基于PostGIS的高级应用(3)–线性参考

一 线性参考干啥用的

  如果直接写个“高大上”的定义结果往往是一脸懵逼的,也不知道为什么要定义这么一个概念。其实线性参考技术在我们生活中是非常常见的,比如打开高德,百度地图的App,查看实时路况,道路被不同路况的颜色动态分段显示了;高速中发生交通事故,电视广播中常常对地点描述为“距离xx高速入口xx公里处”,地图是能非常精确的定位到这个地点的。生活中的两个例子的说明,其实他们的规律都是针对图形数据为线(LineString)的一种GIS应用。
  线性参考一定要有线,线上一定要有权重值(也叫测量值M),上一段路况的测量值M就是路段上的传感器发送回来的车流通行速度,交通事故的测量值就是道路的实际距离。不同的测量值能做不同的事,如下图所示:

不同权重值.png

在不改变道路数据前提下,使用不同的维度(测量值M),分段展示不同的业务场景。

二 线性参考核心要素

  转回严肃的工程技术范畴,我个人对线性参考总结包括以下几个要素:

  • 线性数据:道路,河流,电网等一些列线性的业务基础数据。
  • 测量值/M值:不同的业务部门,将自己的业务数据(路况啊,道路质量啊)叠加到线性基础数据上的过程,就是被称作“addMeasure”。
  • 应用方法:一种是动态分段,一种是事件定位
    本质:不改变线性基础数据情况下,将业务测量值/M值数据动态赋予到了每个线性数据上,应用的时候,依据测量值,动态分段展示或者进行突然事件的快速定位。如下例子:

    沿线距离.png

    道路数据建立了完整测量值M后,用户想定位12公里处,就能快速提取出这个点的位置,用户想找到18-26公里处的区间,也能快速提取出这个线段。

三 PostGIS中的线性参考

  以PostGIS2.4.0版本说明,通过查看API,可以发现对线性参考核心三要素是全部支持的,本章节具体阐述。

3.1 线性数据

PostGIS支持LineString,MultiLineString类型,可以将路网,河网,电网等各种LineString数据导入数据库。完全支持。

3.2 测量值/M值

ST_AddMeasure:用于对线性数添加测量值。
函数定义

geometry ST_AddMeasure(geometry geom_mline, float8 measure_start, float8 measure_end);

参数说明:传入一个线图形,设置其起点测量值,终点测量值,返回一个建立了测量值的图形。
使用示例

SELECT ST_AsText(ST_AddMeasure(ST_GeomFromText('LINESTRING(1 0, 2 0, 4 0)'),10,40)) As ewelev;;
ewelev
----------------------------------------
LINESTRINGM(1 0 10,2 0 20,4 0 40)

3.3 动态分段,事件定位

PostGIS提供了ST_LocateBetween与ST_LocateBetweenElevations方式对带测量值的线进行动态分段提取,其中ST_LocateBetweenElevations是支持三维,四维数据的,简单的就以ST_LocateBetween(这个是用于对二维进行动态分段的)函数说明。
ST_LocateBetween:二维线动态分段函数。
函数定义

geometry ST_LocateBetween(geometry geomA, float8 measure_start, float8 measure_end, float8 offset);

参数说明:传入一个已建立测量值的线图形,选择一个起始测量M值与一个终点测量M值,返回测量值在这个区间内的动态截取线段图形。
至于offset,看了官网说明,也不知道是干嘛用的,请熟悉的朋友留言指点。
使用示例:

SELECT ST_AsText(the_geom)
FROM
(SELECT ST_LocateBetween(
ST_GeomFromText('MULTILINESTRING M ((1 2 3, 3 4 2, 9 4 3),
(1 2 3, 5 4 5))'),1.5, 3) As the_geom) As foo;
------------------------------------------------------------------------------------
GEOMETRYCOLLECTION M (LINESTRING M (1 2 3,3 4 2,9 4 3),POINT M (1 2 3))
草图示意图.png

要求截取M值在1.5到3之间的图形,上图中(1 2 3, 3 4 2, 9 4 3)都满足,(1 2 3, 5 4 5)只有起点满足,所以输出结果符合预期。

ST_LocateAlong:事件定位函数,已知测量值,计算线性数据上的几何定位。
函数定义:

geometry ST_LocateAlong(geometry ageom_with_measure, float8 a_measure, float8 offset);

参数说明:传入一个已建立测量值的线图形,任意设置一个测量M值,返回该M值对应在线性数据上的几何位置。(如前文高速事故以这种事件点形式描述)。
使用说明

SELECT ST_AsText((ST_Dump(the_geom)).geom)
FROM
(SELECT ST_LocateAlong(
ST_GeomFromText('MULTILINESTRINGM((1 2 3, 3 4 2, 9 4 3),
(1 2 3, 5 4 5))'),2.5) As the_geom) As foo;
st_asewkt
---------------
POINT M (2 3 2.5)
POINT M (6 4 2.5)
草图示意图.png

ST_InterpolatePoint:与ST_LocateAlong函数相反,计算线性数据上任意一点位置的测量M值。
函数定义

float8 ST_InterpolatePoint(geometry line, geometry point);

参数说明:输入建立测量值M的line与已知线上的一点point,返回这个point点对应的测量值M的value。
使用说明

SELECT ST_InterpolatePoint('LINESTRING M (0 0 0, 10 0 20)', 'POINT(5 5)');
st_interpolatepoint
---------------------
10

以上几个函数,是线性参考应用场景中所必需的,主要解决如何给线性数据添加测量值,如何定位,如何反算,如何动态获取。PostGIS线性参考章节剩余几个函数都是纯图形计算的。

ST_LineInterpolatePoint:geometry ST_LineInterpolatePoint(geometry a_linestring, float8 a_fraction)
说明:输入LineString图形与一个分割百分比数,返回LineString从起点到终点之间任意一个0-1之间的百分比数a_fraction所处的点图形。
示例:

route=# select ST_AsText(ST_LineInterpolatePoint(ST_GeomFromText('LineString(0 0,10 10)'),0.5));
 st_astext
------------
 POINT(5 5)
(1 行记录)
route=# select ST_AsText(ST_LineInterpolatePoint(ST_GeomFromText('LineString(0 0,10 10)'),0.3));
 st_astext
------------
 POINT(3 3)
(1 行记录)

ST_LineLocatePoint: float8 ST_LineLocatePoint(geometry a_linestring, geometry a_point)
说明:输入LineString图形与线上任意一个Point(并非线的node节点,而是这个点肯定与线相交(intersects)),返回LineString从起点到终点之间任意一个0-1之间的百分比数a_fraction。
示例

route=# select ST_LineLocatePoint(ST_GeomFromText('LineString(0 0,10 10)'),ST_GeomFromText('Point(5 5)'));
 st_linelocatepoint
--------------------
                0.5
(1 行记录)

ST_LineSubstring:geometry ST_LineSubstring(geometry a_linestring, float8 startfraction, float8 endfraction);
说明:输入LineString图形与起点停靠值s_f与终点停靠值e_f,返回停靠值之间的线段,如果s_f是0,e_f是1,结果就是完整的线的本身。
示例

select ST_AsText(ST_LineSubstring(ST_GeomFromText('LINESTRING(0 0, 10 10)'),0.5,1));
----------------------------------------------------
LINESTRING(5 5,10 10)

四 线性参考实际案例

  本章节我制作了一批测试数据模拟一些实际应用。场景模拟是:武汉军运会重点保障线路之一的“武汉火车站–江夏运动员村“,相关部门为了加强掌握道路通行情况,在该条线路上安装了很多rfid监控传感设备,实时上传该路段的道路通行速度。监管部门设置速度区间,如35-45区间路段是红色,45-55区间路段显示黄色,55-75区间路段是绿色。

rfid数据.png

道路与monitor图形.png

数据处理步骤方案是:

  • 1 以rfid_monitor点将完整的线路打断,拆分成监控点两两组成的区间子路段。
  • 2 使用ST_AddMeasure方法,对拆分的子路段建立线性参考。
  • 3 建立线性参考后,根据动态分段的红黄绿动态分区,可视化显示即可。

以下数据处理脚本,根据监控点对路段进行了切割打断,每一个segment路段,起点终点都是一个传感器的位置,在建立线性参考的时候,只需要把segment的起点终点测量值M设置为对应的传感器的speed即可。

do language plpgsql $$  
 DECLARE
        rec record;
        route_line geometry;
        initinfo boolean:=true;
        start_fraction float;
        end_fraction float;
        line geometry;
        speed_s numeric;
        speed_e numeric;
BEGIN
        --提取出重点线路的图形
        select geom from routes limit 1 into route_line;
        initinfo:=true;
        for rec in select t1.gid,t1.speed,t1.geom from rfid_monitor t1 order by t1.gid loop
            if(initinfo=true) then
                initinfo:=false;
                --起点百分比
                start_fraction:=ST_LineLocatePoint(route_line,rec.geom);
                end_fraction:=start_fraction;
                speed_s:=rec.speed;
                speed_e:=rec.speed;
            else
                speed_s:=speed_e;
                speed_e:=rec.speed;
                start_fraction:=end_fraction;
                end_fraction:=ST_LineLocatePoint(route_line,rec.geom);
                line:=ST_LineSubstring(route_line,start_fraction,end_fraction);
                --子路段提取,建立线性参考
                insert into substring_road(seg,geom) values(rec.gid,ST_AddMeasure(line,speed_s,speed_e));
            end if;
        end loop;
end;  
$$;

查询下子路段数据并可视化下:

建立测量值.png

到这这一步,数据都处理完了,都建立了M值了。应用系统根据配置,动态显示就可以使用了。
根据速度动态分段:

select ST_LocateBetween(geom,35,45) geom,'红色' as color from substring_road union
select ST_LocateBetween(geom,45,55) geom,'黄色' as color from substring_road union
select ST_LocateBetween(geom,55,75) geom,'绿色' as color from substring_road;

查询结果可视化如下:

动态分段渲染.png

[ArcGIS线性参考帮助文档][1]
[1]: http://desktop.arcgis.com/zh-cn/arcmap/10.3/guide-books/linear-referencing/what-is-linear-referencing.htm
[PostGIS线性参考开发文档][2]
[2]: http://postgis.net/docs/manual-2.4/reference.html#Linear_Referencing

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