你真的会用PostGIS中的buffer缓冲吗?

buffer - 图形缓冲区分析,GIS中最基本的空间分析之一。

实现buffer的工具有很多种,例如前端的truf.js、服务端的ArcGISserver、桌面端的ArcMap、数据库端的PosrGIS等都可以实现。

但最近在用 PostGIS 对点进行buffer分析时,得到的却是个椭圆。

你真的会用PostGIS中的buffer缓冲吗?_第1张图片

为什么是椭圆,不应该是正圆吗?

为了搞清楚这个问题,我去研究buffer的原理。

buffer的构建方法有两种:欧式方法测地线方法

  1. 欧式方法是在二维平面地图上做缓冲计算,这个二维平面地图是地球经过投影后得到的地图,投影的过程会导致地图发生变形,欧式方法就是基于变形以后的地图来计算缓冲区的。
  2. 测地线方法是在三维椭球体上计算,三维椭球体是一个很接近地球形状的球体,测地线方法就是基于这个球体的表面进行缓冲计算,再将计算结果经过投影变换,展示到地图上。

二者结果的区别是,欧式方法中,点缓冲的计算结果在任何时候都是一个正圆,但把结果放到现实世界中时,却会存在误差。误差的大小,取决于投影方式、缓冲的位置和缓冲的距离,以高德地图为例,它使用的是墨卡托投影,这种投影下,赤道地区变形最小,越是向南北两极的高纬度地区,变形越大,最明显的就是格陵兰岛,它的面积只有中国大陆面积的1/4左右,但在地图上看,却比中国还要大。

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测地线方法的计算结果没有误差,但要在二维地图上展示,就要进行地图投影,投影就会导致变形。

如果既要结果没有误差,又要展示不出现变形,怎么办?

用三维地图。

三维地图不需要向二维地图那样进行投影变换,没有投影变换,就不会出现变形。

下图中,左侧是二维地图,右侧是三维地图,可以明显看出在高纬度地区,左侧已经出现变形,而右侧没有。

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搞明白buffer的原理以后,再回过头来看开头出现的那个问题。

在postGIS中我的sql代码是这么写的,根据postGIS的官方文档,这个应该属于欧式方法。

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缓冲500米的效果是这样的

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然后我又写了一个测地线方法,注意红框中和上面的区别,输入的 v_inGeom 变量,默认是geometry类型,把它强制转换为geography 后,postGIS就会使用测地线方法。

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缓冲500米效果是这样的

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两个同时显示

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问题很明显,为啥测地线方法的结果是圆的,欧式方法的结果是椭圆的呢?这和前面学习的原理对不上啊,

不是应该欧式方法是正圆的,测地线方法是椭圆的吗?

我又使用 truf.js 做500米的缓冲,缓冲结果和上面的图形叠加,效果是这样的(里面那个小的正圆是truf.js缓冲的结果)

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我陷入了深深的思考。

查看 truf.js 的官方文档,只有一种缓冲方式,也没有具体说明是哪种。

感觉 truf.js 的这个,才是正确的欧式方法,那上面的椭圆是什么鬼?

看来需要找个权威的来校准一下,使用 arcgis server 的 buffer 接口试试,看看是啥效果。

代码

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效果如下,大圈的是测地线方法,小圈的是欧式方法

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这么看来,truf.js 中是欧式方法,postGIS中的测地线方法是正确的,但欧式方法是有问题的。

那就再研究postGIS中的欧式方法。

在调用arcgis server 的 buffer 接口时,注意到接口中传了3个坐标相关的参数,inSR 输入图形的坐标,outSR输出图形的坐标,bufferSR缓冲时使用的坐标。

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对标一下postGIS

传入和返回的也同样是wgs84的坐标,那缓冲时用的啥坐标呢?

哦~ 哦~ 明白了

之所以会出现椭圆是因为,在geojson转几何图形时(看下图),St_geomfromgeojson 函数返回的是geometry类型,缓冲时ST_Buffer函数接收到geometry类型就会选择使用欧式方法进行缓冲,但geojson中的数据却是球面坐标的经纬度数据,缓冲的半径传入的也是弧度单位,用球面坐标和弧度距离单位,在欧式方法的平面地图算法中计算,最终结果是个椭圆也就不奇怪了。

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嗯~ 有道理。

转一下坐标试试,下图红框中就是坐标转换的过程,同时,因为使用投影坐标计算,buffer的距离参数可以直接使用米,不需要再转成弧度了。

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再试,大圆是测地线方法,小圆是欧式方法,哈哈,完美!

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最后再验证一下准确性问题,测一下距离,看哪个准。

很明显,下图中,500米的距离和上图中大圆的边界是一致的,也就是测地线方法更准确。

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小疑问:

为啥示例中测地线方法缓冲的圆还是个正圆,不是会变形吗?

答:主要原因是,示例中的缓冲距离只有500米,范围太小。同样是北京,如果是缓冲1000公里以上,就能看出明显的变形。

总结:

  1. buffer有两种构建方式,欧式方法和测地线方法
  2. 欧式方法是在投影变形后的平面地图上进行缓冲计算,优点是算法简单,效率高,缺点是结果有误差,误差大小取决于投影方式、缓冲位置和缓冲距离。
  3. 测地线方法是在三维椭球体上进行缓冲计算,优点是结果准确,不受投影变形的影响,缺点是算法复杂,大数据量时可能会影响效率。
  4. truf.js 只支持欧式方法。
  5. arcgis server 支持两种构建方式。
  6. postGIS 支持两种构建方式,默认是欧式方法,欧式方法中,参数如果是经纬度坐标,需要先将经纬度坐标转换为投影坐标再进行计算,不然缓冲的结果会是个椭圆。将参数的类型从geometry强制转换为geography 后,postGIS会采用测地线方法进行缓冲计算。

示例、源码

这个示例是文中用到的示例,可以在线访问,使用浏览器开发者工具可以看到代码。

postGIS缓冲区示例

这个函数脚本,包含文中提到的欧式方法和测地线方法,传入和返回都是geojson格式,缓冲半径单位是米,通过类型控制缓冲方式。直接执行就会创建函数。

postGIS中buffer函数脚本

参考文档

http://www.postgis.net/docs/S...

https://postgis.net/docs/usin...

http://turfjs.org/docs/#buffer

https://desktop.arcgis.com/zh...

http://server.arcgisonline.co...

http://server.arcgisonline.co...

https://developers.arcgis.com...


原文地址:http://gisarmory.xyz/blog/index.html?blog=postGISbuffer

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