JAVA实现空间索引编码――GeoHash的示例

Z时代
2024-01-10
分类：IT

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())); 
  } 
}