightUp);
		}
		String rightMid = getGeoHashBase32(rightLat, location.getLng());
		if (!(rightMid == null || "".equals(rightMid))) {
			base32For9.add(rightMid);
		}
		String rightDown = getGeoHashBase32(rightLat, downLng);
		if (!(rightDown == null || "".equals(rightDown))) {
			base32For9.add(rightDown);
		}
		return base32For9;
	}

	/**
	 * @param length
	 * @return
	 * @Author:lulei  
	 * @Description: 设置经纬度转化为geohash长度
	 */
	public boolean sethashLength(int length) {
		if (length < 1) {
			return false;
		}
		hashLength = length;
		latLength = (length * 5) / 2;
		if (length % 2 == 0) {
			lngLength = latLength;
		} else {
			lngLength = latLength + 1;
		}
		setMinLatLng();
		return true;
	}
	
	/**
	 * @return
	 * @Author:lulei  
	 * @Description: 获取经纬度的base32字符串
	 */
	public String getGeoHashBase32() {
		return getGeoHashBase32(location.getLat(), location.getLng());
	}
	
	/**
	 * @param lat
	 * @param lng
	 * @return
	 * @Author:lulei  
	 * @Description: 获取经纬度的base32字符串
	 */
	private String getGeoHashBase32(double lat, double lng) {
		boolean[] bools = getGeoBinary(lat, lng);
		if (bools == null) {
			return null;
		}
		StringBuffer sb = new StringBuffer();
		for (int i = 0; i < bools.length; i = i + 5) {
			boolean[] base32 = new boolean[5];
			for (int j = 0; j < 5; j++) {
				base32[j] = bools[i + j];
			}
			char cha = getBase32Char(base32);
			if (' ' == cha) {
				return null;
			}
			sb.append(cha);
		}
		return sb.toString();
	}
	
	/**
	 * @param base32
	 * @return
	 * @Author:lulei  
	 * @Description: 将五位二进制转化为base32
	 */
	private char getBase32Char(boolean[] base32) {
		if (base32 == null || base32.length != 5) {
			return ' ';
		}
		int num = 0;
		for (boolean bool : base32) {
			num <<= 1;
			if (bool) {
				num += 1;
			}
		}
		return CHARS[num % CHARS.length];
	}
	
	/**
	 * @param lat
	 * @param lng
	 * @return
	 * @Author:lulei  
	 * @Description: 获取坐标的geo二进制字符串
	 */
	private boolean[] getGeoBinary(double lat, double lng) {
		boolean[] latArray = getHashArray(lat, LocationBean.MINLAT, LocationBean.MAXLAT, latLength);
		boolean[] lngArray = getHashArray(lng, LocationBean.MINLNG, LocationBean.MAXLNG, lngLength);
		return merge(latArray, lngArray);
	}
	
	/**
	 * @param latArray
	 * @param lngArray
	 * @return
	 * @Author:lulei  
	 * @Description: 合并经纬度二进制
	 */
	private boolean[] merge(boolean[] latArray, boolean[] lngArray) {
		if (latArray == null || lngArray == null) {
			return null;
		}
		boolean[] result = new boolean[lngArray.length + latArray.length];
		Arrays.fill(result, false);
		for (int i = 0; i < lngArray.length; i++) {
			result[2 * i] = lngArray[i];
		}
		for (int i = 0; i < latArray.length; i++) {
			result[2 * i + 1] = latArray[i];
		}
		return result;
	}
	
	/**
	 * @param value
	 * @param min
	 * @param max
	 * @return
	 * @Author:lulei  
	 * @Description: 将数字转化为geohash二进制字符串
	 */
	private boolean[] getHashArray(double value, double min, double max, int length) {
		if (value < min || value > max) {
			return null;
		}
		if (length < 1) {
			return null;
		}
		boolean[] result = new boolean[length];
		for (int i = 0; i < length; i++) {
			double mid = (min + max) / 2.0;
			if (value > mid) {
				result[i] = true;
				min = mid;
			} else {
				result[i] = false;
				max = mid;
			}
		}
		return result;
	}
	

	public static void main(String[] args) {
		// TODO Auto-generated method stub 
		GeoHash g = new GeoHash(40.222012, 116.248283);
		System.out.println(g.getGeoHashBase32());
		System.out.println(JsonUtil.parseJson(g.getGeoHashBase32For9()));
	}

}



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第一课:Lucene概述

第二课:Lucene 常用功能介绍

第三课:网络爬虫

第四课:数据库连接池

第五课:小说网站的采集

第六课:小说网站数据库操作

第七课:小说网站分布式爬虫的实现

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