JAVA实现空间索引编码——GeoHash的示例

网友投稿 316 2023-07-02


JAVA实现空间索引编码——GeoHash的示例

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

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;

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;

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:

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)

编码 wx4sv61q 在地图上对应的位置如下图:

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:

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:

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 qRotMynm(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

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

qRotMynm 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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