# PostGIS 教程七：几何图形（Geometry）

作者:网络 时间： 2020-10-16

# 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。
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  1. CREATE TABLE geometries (name varchar, geom geometry);
  3. INSERT INTO geometries VALUES
  4. ('Point', 'POINT(0 0)'),
  5. ('Linestring', 'LINESTRING(0 0, 1 1, 2 1, 2 2)'),
  6. ('Polygon', 'POLYGON((0 0, 1 0, 1 1, 0 1, 0 0))'),
  7. ('PolygonWithHole', 'POLYGON((0 0, 10 0, 10 10, 0 10, 0 0),(1 1, 1 2, 2 2, 2 1, 1 1))'),
  8. ('Collection', 'GEOMETRYCOLLECTION(POINT(2 0),POLYGON((0 0, 1 0, 1 1, 0 1, 0 0)))');
  10. SELECT name, ST_AsText(geom) FROM geometries;

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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（COLLECTION）

    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。

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​ 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;
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  • 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 定义引用自 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);
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# 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 已将其扩展到 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
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  1. SELECT name, ST_GeometryType(geom), ST_NDims(geom), ST_SRID(geom)
  2. FROM geometries;

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# 3.1、点（Points）

_images/points.png

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。
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  1. SELECT ST_AsText(geom)
  2. FROM geometries
  3. WHERE name = 'Point';

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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

    所以，我们这样来读取一个点图形的坐标值：
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  1. SELECT ST_X(geom), ST_Y(geom)
  2. FROM geometries
  3. WHERE name = 'Point';

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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）：
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  1. SELECT name, ST_AsText(geom)
  2. FROM nyc_subway_stations
  3. LIMIT 1;

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# 3.2、线串（Linestring）

_images/lines.png

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）。

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）。

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）
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  1. SELECT ST_AsText(geom)
  2. FROM geometries
  3. WHERE name = 'Linestring';

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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：
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  1. SELECT ST_Length(geom)
  2. FROM geometries
  3. WHERE name = 'Linestring';

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# 3.3、多边形（Polygon）

_images/polygons.png

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，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。

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）：
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  1. SELECT ST_AsText(geom)

  2. FROM geometries

  3. 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。

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第一个多边形只有一个环，第二个多边形有一个内部的"孔洞（hole）"，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孔方面是比较独特的。

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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：
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  1. SELECT name, ST_Area(geom)
  2. FROM geometries
  3. WHERE name LIKE 'Polygon%';

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请注意，带孔的多边形的面积是多边形外环的面积（10 x 10 正方形）减去孔的面积（1 x 1 正方形）

# 3.4、集合（Collection）

有四种集合（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，其组成部分位于路权的两侧。

_images/collection2.png

我们示例中的几何图形集合包含一个多边形和一个点：
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  1. SELECT name, ST_AsText(geom)
  2. FROM geometries
  3. WHERE name = 'Collection';

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用于处理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()）：
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  1. SELECT encode(
  2. ST_AsBinary(ST_GeometryFromText('LINESTRING(0 0,1 0)')),
  3. 'hex');

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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)'));
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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 WKT

  • ISO 标准的 WKT

    在输出端，ST_AsText()只返回ISO 标准的 WKT。

    除了用于各种形式（WKT、WKB、GML、KML、JSON、SVG）的输出函数外，PostGIS 还有基于四种形式（WKT、WKB、GML、KML）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形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('<gml:Point><gml:coordinates>1,1</gml:coordinates></gml:Point>'));
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# 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
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例如，将 double 类型转换为文本字符串类型：

SELECT 0.9::text;
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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;
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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，该形式在前面包含一个 SRID：

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