spatial4j入门实战

原创

doaction

修改于 2021-11-18 17:21:10

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文章被收录于专栏：java库java库

一基本介绍

Spatial4j是一款java编写的空间计算开源库，支持ASL开源协议，支持地理空间计算。

Spatial4j主要有三个主要功能：1）支持基于平面几何或地理空间的若干图形；2）支持距离计算和形状的计算：计算边界框、面积、图形间的关系等 3）解析WKT、GeoJSON等空间描述标准格式

Spatial4j利用了部分JTS的能力（JTS是最流行的java空间计算库），例如多边形是基于JTS实现的。相比与JTS，spatial4j还支持了圆以及地理空间计算。用JTS，通常用多边形近似替代了圆的计算，对结果会造成一定误差，而Spatial4j支持了圆；另外，地理空间计算的应用现在十分广泛，用spatial4j会更加方便。

由于官网只有一些简要介绍，本文介绍了一些实战用例，旨在帮助需要的同学更快上手。

二平面几何

2.1 pom依赖

如果涉及到多边形，需要引用JTS；如果用到第四节介绍的GeoJSON序列化或反序列化，需要依赖noggit

<dependency>
    <groupId>org.locationtech.spatial4j</groupId>
    <artifactId>spatial4j</artifactId>
    <version>0.8</version>
</dependency>

<dependency>
    <groupId>org.locationtech.jts</groupId>
    <artifactId>jts-core</artifactId>
    <version>1.18.1</version>
</dependency>

<dependency>
    <groupId>org.noggit</groupId>
    <artifactId>noggit</artifactId>
    <version>0.8</version>
</dependency>

2.2 基本图形

接下来直接进入实战，先开始平面几何的例子。

首先是点、圆、矩形等简单图形的定义，并计算了图形的面积、边界框、图形间的关系。

void testEuclidean() {
    // 生成平面几何的context
    SpatialContextFactory nonGeoContextFactory = new SpatialContextFactory();
    nonGeoContextFactory.geo = false;
    SpatialContext nonGeoContext = new SpatialContext(nonGeoContextFactory);

    // 定义两个点
    Point pointA = new PointImpl(2,6, nonGeoContext);
    Point pointB = new PointImpl(6,5, nonGeoContext);

    // 定义圆
    Circle circleA = new CircleImpl(new PointImpl(6,4, nonGeoContext), 2, nonGeoContext);

    // 判断圆与点的关系
    System.out.println("circleA relate pointA: " + circleA.relate(pointA));
    System.out.println("circleA relate pointB: " + circleA.relate(pointB));

    // 计算圆的面积和圆的边界框
    System.out.println(String.format("circleA area: %.2f", circleA.getArea(nonGeoContext)));
    Rectangle boundingBoxA = circleA.getBoundingBox();
    System.out.println(String.format("circleA bounding box leftDown(%.2f, %.2f), rightUp:(%.2f, %.2f)",
            boundingBoxA.getMinX(), boundingBoxA.getMinY(), boundingBoxA.getMaxX(), boundingBoxA.getMaxY()));

    // 定义矩形，计算矩形与圆的关系
    Rectangle rectangleA = new RectangleImpl(3,5,4,8,nonGeoContext);
    System.out.println("rectangleA relate circleA: " + rectangleA.relate(circleA));
}

输出结果：
circleA relate pointA:DISJOINT
circleA relate pointB:CONTAINS
circleA area:12.57
circleA bounding box leftDown(4.00, 2.00), rightUp:(8.00, 6.00)
rectangleA relate circleA:INTERSECTS

2.3 多边形

spatial4j利用JTS的多边形计算能力。

下面子的例子分别定义了一个凹多边形和一个凸多边形，计算了多边形的面积和多边形间的关系。

void testPolygon() {
    // 基于JTS的context
    JtsSpatialContextFactory jtsSpatialContextFactory = new JtsSpatialContextFactory();
    jtsSpatialContextFactory.geo = false;
    JtsSpatialContext jtsSpatialContext = jtsSpatialContextFactory.newSpatialContext();
    JtsShapeFactory jtsShapeFactory = jtsSpatialContext.getShapeFactory();

    // 定义凹多边形A
    ShapeFactory.PolygonBuilder polygonBuilderA = jtsShapeFactory.polygon();
    Shape polygonA = polygonBuilderA
            .pointXY(1, 1)
            .pointXY(2, 2)
            .pointXY(3, 1)
            .pointXY(5,3)
            .pointXY(3,5)
            .pointXY(2, 4)
            .pointXY(1,5)
            .pointXY(1, 1)
            .build();

    // 定义凸多边形B
    ShapeFactory.PolygonBuilder polygonBuilderB = jtsShapeFactory.polygon();
    Shape polygonB = polygonBuilderB
            .pointXY(3, 3)
            .pointXY(5, 1)
            .pointXY(6, 3)
            .pointXY(5, 5)
            .pointXY(3, 3)
            .build();

    // 计算多边形面积，多边形的关系
    System.out.println(String.format("polygonA area: %.2f", polygonA.getArea(jtsSpatialContext)));
    System.out.println("polygonA relate polygonB: " + polygonA.relate(polygonB));
}

输出结果：
polygonA area:10.00
polygonA relate polygonB:INTERSECTS

三地理空间

地理空间是一个球面，范围是维度-90,+90，经度-180,+180，距离的计算以及空间位置关系，与平面几何都有很大的差异。Spatial4j支持地理空间的计算，是它的一个核心卖点。

3.1 工具包

DistanceUtils提供了一些距离换算的工具，例如弧度换算成距离，距离换算成弧度。

void testDistanceUtils() {
    // 物理距离换算成弧度
    int equatorLengthKm = 40075;
    double equatorDegree = DistanceUtils.dist2Degrees(equatorLengthKm, DistanceUtils.EARTH_EQUATORIAL_RADIUS_KM);
    System.out.println(String.format("equator length to degree: %.2f", equatorDegree));

    // 赤道线上，每经度的距离
    double distPerDegreeKm = DistanceUtils.degrees2Dist(1, DistanceUtils.EARTH_EQUATORIAL_RADIUS_KM);
    System.out.println(String.format("distance per degree: %.2fkm", distPerDegreeKm));
}

输出结果：
equator length to degree:360.00
distance per degree:111.32km

另外，Spatial4j还提供了GeoHASH编解码等工具包，有需要的同学可以进一步了解

3.2 距离计算

地理空间的距离计算与平面几何的距离计算不同。从下面的例子可以看出，如果用平面集合的算法来计算地理空间的距离，会出现误差。

void testGeodesicDistance() {
    SpatialContextFactory nonGeoContextFactory = new SpatialContextFactory();
    nonGeoContextFactory.geo = false;
    SpatialContext nonGeoContext = new SpatialContext(nonGeoContextFactory);

    // 平面坐标系中的距离
    Point nonGeoCenter = new PointImpl(0, 0, nonGeoContext);
    CartesianDistCalc cartesianDistCalc = new CartesianDistCalc();
    System.out.println(String.format("cartesian distance: %.2f",
            cartesianDistCalc.distance(nonGeoCenter, 30, 40)));

    // 地理空间的距离（弧度），采用Haversine公式计算
    Point geoCenter = new PointImpl(0,0, SpatialContext.GEO);
    GeodesicSphereDistCalc geodesicSphereDistCalc = new GeodesicSphereDistCalc.Haversine();
    System.out.println(String.format("geodesic distance: %.2f",
            geodesicSphereDistCalc.distance(geoCenter, 30, 40)));
}

输出结果：
cartesian distance: 50.00
geodesic distance: 48.44

3.3 图形间关系

地理空间图形的关系也与平面坐标系不同。在下面的例子中，圆形跨越了180度经线，同样参数的两个圆形，在平面坐标系不相交，在地理空间则是相交。如果用平面坐标系的算法，需要进行换算。

void testGeodesicRelate() {
    SpatialContextFactory nonGeoContextFactory = new SpatialContextFactory();
    nonGeoContextFactory.geo = false;
    SpatialContext nonGeoContext = new SpatialContext(nonGeoContextFactory);

    // 平面坐标系中的圆
    Point pointLeft = new PointImpl(-179, 0, nonGeoContext);
    Point pointRight = new PointImpl(179, 0, nonGeoContext);
    Circle circleLeft = new CircleImpl(pointLeft, 10, nonGeoContext);
    Circle circleRight = new CircleImpl(pointRight, 10, nonGeoContext);
    System.out.println("cartesian circleLeft relate circleRight: " + circleLeft.relate(circleRight));

    // 地理空间中的圆
    Point geoCenterWest = new PointImpl(-179, 0, SpatialContext.GEO);
    Point geoCenterEast = new PointImpl(179, 0, SpatialContext.GEO);
    Circle geoCircleWest = new CircleImpl(geoCenterWest, 10, SpatialContext.GEO);
    Circle geoCircleEast = new CircleImpl(geoCenterEast, 10, SpatialContext.GEO);
    System.out.println("geodesic circleWest relate circleEast: " + geoCircleWest.relate(geoCircleEast));
}

输出结果：
cartesian circleLeft relate circleRight: DISJOINT
geodesic circleWest relate circleEast: INTERSECTS

四解析标准数据格式

Spatial4j支持对标准空间描述语法的序列化和反序列化，下面是WKT和GeoJson的例子。注意GeoJSON的reader或writer都依赖Noggit序列化工具。

void testReadStdFormat() {
    JtsSpatialContextFactory jtsSpatialContextFactory = new JtsSpatialContextFactory();
    jtsSpatialContextFactory.geo = false;
    JtsSpatialContext jtsSpatialContext = jtsSpatialContextFactory.newSpatialContext();

    // 读写WKT格式
    ShapeReader wktReader = jtsSpatialContext.getFormats().getReader(ShapeIO.WKT);
    ShapeWriter wktWriter = jtsSpatialContext.getFormats().getWriter(ShapeIO.WKT);
    try {
        // 注意BUFFER是Spatial4j基于WKT的扩展定义
        Circle circle = (Circle) wktReader.read("BUFFER(POINT(0 0), 1)");
        System.out.println(String.format("read WKT shape area: %.2f", circle.getArea(jtsSpatialContext)));

        Rectangle rectangle = new RectangleImpl(1,10,3,8, jtsSpatialContext);
        System.out.println("WKT format string: " + wktWriter.toString(rectangle));

    } catch (Exception e) {
        //
    }

    // 读写GeoJson格式
    ShapeReader geoJsonReader = jtsSpatialContext.getFormats().getReader(ShapeIO.GeoJSON);
    ShapeWriter geoJsonWriter = jtsSpatialContext.getFormats().getWriter(ShapeIO.GeoJSON);
    try {
        // 注意解析polygon依赖JTS
        Shape polygon =  geoJsonReader.read("{\"type\":\"Polygon\",\"coordinates\":[[[1,1],[2,2],[3,1],[5,3],[3,5],[2,4],[1,5],[1,1]]]}");
        System.out.println(String.format("read GeoJson polygon area: %.2f", polygon.getArea(jtsSpatialContext)));

        Circle circle = new CircleImpl(new PointImpl(0, 0, jtsSpatialContext), 10, jtsSpatialContext);
        System.out.println("GeoJSON format string: " + geoJsonWriter.toString(circle));

    } catch (Exception e) {
        //
    }
}

输出结果：
read WKT shape area: 3.14
WKT format string: ENVELOPE (1, 10, 8, 3)
read GeoJson polygon area: 10.00
GeoJSON format string: {"type":"Circle","coordinates":[0,0],"radius":10}

五引用

1 https://github.com/locationtech/spatial4j

原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

java

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