JAVA实现空间索引编码——GeoHash的示例
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2024-03-11 23:20:43
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...
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 (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<string> getgeohashbase32for9() {
double leftlat = location.getlat() - minlat;
double rightlat = location.getlat() + minlat;
double uplng = location.getlng() - minlng;
double downlng = location.getlng() + minlng;
list<string> base32for9 = new arraylist<string>();
//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
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<string> getgeohashbase32for9() {
double leftlat = location.getlat() - minlat;
double rightlat = location.getlat() + minlat;
double uplng = location.getlng() - minlng;
double downlng = location.getlng() + minlng;
list<string> base32for9 = new arraylist<string>();
//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()));
}
}
以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持。