PostGIS教程六：几何图形（geometry）

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一、介绍

在前面的章节中，我们已经往数据库中加载了数据，现在让我们来先看一些简单的例子。

在pgAdmin中，再次选择nyc数据库并打开SQL查询工具。将下面的SQL代码粘贴到pgAdmin SQL Editor窗口中（删除默认情况下可能存在的任何文本），然后执行。

CREATE TABLE geometries (name varchar, geom geometry);
 
INSERT INTO geometries VALUES
  ('Point', 'POINT(0 0)'),
  ('Linestring', 'LINESTRING(0 0, 1 1, 2 1, 2 2)'),
  ('Polygon', 'POLYGON((0 0, 1 0, 1 1, 0 1, 0 0))'),
  ('PolygonWithHole', 'POLYGON((0 0, 10 0, 10 10, 0 10, 0 0),(1 1, 1 2, 2 2, 2 1, 1 1))'),
  ('Collection', 'GEOMETRYCOLLECTION(POINT(2 0),POLYGON((0 0, 1 0, 1 1, 0 1, 0 0)))');
 
SELECT name, ST_AsText(geom) FROM geometries;

上面的示例创建了一个表（geometries），然后向该表中插入5个几何图形数据（geometry）：

• 一个点（POINT）
• 一条线（LINESTRING）
• 一个多边形（POLYGON）
• 一个内含空洞的多边形（POLYGON with a hole）
• 一个图形集合（GEOMETRYCOLLECTION）

最后，查询表中的数据并输出。

二、元数据表

为了符合Simple Features for SQL（SFSQL）规范，PostGIS提供了两张表用于追踪和报告数据库中的几何图形（这两张表中的内容相当于元数据）：

• 第一张表spatial_ref_sys —— 定义了数据库已知的所有空间参照系统，稍后将对其进行更详细的说明。
• 第二张表（实际上是视图-view）geometry_columns —— 提供了数据库中所有空间数据表的描述信息。

geometry_columns视图的结构

让我们来看一下数据库中的geometry_columns表，像原先那样将以下命令粘贴到查询工具中：

SELECT * FROM geometry_columns;

• f_table_catalog，f_table_schema，和f_table_name提供各个几何图形（geometry）的要素表（feature table）—— 即空间数据表 —— 的完全限定名称，分别是数据库名、模式名、空间数据表名。
• f_geometry_column包含对应空间数据表中用于记录几何信息的属性列的列名。
• coord_dimension定义几何图形的维度（2维、3维或4维）
• srid会引用自spatial_ref_sys表的空间参考标识符
• type列定义了几何图形的类型。比如"点（Point）"和"线串（Linestring）"等类型。

通过查询该表，GIS客户端和数据库可以确定检索数据时的预期内容，并可以执行任何必要的投影、处理、渲染而无需检查每个几何图形（geometry）—— 这些就是元数据所带来的作用。

注意：如果nyc数据库的表没有指定26918的srid，那该怎么办呢？通过更新表很容易修复：

SELECT UpdateGeometrySRID('nyc_neighborhoods','geom',26918);

三、表示真实世界的对象

Simple Features for SQL（SFSQL）规范是PostGIS开发的原始指导标准，它定义了如何表示真实世界的对象。

通过形成连续的图形并以固定的分辨率对其进行数字化，实现了对真实世界的合理表示。

SFSQL只规定了对真实世界对象的二维表示，然而，PostGIS已自行扩展了3维和4维的表示。最近，SQL-Multimedia Part 3（SQL/MM）规范正式定义了它们自己的三维表示。

示例的表包含不同几何图形类型的混合。我们可以使用读取几何图形元数据的函数获取每个对象的基本信息：

• ST_GeometryType(geometry) —— 返回几何图形的类型
• ST_NDims(geometry) —— 返回几何图形的维数
• ST_SRID(geometry) —— 返回几何图形的空间参考标识码

SELECT name, ST_GeometryType(geom), ST_NDims(geom), ST_SRID(geom)
FROM geometries;

3.1、点（Points）

空间点（Point）表示地球上的单个位置。点由单个坐标表示（包括2维、3维或4维）。

当详细的细节（例如形状和大小）在目标空间尺度上不重要时，真实世界中的对象可以直接用点表示。例如，世界地图上的城市可以描述为点，而在一幅州地图中可以将城市表示为多边形。

SELECT ST_AsText(geom)
FROM geometries
WHERE name = 'Point';

针对点的一些特定空间函数包括：

• ST_X(geometry) —— 返回X坐标
• ST_Y(geometry) —— 返回Y坐标
• ST_Z(geometry) —— 返回Z坐标
• ST_M(geometry) —— 返回M信息

所以，我们这样来读取一个点图形的坐标值：

SELECT ST_X(geom), ST_Y(geom)
FROM geometries
WHERE name = 'Point';

纽约市地铁站（nyc_subway_stations）表是一个以点表示的数据集。以下SQL查询将返回一个点图形数据（在ST_AsText列中）：

SELECT name, ST_AsText(geom)
FROM nyc_subway_stations
LIMIT 1;

3.2、线串（Linestring）

线串（Linestring）是表示两个或多个位置之间的路径，它的形式是由两个或多个点组成的有序序列。道路和河流通常表示为线串。

如果线串的起始点和结束点是同一个点，则称其是闭合的（closed），可以使用ST_IsClosed函数进行测试。

如果线串不与自身交叉或接触（如果线串是闭合的，则排除结束点），则称其是简单的（simple），可以使用ST_IsSimple函数进行测试。

线串既可以是闭合的，也可以是简单的。

纽约的街道网络数据（nyc_streets）在前面的章节中已经加载到数据库中了，这个数据集包含名称和类型等详细信息。

一条真实的街道可能由许多线串组成，每条线串代表一段具有不同属性特征的道路。

以下SQL查询将返回一个线串图形的信息（在ST_AsText列中）

SELECT ST_AsText(geom)
FROM geometries
WHERE name = 'Linestring';

用于处理线串的一些特定空间函数包括：

• ST_Length(geometry) —— 返回线串的长度
• ST_StartPoint(geometry) —— 将线串的第一个坐标作为点返回
• ST_EndPoint(geometry） —— 将线串的最后一个坐标作为点返回
• ST_NPoints(geometry) —— 返回线串的坐标数量

所以，我们的线串的长度为：

SELECT ST_Length(geom)
FROM geometries
WHERE name = 'Linestring';

3.3、多边形（Polygon）

多边形（Polygon）是区域的表示形式。多边形的外部边界由一个环（Ring）表示（外环），这个环是一个线串，如上面定义的，它既是闭合的，又是简单的。多边形中的孔（hole）也由环表示（内环）。

多边形用于表示重视大小和形状这两个特征的地理对象。城市边界、公园、建筑或水体都通常需要表示为多边形，当比例尺足够大时，可以观测它们的面积。道路和河流有时也可以表示为多边形。

以下SQL查询将返回两个多边形图形的信息（在ST_AsText列中）：

SELECT ST_AsText(geom)
FROM geometries
WHERE name LIKE 'Polygon%';

注意：我们不是在WHERE子句中使用"="符号，而是使用LIKE运算符执行字符串匹配操作。你可能习惯使用"*"符号作为模式匹配中的单字符或多字符匹配，但在SQL中，使用"%"符号和LIKE运算符来告诉系统执行全局匹配。

第一个多边形只有一个环(外环），第二个多边形有一个内部的"孔洞（hole）"（内环），大多数图形系统都包含多边形的概念，但GIS系统在允许多边形有内环方面是比较独特的。

关于多边形图形的一些特定空间函数包括：

• ST_Area(geometry) —— 返回多边形的面积
• ST_NRings(geometry) —— 返回多边形中环的数量（通常为1个，其他是孔）
• ST_ExteriorRing(geometry) —— 以线串的形式返回多边形最外面的环
• ST_InteriorRingN(geometry, n) —— 以线串形式返回指定的内部环
• ST_Perimeter(geometry) —— 返回所有环的长度

我们可以使用空间函数计算多边形的面积：

SELECT name, ST_Area(geom)
FROM geometries
WHERE name LIKE 'Polygon%';

请注意，带内环的多边形的面积是多边形外环的面积（10 x 10正方形）减去内环的面积（1 x 1正方形）

3.4、图形集合（Collection）

有四种图形集合（Collection）类型，它们将多个简单几何图形组合为图形集合：

• MultiPoint —— 点集合
• MultiLineString —— 线串集合
• MultiPolygon —— 多边形集合
• GeometryCollection —— 由任意几何图形（包括其他GeometryCollection）组成的异构集合

集合更多地出现在GIS软件中，而不是在通用图形软件中。

集合对于将真实世界的对象直接建模为空间对象非常有用。例如，如何对被路权（路权指交通参与者的权利）分割的多个道路部分进行建模？答案是将其作为MultiPolygon建模，其组成部分位于路权的两侧。

使用MutiPolygon对路权建模

我们示例中的几何图形集合包含一个多边形和一个点：

SELECT name, ST_AsText(geom)
FROM geometries
WHERE name = 'Collection';

用于处理图形集合的一些特定空间函数：

• ST_NumGeometries(geometry) —— 返回集合中的组成部分的数量
• ST_GeometryN(geometry, n) —— 返回集合中指定的组成部分
• ST_Area(geometry) —— 返回集合中所有多边形组成部分的总面积
• ST_Length(geometry) —— 返回所有线段组成部分的总长度

四、几何图形输入和输出

在数据库中，几何图形（Geometry）以仅供PostGIS使用的格式存储在磁盘上。为了让外部程序插入和检索有用的几何图形信息，需要将它们转换为其他应用程序可以理解和解析的格式。

幸运的是，PostGIS支持以多种格式进行几何图形的输入和输出。

①Well-known text（WKT）

• ST_GeomFromText(text, srid) —— 返回geometry
• ST_AsText(geometry) —— 返回text
• ST_AsEWKT(geometry) —— 返回text

②Well-known binary（WKB）

• ST_GeomFromWKB(bytea) —— 返回geometry
• ST_AsBinary(geometry) —— 返回bytea
• ST_AsEWKB(geometry) —— 返回bytea

③Geographic Mark-up Language（GML）

• ST_GeomFromGML(text) —— 返回geometry
• ST_ASGML(geometry) —— 返回text

④Keyhole Mark-up Language（KML）

• ST_GeomFromKML(text) —— 返回geometry
• ST_ASKML(geometry) —— 返回text

⑤GeoJson

• ST_AsGeoJSON(geometry) —— 返回text

⑥Scalable Vector Graphics(SVG）

• ST_AsSVG(geometry) —— 返回text

以上函数最常见的用法是将几何图形的文本（text）表示形式转换为内部表示形式：

请注意，除了具有几何图形表示形式的文本参数外，还可以指定一个提供几何图形SRID的数字参数。

以下SQL查询展示了一个WKB表示形式的示例（将二进制输出转换为ASCII格式以进行打印时，需要调用encode()）：

SELECT encode(
  ST_AsBinary(ST_GeometryFromText('LINESTRING(0 0,1 0)')),
  'hex');

在本教程中，将使用WKT，以确保你能够理解我们正在查看的几何图形。但是，在大多数实际生产环境中（如查看GIS应用程序中的数据、将数据传输到web客户端或远程处理数据），WKB是首选的格式。

由于WKT和WKB是在SFSQL规范中定义的，因此它们不能处理3维或4维的几何图形。对于这些情况，PostGIS定义了Extended Well Known Text（EWKT）和Extended Well Known Binary（EWKB）格式以用于处理3维或4维的几何图形。

它们提供了与WKT和WKB相同的格式化功能，并且是在增加了维度的情况下。

以下是WKT中三维（3D）线串示例：

SELECT ST_AsText(ST_GeometryFromText('LINESTRING(0 0 0,1 0 0,1 1 2)'));

注意：文本表示形式发生了变化！这是因为PostGIS的文本输入程序在使用方面是自由的。它可以使用：

• 十六进制编码的EWKB
• 扩展的EWKT
• ISO标准的WKT

但是在输出端，ST_AsText()只返回ISO标准的WKT格式。

除了ST_GeometryFromText函数之外，还有许多其他方式可以从WKT或类似的格式输入中创建几何图形：

-- Using ST_GeomFromText with the SRID parameter
SELECT ST_GeomFromText('POINT(2 2)',4326);

-- Using ST_GeomFromText without the SRID parameter
SELECT ST_SetSRID(ST_GeomFromText('POINT(2 2)'),4326);

-- Using a ST_Make* function
SELECT ST_SetSRID(ST_MakePoint(2, 2), 4326);

-- Using PostgreSQL casting syntax and ISO WKT
SELECT ST_SetSRID('POINT(2 2)'::geometry, 4326);

-- Using PostgreSQL casting syntax and extended WKT
SELECT 'SRID=4326;POINT(2 2)'::geometry;

除了用于各种格式（WKT、WKB、GML、KML、JSON、SVG、MVT等）的输出函数外，PostGIS还有各种格式（WKT、WKB、GML、KML、JSON等）的输入函数。

大多数应用程序使用WKT或WKB几何图形创建函数，但是也可以使用其他格式的几何图形创建函数。

下面是一个使用GML输入和输出JSON的示例：

SELECT ST_AsGeoJSON(ST_GeomFromGML('1,1'));

五、从文本转换

到目前为止，我们看到的WKT字符串都是'text'类型，我们使用PostGIS的函数ST_GeomFromText()将它们转换为'gometry'类型。

PostgreSQL包含一个简短形式的语法，允许数据从一种类型转换到另一种类型，即类型转换语法：

olddata::newtype

例如，将double类型转换为文本字符串类型：

SELECT 0.9::text;

以下SQL语句将一个WKT字符串转换成一个几何图形（geometry）：

SELECT 'POINT(0 0)'::geometry;

关于使用类型转换语法创建几何图形，需要注意一点：除非指定SRID，否则将得到一个包含未知SRID的几何图形。

可以使用EWKT形式指定SRID，该形式可以在前面包含一个SRID：

SELECT 'SRID=4326;POINT(0 0)'::geometry;

六、本文涉及的函数

ST_Area: Returns the area of the surface if it is a polygon or multi-polygon. For “geometry” type area is in SRID units. For “geography” area is in square meters.

ST_AsText: Returns the Well-Known Text (WKT) representation of the geometry/geography without SRID metadata.

ST_AsBinary: Returns the Well-Known Binary (WKB) representation of the geometry/geography without SRID meta data.

ST_EndPoint: Returns the last point of a LINESTRING geometry as a POINT.

ST_AsEWKB: Returns the Well-Known Binary (WKB) representation of the geometry with SRID meta data.

ST_AsEWKT: Returns the Well-Known Text (WKT) representation of the geometry with SRID meta data.

ST_AsGeoJSON: Returns the geometry as a GeoJSON element.

ST_AsGML: Returns the geometry as a GML version 2 or 3 element.

ST_AsKML: Returns the geometry as a KML element. Several variants. Default version=2, default precision=15.

ST_AsSVG: Returns a Geometry in SVG path data given a geometry or geography object.

ST_ExteriorRing: Returns a line string representing the exterior ring of the POLYGON geometry. Return NULL if the geometry is not a polygon. Will not work with MULTIPOLYGON

ST_GeometryN: Returns the 1-based Nth geometry if the geometry is a GEOMETRYCOLLECTION, MULTIPOINT, MULTILINESTRING, MULTICURVE or MULTIPOLYGON. Otherwise, return NULL.

ST_GeomFromGML: Takes as input GML representation of geometry and outputs a PostGIS geometry object.

ST_GeomFromKML: Takes as input KML representation of geometry and outputs a PostGIS geometry object

ST_GeomFromText: Returns a specified ST_Geometry value from Well-Known Text representation (WKT).

ST_GeomFromWKB: Creates a geometry instance from a Well-Known Binary geometry representation (WKB) and optional SRID.

ST_GeometryType: Returns the geometry type of the ST_Geometry value.

ST_InteriorRingN: Returns the Nth interior linestring ring of the polygon geometry. Return NULL if the geometry is not a polygon or the given N is out of range.

ST_Length: Returns the 2d length of the geometry if it is a linestring or multilinestring. geometry are in units of spatial reference and geography are in meters (default spheroid)

ST_NDims: Returns coordinate dimension of the geometry as a small int. Values are: 2,3 or 4.

ST_NPoints: Returns the number of points (vertexes) in a geometry.

ST_NRings: If the geometry is a polygon or multi-polygon returns the number of rings.

ST_NumGeometries: If geometry is a GEOMETRYCOLLECTION (or MULTI*) returns the number of geometries, otherwise return NULL.

ST_Perimeter: Returns the length measurement of the boundary of an ST_Surface or ST_MultiSurface value. (Polygon, Multipolygon)

ST_SRID: Returns the spatial reference identifier for the ST_Geometry as defined in spatial_ref_sys table.

ST_StartPoint: Returns the first point of a LINESTRING geometry as a POINT.

ST_X: Returns the X coordinate of the point, or NULL if not available. Input must be a point.

ST_Y: Returns the Y coordinate of the point, or NULL if not available. Input must be a point.