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

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：

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。