MongoDB系列五（地理空间索引与查询）.

 一、经纬度表示方式

    MongoDB 中对经纬度的存储有着自己的一套规范（主要是为了可以在该字段上建立地理空间索引）。包括两种方式，分别是 Legacy Coordinate Pairs （这个词实在不知道怎么翻译...） 和  GeoJSON 。

• Legacy Coordinate Pairs

Legacy Coordinate Pairs 又有两种方式可以存储经纬度，可以使用数组(首选)或嵌入式文档。

数组：

<field>: [<longitude>, <latitude> ]

嵌入式文档：

<field>: { <field1>: <longitude>, <field2>: <latitude> }

tips：有效经度值介于-180和180之间。有效纬度值介于-90和90之间。

• GeoJSON

GeoJson 比 Legacy Coordinate Pairs 要强大的多，Legacy Coordinate Pairs 仅仅用来保存一个经纬度，而 GeoJson 可以用来指定点、线和多边形。

点可以用形如[longitude, latitude]（[经度，纬度]）的两个元素的数组表示：

{
"geometry": {
        "type": "Point",
        "coordinates": [125.6, 10.1]
   }
}

线可以用一个由点组成的数组来表示：

{
"geometry": {
        "type": "LineString",
         "coordinates": [[125.6, 10.1],[125.6,10.2],[125.6,10.3]]
   }
}

多边形的表示方式与线一样（都是一个由点组成的数组），但是"type"不同：

{
"geometry": {
        "type": "Polygon",
         "coordinates": [[125.6, 10.1],[125.5,10.2],[125.7,10.3]]
  }
}

type 除了 Point（点）、LineString（线）、Polygon（多边形），还有 MultiPoint（多点）、MultiLineString（多个线） 和  MultiPolygon（多个多边形）。

"geometry"字段的名字可以是任意的，但是其中的子对象是由GeoJSON指定的，不能改变。

二、地理空间索引

• 2dsphere索引

2dsphere索引用于地球表面类型的地图，允许使用在 Legacy Coordinate Pairs 保存的经纬度字段上和使用GeoJSON格式保存的点、线和多边形字段上。

  db.world.ensureIndex({"geometry" : "2dsphere"})

• 2d索引

 对于非球面地图（游戏地图、时间连续的数据等），可以使用"2d"索引代替"2dsphere"。

 2d 索引 仅允许使用在 Legacy Coordinate Pairs 保存的经纬度字段上。

  db.world.ensureIndex({"geometry" : "2d"})

• 区别：

2dsphere索引只支持球形查询（即球面上几何图形的查询）。

2d索引支持平面查询（即在平面上几何图形的查询）和一些球形查询。虽然2d索引支持一些球形查询，但是对这些球形查询使用2d索引可能会导致错误,例如极点附近会出现大量的扭曲变形。
2d索引只能对点进行索引。可以保存一个由点组成的数组，但是它只会被保存为由点组成的数组，不会被当成线。特别是对于"$geoWithin"查询来说，这是一项重要的区别。如果将街道保存为由点组成的数组，那么如果其中的某个点位于给定的形状之内，这个文档就会与$geoWithin相匹配。但是，由这些点组成的线并不一定完全包含在这个形状之内。

三、地理空间查询

    可以使用多种不同类型的地理空间查询：交集（intersection）、包含（within）以及接近（nearness）。

• $geoIntersects

定义：指出与查询位置相交的文档。

支持的索引：2dsphere

几何操作符：

1. 1. $geometry （仅支持 2dsphere 索引，指定GeoJSON格式的几何图形）

• $geoWithin

定义：指出完全包含在某个区域的文档。

支持的索引：2dsphere、2d

几何操作符：

1. $box（仅支持 2d 索引，查询出矩形范围内的所有文档）
2. $center（仅支持 2d 索引，查询出圆形范围内的所有文档）
3. $polygon （仅支持 2d 索引，查询出多边形范围内的所有文档）
4. $centerSphere（支持 2d 索引和 2dsphere 索引，查询出球面圆形范围内的所有文档）
5. $geometry （仅支持 2dsphere 索引，指定GeoJSON格式的几何图形）

• $near

定义：指出与查询位置从最近到最远的文档。

支持的索引：2dsphere、2d

几何操作符：

1. $maxDistance （支持 2dsphere 索引和 2d 索引，指定查询结果的最大距离）
2. $minDistance （仅支持 2dsphere 索引，指定查询结果的最小距离。在4.0后支持 2d 索引）
3. $geometry （仅支持 2dsphere 索引，指定GeoJSON格式的点）

备注：$minDistance 官方文档说仅支持 2dsphere 索引，但是我实践证明 $minDistance 也支持 2d 索引，大家可以试试看，这里保留争议。

• $nearSphere

定义：使用球面几何计算近球面的距离，指出与查询位置从最近到最远的文档。

支持的索引：2dsphere、2d

几何操作符：

1. $maxDistance （支持 2dsphere 索引和 2d 索引，指定查询结果的最大距离）
2. $minDistance （仅支持 2dsphere 索引，指定查询结果的最小距离。在4.0后支持 2d 索引）
3. $geometry （仅支持 2dsphere 索引，指定GeoJSON格式的点）

备注：MongoDB 4.0 后对地理空间索引增加的支持？

1、地理空间查询操作符 $near 和 $nearSphere 支持查询的分片集合。

2、MongoDB 4.0 为 $geoNear 聚合运算符和 geoNear 命令添加了一个选项 key，使用户可以在查询时指定要使用的地理空间索引。以前，要使用 $geoNear 聚合运算符或 geoNear 命令，集合只能有一个地理空间索引。

 

db.places.aggregate([
   {
     $geoNear: {
        near: { type: "Point", coordinates: [ -73.98142 , 40.71782 ] },
        key: "location",
        distanceField: "dist.calculated",
        query: { "category": "Parks" }
     }
   }
])

四、实践

• "$geoIntersects" 操作符找出与查询位置相交的文档 ？

db.driverPoint.find(
   {
     coordinate: {
       $geoIntersects: {
          $geometry: {
             type: "Polygon" ,
             coordinates: [
               [ [ 118.193828, 24.492242 ], [ 118.193953, 24.702114 ], [ 118.19387, 24.592242 ],[ 118.193828, 24.492242 ]]
             ]
          }
       }
     }
   }
)

 tips：coordinates 表示多边形，第一个点 和 最后一个点 必须相同，因为这样才能拼成一个多边形呀！

• "$geoWithin"操作符找出完全包含在某个区域的文档？

db.driverPoint.find(
   {
     coordinate: {
       $geoWithin: {
          $geometry: {
             type: "Polygon" ,
             coordinates: [
               [ [ 118.193828, 24.492242 ], [ 118.193953, 24.702114 ], [ 119.19387, 28.792242 ],[ 118.193828, 24.492242 ]]
             ]
          }
       }
     }
   }
)

• "$geoWithin"操作符找出矩形范围内的文档？

db.driverPoint.find(
{
  coordinate: {
     $geoWithin: {
        $box: [
          [ 118.0,24.0 ],
          [ 120.0,30.0 ]
        ]
     }
  }
}
)

 tips："$box"接受一个两元素的数组：第一个元素指定左下角的坐标，第二个元素指定右上角的坐标。

• "$geoWithin"操作符找出圆形范围内的文档？

db.driverPoint.find(
{
  coordinate: {
     $geoWithin: {
         $center: [ [ 118.067678, 24.444373] , 10 ] 
     }
  }
}
)

tips："$center"接受一个两元素数组作为参数：第一个元素是一个点，用于指定圆心；第二个参数用于指定半径。

• "$geoWithin"操作符找出多边形范围内的文档？

db.driverPoint.find(
{
  coordinate: {
     $geoWithin: {
         $polygon: [ [ 118.067678 , 24.444373 ], [ 119.067678 , 25.444373 ], [ 120.067678 , 26.444373 ] ]
     }
  }
}
)

tips："$polygon" 列表中的最后一个点会被连接到第一个点，以便组成多边形。

• "$geoWithin"操作符找出球面圆形范围内的文档？

db.driverPoint.find(
{
  coordinate: {
     $geoWithin: {
         $centerSphere: [ [ 118.067678, 24.444373 ], 10/3963.2 ]
     }
  }
}
)

tips：该例子表示 距离 [118.067678, 24.444373] 中心点10 英里范围内的所有文档，查询通过除以地球的大约赤道半径(3963.2英里)将距离转换为弧度。

• $near 找出距离一个点相应距离内的文档？

geoJson 格式（仅支持 2dsphere 索引）：

db.driverPoint.find(
{
   coordinate: {
     $near: {
       $geometry: {
          type: "Point" ,
          coordinates: [ 118.067678 , 24.444373 ]
       },
       $maxDistance: 3000,
       $minDistance: 0
     }
   }
}
)

Legacy Coordinate Pairs 格式（仅支持 2d 索引）：

db.driverPoint.find(
{
   coordinate: {
     $near: [ 118.193828 , 24.492242 ],
     $maxDistance: 0.10
     }
}
)

tips：1、$near 当用 geoJson 格式表示时， 距离单位是米（meter）。

         2、$near 当用 Legacy Coordinate Pairs 格式表示时，距离单位是弧度（radian）。  

         3、"$near"是唯一一个会对查询结果进行自动排序的地理空间操作符："$near"的返回结果是按照距离由近及远排序的。

五、结语

    怎么说呢？学习这方面的知识老是给我一种特别乱的感觉。稍微总结下吧！MongoDB 对于地理空间的查询 是基于 它对 地理空间的索引（即2dsphere 和 2d）来实现的。所以，我们只要搞清楚什么时候 该建立 2dsphere 索引，什么时候该建立 2d 索引，然后再找适用于该索引的操作符就很清晰明了了！总之，geoJSON 格式保存的经纬度一定 建立 2dsphere 索引。Legacy Coordinate Pairs 格式保存的经纬度 仅在表示 平面地图的时候才考虑建立 2d 索引，其他情况还是选择 2dsphere 索引。

    Spring Data MongoDB 中对地理位置的查询可参考 https://github.com/JMCuixy/SpringDataMongoDB 中单元测试的 Test03.java。

参考资料：

1、《MongoDB 权威指南第二版》

2、https://docs.mongodb.com/manual/reference/operator/query-geospatial/