PostGIS之空间索引

1. 概述

PostGIS 是PostgreSQL数据库一个空间数据库扩展，它添加了对地理对象的支持，允许在 SQL 中运行空间查询

PostGIS官网：About PostGIS | PostGIS

PostGIS官方教程：PostGIS 简介 — Introduction to PostGIS

PostGIS相关教程：文章目录汇总 - 知乎 (zhihu.com)

本文基于官方教程描述PostGIS中的空间索引

数据准备可参考:

• PostGIS教程三：加载空间数据 - 知乎 (zhihu.com)
• 5. Loading spatial data — Introduction to PostGIS

数据介绍可参考:

• PostGIS教程四：关于教程使用的数据 - 知乎 (zhihu.com)
• 6. About our data — Introduction to PostGIS

2. 空间索引

2.1 R树索引

PostGIS使用的是R树索引，对于空间物体，计算其外包矩形

根据不同层级的外包矩形建立R树索引

2.2 索引速度测试

空间索引使得空间查询速度极大提升，以下是速度对比试验：

删除空间索引并查询Broad St地铁站所在的社区：

-- 1. 删除数据库自动创建的空间索引
DROP INDEX nyc_neighborhoods_geom_idx;
 
-- 2. 查询Broad St的位置
-- SELECT ST_AsEWKT(geom) FROM nyc_subway_stations WHERE name = 'Broad St';
-- 空间位置为 SRID=26918;POINT(583571.9059213118 4506714.341192182)
 
-- 3. 查询包含这个位置的社区
SELECT name FROM nyc_neighborhoods WHERE ST_Contains(geom, ST_GeomFromText('SRID=26918;POINT(583571.9059213118 4506714.341192182)'));

查询时间为6.423秒

创建空间索引并查询Broad St地铁站所在的社区：

-- 1. 创建数据表的空间索引
CREATE INDEX nyc_neighborhoods_geom_idx ON nyc_census_blocks USING GIST (geom);
 
-- 2. 查询Broad St的位置
-- SELECT ST_AsEWKT(geom) FROM nyc_subway_stations WHERE name = 'Broad St';
-- 空间位置为 SRID=26918;POINT(583571.9059213118 4506714.341192182)
 
-- 3. 查询包含这个位置的社区
SELECT name FROM nyc_neighborhoods WHERE ST_Contains(geom, ST_GeomFromText('SRID=26918;POINT(583571.9059213118 4506714.341192182)'));

查询时间为1.379秒，速度提升很大

2.3 支持空间索引的函数

不是所有函数都会使用空间索引的，如果存在空间索引，那么支持使用空间索引的函数会自动使用它。支持空间索引的空间函数主要有：

• ST_Intersects
• ST_Contains
• ST_Within
• ST_DWithin
• ST_ContainsProperly
• ST_CoveredBy
• ST_Covers
• ST_Overlaps
• ST_Crosses
• ST_DFullyWithin
• ST_3DIntersects
• ST_3DDWithin
• ST_3DDFullyWithin
• ST_LineCrossingDirection
• ST_OrderingEquals
• ST_Equals

前四个是查询中最常用的，ST_DWithin 对于 “一定距离内”、“一定半径内” 的查询是非常重要的，能获得指数级别的查询性能

2.4 使用索引进行运算

对于创建的空间物体的边界矩形，可以使用它作为快速判断，比如：

• && （A , B）Returns TRUE if A's 2D bounding box intersects B's 2D bounding box
• ~ (A, B) Returns TRUE if A's bounding box contains B's

比如使用 && 来计算Broad St地铁站所在的社区：

SELECT name FROM nyc_neighborhoods WHERE geom && ST_GeomFromText('SRID=26918;POINT(583571.9059213118 4506714.341192182)');

2.5 清理与分析

PostGIS会Analyst和Vacuum进行信息统计和垃圾清理，也可手动执行：

-- 分析统计数据表
ANALYZE nyc_census_blocks;
 
-- 清理分析数据
VACUUM ANALYZE nyc_census_blocks;

3. 参考资料

[1]15. 空间索引 — Introduction to PostGIS

[2]PostGIS教程十：空间索引 - 知乎 (zhihu.com)

[3]PostGIS 3.3.3dev Manual

[4]PostGIS Cheat Sheet