PostGIS之线性参考

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小编点评

**PostGIS 中的线性参考数据准备** PostGIS 是一个用于在 PostgreSQL 数据库中管理地理空间数据（ geografic data）的扩展。线性参考是一种使用沿测量的线状要素的相对位置存储地理位置的方法。 **线性参考的定义和用途** 线性参考是一种使用沿测量的线状要素的相对位置存储地理位置的方法。它主要用于以下用途： * 绘制和分析地理对象 * 构建和维护地理信息系统（GIS）数据 * 解决城市计算中的地理问题，例如道路匹配、公交站点匹配 **线性参考的创建** 可以使用以下函数创建线性参考： * `ST_LineLocatePoint()`：计算一个点在一条线段上的相对位置。 * `ST_LineInterpolatePoint()`：根据给定的线性参考值，在一条线段上创建一个新的点。 * `ST_LineInterpolatePoint()`：从一条线段上创建一个新点，并指定其与另一个点的距离。 **线性参考的还原** 可以使用以下函数还原线性参考值到一条线段上： * `ST_LineInterpolatePoint()`：利用线性参考值和街道路网创建一个新的点。 **线性参考的应用** 线性参考在以下应用中非常有用： * 路网匹配 * 公交系统设计 * 地理数据处理 **参考资料** * [1] PostGIS 简介 * [2] PostGIS教程十七：线性参考 * [3] PostGIS 3.3.3dev Manual * [4] PostGIS Cheat Sheet * [5] 基于PostGIS的高级应用(3)--线性参考-阿里云开发者社区 * [6]什么是线性参考？—ArcMap | 文档 * [7] 线性参考情景—ArcGIS Pro | 文档 * [8] 轨迹数据处理 - 简书

正文

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;