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geohash.Neighbors(centerHash) ——(“九宫格”) Geohash 字符串

geohash.Neighbors(centerHash) 是一个非常重要的函数,它解决了 Geohash 的核心局限性之一:边界问题。这个函数的作用是计算给定中心 Geohash 字符串 (centerHash) 周围 8 个相邻网格(即“九宫格”)的 Geohash 字符串

为什么需要Neighbors(centerHash)?

  1. 边界问题: 两个物理位置非常接近的点(比如只隔一条马路),如果它们恰好落在 Geohash 网格的边界两侧,它们的 Geohash 字符串可能完全不同(没有公共前缀或只有很短的前缀)。
  2. 邻近搜索不完整: 如果只搜索和中心点具有相同 Geohash 前缀的点(即 WHERE geohash LIKE '中心哈希%'),你会错过那些物理上很近但落在相邻网格中的点。
  3. 确保邻近搜索的完备性: 为了找到中心点周围所有可能邻近的点,必须同时搜索中心网格本身以及其周围的8个邻居网格。这就是“九宫格”查询策略。

Neighbors(centerHash)函数的功能

  • 输入: 一个 Geohash 字符串 (centerHash),代表中心位置的网格。
  • 输出: 一个包含 9 个 Geohash 字符串的集合(或列表、数组等,取决于具体实现),它们分别是:
  • 北 (North)
  • 东北 (NorthEast)
  • 东 (East)
  • 东南 (SouthEast)
  • 南 (South)
  • 西南 (SouthWest)
  • 西 (West)
  • 西北 (NorthWest)
  • 中心本身 (Center) - 有时实现中会包含中心,有时需要单独加上。但“九宫格”指的就是中心+8邻居。

工作原理(概念,基于二进制编码)

Geohash 的本质是对经纬度区间进行递归二分(Z-order曲线)。每个 Geohash 字符代表更精细的网格划分。Neighbors 函数的核心是操作这个二进制编码:

  1. 解码中心网格坐标:centerHash 解码回它代表的网格的经度区间 (lon_min, lon_max) 和纬度区间 (lat_min, lat_max)。
  2. 计算网格大小:
  3. 经度方向宽度:lon_width = lon_max - lon_min
  4. 纬度方向宽度:lat_width = lat_max - lat_min
  5. 计算相邻网格的中心坐标: 根据方向,在中心网格的边界上加减半个网格宽度(或直接加减整个网格宽度,需注意网格边界):
  6. 北邻: (中心纬度 + lat_width, 中心经度)
  7. 东北邻: (中心纬度 + lat_width, 中心经度 + lon_width)
  8. 东邻: (中心纬度, 中心经度 + lon_width)
  9. 东南邻: (中心纬度 - lat_width, 中心经度 + lon_width)
  10. 南邻: (中心纬度 - lat_width, 中心经度)
  11. 西南邻: (中心纬度 - lat_width, 中心经度 - lon_width)
  12. 西邻: (中心纬度, 中心经度 - lon_width)
  13. 西北邻: (中心纬度 + lat_width, 中心经度 - lon_width)
  14. 重新编码: 将计算出的这8个相邻网格的中心坐标(或代表该网格的坐标),使用centerHash 相同的字符串长度,重新进行 Geohash 编码。得到的8个字符串就是 centerHash 的邻居。
  15. (可选) 包含中心:centerHash 本身也加入到返回结果中,形成完整的“九宫格”列表。

关键点与注意事项

  1. 二进制位操作是高效实现的关键: 实际库的实现通常不会进行完整的解码和再编码(虽然概念上如此)。它们会直接操作 Geohash 字符串底层的二进制比特流,通过增减特定的比特位(对应经度或纬度方向的最小变化单位)来计算邻居。这比坐标计算快得多。
  2. 长度必须相同: 返回的邻居 Geohash 字符串长度必须与输入的 centerHash 完全相同。这样才能保证它们代表相同精度的网格。
  3. 边缘情况(地球边界):centerHash 位于地球边缘时(例如经度接近 ±180°,纬度接近 ±90°),某些邻居可能不存在(例如北极点没有北邻)。好的实现库会处理这些情况,可能返回 nullNone 或一个特殊值(如空字符串),或者返回一个在逻辑上合理的值(比如经度180°的西邻可能是经度-180°)。使用者需要意识到并处理可能的无效邻居。
  4. 高纬度变形: 由于 Geohash 网格在高纬度地区会变得非常狭长(经度范围宽,纬度范围窄):
  5. 北/南相邻网格:在物理距离上可能非常近。
  6. 东/西相邻网格:在物理距离上可能非常远(尤其是在靠近极点的区域)。
  7. 这意味着“九宫格”在高纬度地区覆盖的物理面积会远大于在赤道附近覆盖的面积。这是 Geohash 本身的局限性,Neighbors 函数无法改变这一点。
  8. 库依赖: 具体函数的名称、参数和返回值格式可能因编程语言和使用的 Geohash 库而异。常见名称有 neighbors, get_adjacent, find_neighbors 等。返回值通常是包含9个元素的列表或字典(按方向索引)。

如何使用Neighbors(centerHash)进行邻近搜索

假设你想找到数据库中点 P (其 Geohash 为 centerHash) 附近一定距离(如 1km)内的所有其他点:

  1. 计算九宫格: neighborHashes = geohash.neighbors(centerHash) (通常包含中心)。
  2. 构建数据库查询:
  3. sql
  4. SELECT * FROM locations WHERE geohash_column IN (neighborHashes[0], neighborHashes[1], ..., neighborHashes[8]); -- 或者更常见的用前缀匹配(如果邻居计算正确,这等价于IN列表): SELECT * FROM locations WHERE geohash_column LIKE 'wtw3s%'; -- 假设中心是'wtw3sp',取其前缀覆盖中心及所有邻居
  5. 注意:使用 LIKE 'prefix%' 查询的前提是,neighborHashes 中的所有哈希都和 centerHash 共享相同的前缀(通常少一位)。这并不总是严格成立,但在大多数实现良好的库和合理的查询精度下是可行的。最稳妥的方式还是显式列出所有9个哈希值进行 IN 查询。
  6. 精确距离过滤(必做): 上面查询返回的是落在“九宫格”内的所有点。其中一些点虽然在同一网格或相邻网格,但物理距离可能仍超过你的阈值(尤其是在网格边缘或高纬度)。
  7. 必须在应用层(或在支持地理函数的数据库中使用如 ST_Distance)使用Haversine公式或其他球面距离计算方法,基于原始经纬度坐标,对步骤2返回的结果进行二次过滤,只保留真正在指定距离(如1km)内的点。

示例(概念性)

假设 centerHash = "wx4g0y" (代表北京某处约 610m x 610m 的网格)。

调用 neighbors = geohash.neighbors("wx4g0y") 可能返回类似下面的列表(实际值取决于具体位置和库):

text

[
    "wx4g0z",  // 北 (North)
    "wx4g2b",  // 东北 (NE) - 注意:字符可能跳变
    "wx4g0v",  // 东 (East)
    "wx4g2u",  // 东南 (SE)
    "wx4g0w",  // 南 (South)
    "wx4g2s",  // 西南 (SW)
    "wx4g0t",  // 西 (West)
    "wx4g28",  // 西北 (NW)
    "wx4g0y"   // 中心 (Center)
]

然后就可以用这9个字符串去数据库里查询所有落在这些网格内的点,再进行精确距离计算。

总结

geohash.Neighbors(centerHash) 是有效利用 Geohash 进行邻近搜索的核心工具。它通过计算中心网格周围的 8 个邻居网格,解决了 Geohash 的边界问题,确保了邻近搜索在网格层面的完备性。开发者在使用 Geohash 做“附近”功能时,必须结合这个函数(或其底层原理)进行“九宫格”查询,并辅以精确的地理距离计算,才能得到准确可靠的结果。务必注意其在高纬度和地球边界处的行为以及所用库的具体实现细节。

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