PostGIS之线性参考

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中的线性参考

数据准备可参考:

数据介绍可参考:

2. 线性参考

2.1 定义与用途

线性参考，ArcGIS文档中是这样定义的：线性参考是使用沿测量的线状要素的相对位置存储地理位置的方法

一个很常见的例子就是GPS轨迹，如下图，通常GPS轨迹是在道路上产生的，由于误差和精度问题，轨迹点往往是在道路两侧：

根据实际，GPS轨迹点应该是在路网上的，所以，需要以路网为参考，对GPS轨迹点纠偏，将轨迹点放到路网上，利用路网的相对位置存储GPS轨迹点，这就是线性参考

2.2 创建线性参考

计算某个点在一个线段（LineString）中的相对位置，主要使用的函数有：

ST_LineLocatePoint (a_linestring, a_point) Returns the fractional location of the closest point on a line to a point

比如计算线段LINESTRING(0 0, 2 2)上（1, 1）和（0, 2）的相对位置：

-- Simple example of locating a point half-way along a line
SELECT ST_LineLocatePoint('LINESTRING(0 0, 2 2)', 'POINT(1 1)');
-- Answer 0.5

-- What if the point is not on the line? It projects to closest point
SELECT ST_LineLocatePoint('LINESTRING(0 0, 2 2)', 'POINT(0 2)');
-- Answer 0.5

可以看到，如果点不在线段上，它会投影到离它最近的线段上的点，再计算相对位置

2.3 还原线性参考

有了线性参考值，知道了它的相对位置，就可以还原出它所在的点，主要使用的函数有：

ST_LineInterpolatePoint (a_linestring, a_fraction) Returns a point interpolated along a line at a fractional location

比如，利用上面求的线性参考值0.5，还原POINT在线段LINESTRING(0 0, 2 2)上的位置：

-- Simple example of locating a point half-way along a line
SELECT ST_AsText(ST_LineInterpolatePoint('LINESTRING(0 0, 2 2)', 0.5));
-- Answer POINT(1 1)

可以看到，利用线性参考值0.5，就记录了POINT(1 1)的位置，当然，这也说明，使用线性参考记录的点，必须在线段上

2.4 路网匹配

通过上述的例子，很自然的就想到了一个应用：路网匹配

路网匹配是基于位置服务中的关键预处理步骤，它将GPS轨迹点匹配到实际路网上，以此为基础对数据进行分析和挖掘，能够辅助解决城市计算中相关问题，例如建立智能交通系统、协助用户规划出行

在这里进行扩展，基于nyc数据集，将公交站点数据匹配到路网上

比如，原始数据上，公交站点是和路网之间是存在偏离的：

站点匹配的第一步，找到每个站点和其最近的路段：

-- 1. 建立一个临时表，按站点ID和街道距离排序
CREATE TABLE station_nearest_street AS
SELECT nyc_subway_stations.gid AS stations_gid,
nyc_streets.gid AS streets_gid,
nyc_subway_stations.geom AS stations_geom,
ST_GeometryN(nyc_streets.geom, 1) AS streets_geom,
ST_Distance(nyc_subway_stations.geom, nyc_streets.geom) AS distance
FROM nyc_streets
JOIN nyc_subway_stations
ON ST_DWithin(nyc_subway_stations.geom, nyc_streets.geom, 200)
ORDER BY stations_gid, distance ASC;

第二步，建立线性参考值：

-- 2. 选取每个站点最近的街道（即每个stations_gid的第一条记录）计算线性参考值表
CREATE TABLE stations_ref AS
SELECT DISTINCT ON (stations_gid)
stations_gid,
streets_gid,
ST_LineLocatePoint(streets_geom, stations_geom) AS reference,
distance
FROM station_nearest_street;

第三步，还原线性参考值到路网上：

-- 3. 利用线性参考值与街道路网还原站点
CREATE TABLE stations_reduction AS
SELECT stations_gid,
streets_gid,
ST_LineInterpolatePoint(ST_GeometryN(nyc_streets.geom, 1), reference) AS geom
FROM stations_ref
JOIN nyc_streets
ON streets_gid = nyc_streets.gid;