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我们。