MongoDB系列五（地理空间索引与查询）.
Phodal手工艺人 2018-04-13
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：
- $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：
- $box（仅支持 2d 索引，查询出矩形范围内的所有文档）
- $center（仅支持 2d 索引，查询出圆形范围内的所有文档）
- $polygon （仅支持 2d 索引，查询出多边形范围内的所有文档）
- $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）
- $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：
- $maxDistance （支持 2dsphere 索引和 2d 索引，指定查询结果的最大距离）
- $minDistance （仅支持 2dsphere 索引，指定查询结果的最小距离）
- $geometry （仅支持2dsphere 索引，指定GeoJSON格式的点）
- $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：
- $maxDistance （支持 2dsphere 索引和 2d 索引，指定查询结果的最大距离）
- $minDistance （仅支持 2dsphere 索引，指定查询结果的最小距离）
- $geometry （仅支持2dsphere 索引，指定GeoJSON格式的点）
四、实践
- "$geoIntersects" 操作符找出与查询位置相交的文档 ？
db.driverPoint.find(
{
coordinate: {
$geoIntersects: {
$geometry: {
type: "Polygon" ,
coordinates: [
[ [ 118.193828, 24.492242 ], [ 118.193953, 24.702114 ], [ 118.19387, 24.592242 ],[ 118.193828, 24.492242 ]]
]
}
}
}
}
)View Codetips：coordinates 表示多边形，第一个点 和 最后一个点 必须相同，因为这样才能拼成一个对边形呀！
- "$geoWithin"操作符找出完全包含在某个区域的文档？
db.driverPoint.find(
{
coordinate: {
$geoWithin: {
$geometry: {
type: "Polygon" ,
coordinates: [
[ [ 118.193828, 24.492242 ], [ 118.193953, 24.702114 ], [ 119.19387, 28.792242 ],[ 118.193828, 24.492242 ]]
]
}
}
}
}
)View Code- "$geoWithin"操作符找出矩形范围内的文档？
db.driverPoint.find(
{
coordinate: {
$geoWithin: {
$box: [
[ 118.0,24.0 ],
[ 120.0,30.0 ]
]
}
}
}
)View Codetips："$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: {
$center: [ [ 118.067678, 24.444373] , 10 ]
}
}
}
)View Codetips："$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: {
$polygon: [ [ 118.067678 , 24.444373 ], [ 119.067678 , 25.444373 ], [ 120.067678 , 26.444373 ] ]
}
}
}
)View Codetips："$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 ]
}
}
}
)View Codetips：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
}
}
}
)View CodeLegacy Coordinate Pairs 格式（仅支持 2d 索引）：
db.driverPoint.find(
{
coordinate: {
$near: [ 118.193828 , 24.492242 ],
$maxDistance: 0.10
}
}
)View Codetips：1、$near 当用 geoJson 格式表示时打完， 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。
参考资料：
1、《MongoDB 权威指南第二版》
2、https://docs.mongodb.com/manual/reference/operator/query-geospatial/
