PostgreSQL：详解 PostGIS 地理信息数据处理

文章目录

• • [一、PostGIS 简介](#一、PostGIS 简介)
  • • [1.1 什么是 PostGIS？](#1.1 什么是 PostGIS？)
    • [1.2 PostGIS 能做什么？](#1.2 PostGIS 能做什么？)
  • [二、安装与启用 PostGIS](#二、安装与启用 PostGIS)
  • • [2.1 安装方式（以 Ubuntu 为例）](#2.1 安装方式（以 Ubuntu 为例）)
    • [2.2 验证安装](#2.2 验证安装)
  • 三、核心数据类型
  • • [3.1 geometry（几何类型）](#3.1 geometry（几何类型）)
    • [3.2 geography（地理类型）](#3.2 geography（地理类型）)
    • [3.3 常见几何子类型（OGC 标准）](#3.3 常见几何子类型（OGC 标准）)
  • 四、空间数据表示与输入
  • • [4.1 WKT（Well-Known Text）](#4.1 WKT（Well-Known Text）)
    • [4.2 WKB（Well-Known Binary）](#4.2 WKB（Well-Known Binary）)
    • [4.3 EWKT / EWKB（Extended WKT/Binary）](#4.3 EWKT / EWKB（Extended WKT/Binary）)
    • [4.4 GeoJSON](#4.4 GeoJSON)
    • [4.5 常用构造函数](#4.5 常用构造函数)
  • [五、空间参考系统（SRS）与 SRID](#五、空间参考系统（SRS）与 SRID)
  • • [5.1 什么是 SRID？](#5.1 什么是 SRID？)
    • [5.2 设置与转换 SRID](#5.2 设置与转换 SRID)
  • 六、空间关系与操作函数
  • • [6.1 空间谓词（返回布尔值）](#6.1 空间谓词（返回布尔值）)
    • [6.2 度量函数](#6.2 度量函数)
    • [6.3 几何构造与编辑](#6.3 几何构造与编辑)
  • 七、空间索引与性能优化
  • • [7.1 GiST 索引](#7.1 GiST 索引)
    • [7.2 查询优化技巧](#7.2 查询优化技巧)
  • 八、典型应用场景
  • • [8.1 POI（兴趣点）附近搜索](#8.1 POI（兴趣点）附近搜索)
    • [8.2 行政区划包含判断](#8.2 行政区划包含判断)
    • [8.3 路径规划（需结合 pgRouting）](#8.3 路径规划（需结合 pgRouting）)
    • [8.4 热力图/密度分析](#8.4 热力图/密度分析)
  • [九、栅格数据支持（PostGIS Raster）](#九、栅格数据支持（PostGIS Raster）)
  • 十、与其他工具集成
  • 十一、常见问题
  • • [11.1 坐标系混乱](#11.1 坐标系混乱)
    • [11.2 性能瓶颈](#11.2 性能瓶颈)
    • [11.3 数据质量](#11.3 数据质量)

PostgreSQL 与 PostGIS 结合，构成了一个功能强大、开源且符合标准的地理空间数据库系统。PostGIS 是 PostgreSQL 的一个扩展，用于存储、查询和分析地理信息（地理空间）数据。以下是对 PostGIS 地理信息数据处理的万字详解，涵盖核心概念、安装配置、数据类型、函数使用、索引优化、典型应用场景及性能调优等内容。

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一、PostGIS 简介

1.1 什么是 PostGIS？

PostGIS 是一个遵循 Open Geospatial Consortium（OGC）标准的空间数据库扩展，为 PostgreSQL 提供了对地理空间数据的支持。它支持二维、三维甚至四维（含时间维度）的几何（Geometry）和地理（Geography）对象，并提供丰富的空间操作函数。

• 官网：https://postgis.net/
• 开源协议：GPLv2+
• 依赖库：GEOS（几何操作）、PROJ（坐标转换）、GDAL（栅格支持）、LibXML2（GML 支持）等

1.2 PostGIS 能做什么？

• 存储点、线、面、多边形、多点等几何对象
• 执行空间关系判断（如相交、包含、邻近）
• 计算距离、面积、长度等度量
• 坐标系转换（WGS84、UTM、Web Mercator 等）
• 支持地理坐标（球面）与投影坐标（平面）两种模型
• 支持栅格数据（自 PostGIS 2.0 起）
• 与 GIS 软件（如 QGIS、ArcGIS）无缝集成

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二、安装与启用 PostGIS

2.1 安装方式（以 Ubuntu 为例）

# 安装 PostgreSQL 和 PostGIS
sudo apt update
sudo apt install postgresql postgresql-contrib postgis

# 启用 PostGIS 扩展（在目标数据库中执行）
CREATE EXTENSION postgis;
CREATE EXTENSION postgis_topology;  -- 可选，用于拓扑支持
CREATE EXTENSION fuzzystrmatch;     -- 可选，用于地址匹配
CREATE EXTENSION postgis_raster;    -- 若需栅格支持（PostGIS ≥ 3.0 需单独安装）

注意：不同操作系统和 PostgreSQL 版本安装方式略有差异。建议使用官方仓库或 Docker 镜像确保版本兼容。

2.2 验证安装

SELECT PostGIS_Version();
-- 返回类似：3.4 USE_GEOS=1 USE_PROJ=1 USE_STATS=1

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三、核心数据类型

PostGIS 引入了两种主要的空间数据类型：

3.1 geometry（几何类型）

• 基于笛卡尔坐标系（平面）
• 适用于局部区域（如城市、省域）的投影坐标系（如 EPSG:3857、EPSG:2381）
• 计算速度快，但不考虑地球曲率

3.2 geography（地理类型）

• 基于 WGS84 椭球体（经纬度，单位为度）
• 适用于全球范围计算（如飞行距离、跨洲分析）
• 使用球面几何计算，精度高但性能略低

建议：小范围用 geometry，大范围或需高精度距离/面积用 geography。

3.3 常见几何子类型（OGC 标准）

类型	描述
POINT	单个点 (x, y)
LINESTRING	折线，由多个点组成
POLYGON	封闭多边形，可含内环（洞）
MULTIPOINT	多个点集合
MULTILINESTRING	多条线集合
MULTIPOLYGON	多个多边形集合
GEOMETRYCOLLECTION	混合几何类型集合

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四、空间数据表示与输入

4.1 WKT（Well-Known Text）

人类可读的文本格式：

'POINT(116.4 39.9)'::geometry
'POLYGON((0 0, 0 1, 1 1, 1 0, 0 0))'::geometry

4.2 WKB（Well-Known Binary）

二进制格式，适合程序间传输。

4.3 EWKT / EWKB（Extended WKT/Binary）

PostGIS 扩展格式，支持 SRID：

'SRID=4326;POINT(116.4 39.9)'::geometry

4.4 GeoJSON

可通过 ST_GeomFromGeoJSON() 导入：

SELECT ST_GeomFromGeoJSON('{"type":"Point","coordinates":[116.4,39.9]}');

4.5 常用构造函数

• ST_GeomFromText(wkt, srid)
• ST_Point(x, y)
• ST_MakePoint(x, y)
• ST_MakeLine(geom1, geom2)
• ST_MakePolygon(linear_ring)

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五、空间参考系统（SRS）与 SRID

5.1 什么是 SRID？

Spatial Reference System Identifier，空间参考系统标识符。例如：

• 4326：WGS84（经纬度）
• 3857：Web Mercator（Google Maps 使用）
• 2381：北京54高斯-克吕格投影（中国常用）

5.2 设置与转换 SRID

-- 创建带 SRID 的几何
SELECT ST_SetSRID(ST_Point(116.4, 39.9), 4326);

-- 坐标系转换
SELECT ST_Transform(geom, 3857) FROM my_table;

注意：geometry 类型的 SRID 不会自动参与计算，必须显式转换；geography 默认为 4326。

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六、空间关系与操作函数

6.1 空间谓词（返回布尔值）

函数	含义
ST_Equals(A, B)	几何是否完全相同
ST_Intersects(A, B)	是否相交
ST_Contains(A, B)	A 是否完全包含 B
ST_Within(B, A)	B 是否在 A 内部（等价于 Contains）
ST_Touches(A, B)	边界接触但内部不相交
ST_Crosses(A, B)	几何交叉（如线穿过面）
ST_Disjoint(A, B)	完全不相交

这些函数默认使用 DE-9IM 模型判断空间关系。

6.2 度量函数

函数	说明
ST_Distance(A, B)	平面距离（geometry）或球面距离（geography，单位米）
ST_Length(geom)	线长度
ST_Area(geom)	面积
ST_Perimeter(geom)	多边形周长

示例（地理距离）：

SELECT ST_Distance(
  'SRID=4326;POINT(116.4 39.9)'::geography,
  'SRID=4326;POINT(121.5 31.2)'::geography
) AS distance_meters;
-- 返回上海到北京的球面距离（约 1067 km）

6.3 几何构造与编辑

函数	说明
ST_Buffer(geom, radius)	生成缓冲区
ST_Union(geom1, geom2)	合并几何
ST_Intersection(A, B)	求交集
ST_Difference(A, B)	A 减去 B
ST_SymDifference(A, B)	对称差集
ST_Centroid(geom)	几何中心点
ST_ConvexHull(geom)	凸包

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七、空间索引与性能优化

7.1 GiST 索引

PostGIS 使用 GiST（Generalized Search Tree） 索引加速空间查询。

-- 为 geometry 列创建空间索引
CREATE INDEX idx_mytable_geom ON my_table USING GIST (geom);

注意：仅当查询使用 &&（边界框相交）或空间谓词时，索引才生效。

7.2 查询优化技巧

• 使用 EXPLAIN ANALYZE 分析执行计划
• 避免在索引列上使用函数（如 ST_Transform(geom, ...)），可预先转换存储
• 对大表进行分区（按区域或时间）
• 使用 ST_DWithin 替代 ST_Distance < x（可利用索引）

-- 推荐写法（可走索引）
SELECT * FROM pois
WHERE ST_DWithin(geom, ST_Point(116.4,39.9)::geography, 1000); -- 1km 内

-- 不推荐（无法使用索引）
SELECT * FROM pois
WHERE ST_Distance(geom, ST_Point(116.4,39.9)::geography) < 1000;

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八、典型应用场景

8.1 POI（兴趣点）附近搜索

SELECT name, ST_Distance(geom, ref_point) AS dist
FROM pois, (SELECT 'SRID=4326;POINT(116.4 39.9)'::geography AS ref_point) t
WHERE ST_DWithin(geom, ref_point, 5000)
ORDER BY dist;

8.2 行政区划包含判断

SELECT city.name
FROM cities, user_locations
WHERE ST_Contains(cities.boundary, user_locations.geom);

8.3 路径规划（需结合 pgRouting）

PostGIS 本身不提供路径算法，但可与 pgRouting 扩展结合实现最短路径、服务区分析等。

8.4 热力图/密度分析

使用 ST_SnapToGrid + GROUP BY 聚合点密度：

SELECT ST_SnapToGrid(geom, 0.01, 0.01) AS grid, COUNT(*) AS cnt
FROM events
GROUP BY grid;

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九、栅格数据支持（PostGIS Raster）

PostGIS 自 2.0 起支持栅格（如卫星影像、DEM 高程数据）：

• 使用 raster 类型
• 支持波段、像素值、重采样、裁剪等操作
• 可与矢量数据叠加分析（如提取某区域高程）

注意：PostGIS 3.0+ 将 raster 功能拆分为独立扩展 postgis_raster。

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十、与其他工具集成

工具	集成方式
QGIS	直接连接 PostgreSQL/PostGIS 数据库
GDAL/OGR	使用 PG: 驱动导入导出
GeoServer	发布 PostGIS 图层为 WMS/WFS
Python	使用 psycopg2 + shapely 或 geoalchemy2
Node.js	使用 pg + wellknown 解析 WKT

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十一、常见问题

11.1 坐标系混乱

• 始终明确 SRID
• 输入数据前验证坐标范围（如经度 -180~180，纬度 -90~90）
• 避免混用 geometry 与 geography

11.2 性能瓶颈

• 大表务必建空间索引
• 避免全表扫描（如未加 WHERE 条件的 ST_AsGeoJSON）
• 对频繁查询区域预计算简化几何（ST_Simplify）

11.3 数据质量

• 使用 ST_IsValid(geom) 检查几何有效性
• 修复无效几何：ST_MakeValid(geom)

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总结：PostGIS 是目前最成熟、功能最全面的开源空间数据库扩展。它将 PostgreSQL 从传统关系型数据库升级为强大的地理空间分析平台。掌握其核心概念（几何 vs 地理、SRID、空间索引）和常用函数，可高效支撑 LBS、智慧城市、环境监测、物流调度等众多 GIS 应用场景。