PostGIS是什么

PostGIS是PostgreSQL数据库的空间数据库扩展。

它为PostgreSQL增加了GIS空间数据存储、空间查询、空间分析和空间索引等能力。

普通数据库主要处理：

字符串
数字
日期
JSON
数组

安装PostGIS以后，PostgreSQL还可以处理：

Point
LineString
Polygon
MultiPolygon
Raster

并且可以执行：

距离计算
面积计算
空间相交
空间包含
缓冲区分析
坐标转换
空间索引

简单来说：

PostGIS就是让PostgreSQL具备专业GIS空间数据库能力的扩展。

PostgreSQL是什么

PostgreSQL是一种开源关系型数据库。

它可以存储：

用户
订单
商品
日志
业务数据

例如：

CREATE TABLE users (
    id SERIAL PRIMARY KEY,
    name TEXT
);

数据库结构：

PostgreSQL
    ↓
Database
    ↓
Table
    ↓
Row
    ↓
Column

PostGIS则是在这个基础上增加空间数据能力。

PostGIS解决什么问题

传统数据库保存一个地点时，可能只保存：

longitude = 116.397
latitude = 39.908

这种方式只能简单保存坐标。

如果使用PostGIS，可以直接保存：

POINT (116.397 39.908)

并进行空间查询：

附近有哪些商店？
两个地点距离多远？
哪些道路与这个区域相交？
哪些建筑位于这个行政区？

因此：

普通数据库
    ↓
保存业务数据

PostGIS
    ↓
保存业务数据
+
空间数据
+
空间计算
+
空间查询

PostGIS的核心能力

PostGIS主要提供以下能力：

空间数据存储
空间数据查询
空间分析
空间关系判断
空间索引
坐标转换
GIS数据格式转换

可以理解为：

PostGIS
├── Spatial Data
├── Spatial Query
├── Spatial Analysis
├── Spatial Index
├── CRS
└── Data Conversion

PostGIS支持哪些空间数据

PostGIS最常见的空间数据类型包括：

Geometry
Geography
Raster

其中Geometry是最常用的矢量空间数据类型。

常见Geometry：

Point
MultiPoint
LineString
MultiLineString
Polygon
MultiPolygon
GeometryCollection

例如：

Point
    ↓
一个位置

LineString
    ↓
一条道路

Polygon
    ↓
一个区域

Geometry

Geometry是PostGIS中最核心的空间数据类型之一。

例如：

POINT (116.397 39.908)

可以存储到：

geometry(Point, 4326)

数据库字段：

CREATE TABLE cities (
    id SERIAL PRIMARY KEY,
    name TEXT,
    geom geometry(Point, 4326)
);

其中：

geom
 ↓
Geometry

Point
 ↓
空间类型

4326
 ↓
SRID

Geography

PostGIS还提供：

Geography

它主要用于基于地球曲面进行空间计算。

例如：

POINT(116.397 39.908)

可以使用：

geography(Point, 4326)

Geometry和Geography最大的区别可以简单理解为：

Geometry
 ↓
平面空间计算

Geography
 ↓
地球曲面上的地理计算

因此进行全球范围的距离、面积等计算时，Geography有时更加方便。

Raster

PostGIS还支持Raster空间数据。

Raster主要用于：

卫星影像
遥感数据
DEM
地形数据
栅格地图

可以理解为：

Vector
 ↓
Point
Line
Polygon

Raster
 ↓
Pixel
 ↓
Grid

因此PostGIS不仅可以存储矢量数据，也可以处理部分栅格数据。

SRID是什么

SRID用于表示空间数据使用的坐标参考系统。

例如：

EPSG:4326

和：

EPSG:3857

都是常见的空间参考系统。

例如：

geometry(Point, 4326)

表示：

Geometry
 ↓
Point
 ↓
SRID = 4326

SRID非常重要。

如果两个Geometry使用不同的坐标参考系统，就不能简单地直接进行某些空间计算。

EPSG:4326

EPSG:4326是非常常见的地理坐标参考系统。

通常使用：

经度
纬度

例如：

116.397
39.908

可以表示：

经度 = 116.397
纬度 = 39.908

在PostGIS中：

geometry(Point, 4326)

是非常常见的定义方式。

EPSG:3857

EPSG:3857是WebGIS中非常常见的投影坐标系。

很多Web地图使用：

EPSG:3857

例如：

OpenLayers
Leaflet
Web地图Tile

经常会使用Web Mercator投影。

因此WebGIS中经常出现：

EPSG:4326
    ↓
ST_Transform()
    ↓
EPSG:3857

ST_SetSRID与ST_Transform

PostGIS中非常重要的两个函数：

ST_SetSRID
ST_Transform

ST_SetSRID：

给Geometry设置SRID

例如：

SELECT ST_SetSRID(
    ST_Point(116.397, 39.908),
    4326
);

它不会真正改变坐标数值。

ST_Transform：

真正进行坐标转换

例如：

SELECT ST_Transform(
    geom,
    3857
)
FROM cities;

因此：

ST_SetSRID
 ↓
设置坐标参考信息

ST_Transform
 ↓
转换坐标

PostGIS空间函数

PostGIS最大的优势之一就是提供大量空间函数。

例如：

ST_Distance
ST_Length
ST_Area
ST_Buffer
ST_Intersects
ST_Contains
ST_Within
ST_Intersection
ST_Union
ST_Transform

这些函数可以直接在SQL中使用。

ST_Distance

用于计算两个Geometry之间的距离。

例如：

SELECT ST_Distance(
    a.geom,
    b.geom
)
FROM cities a, cities b;

可以用于：

最近地点
两地距离
服务范围
距离分析

ST_Length

用于计算LineString长度。

例如：

SELECT ST_Length(geom)
FROM roads;

可以用于：

道路长度
河流长度
管线长度
GPS轨迹长度

需要注意：

计算结果的单位与Geometry使用的坐标系有关。

ST_Area

用于计算Polygon面积。

例如：

SELECT ST_Area(geom)
FROM parcels;

可以用于：

地块面积
行政区面积
建筑面积
土地面积

同样需要注意坐标系和单位。

ST_Buffer

ST_Buffer用于创建缓冲区。

例如：

SELECT ST_Buffer(
    geom,
    100
)
FROM roads;

可以理解为：

道路
 ↓
100单位缓冲
 ↓
缓冲区域

常见应用：

道路影响范围
服务区分析
环境影响分析
安全距离
周边设施查询

ST_Intersects

用于判断两个Geometry是否相交。

例如：

SELECT ST_Intersects(
    a.geom,
    b.geom
)
FROM roads a, parcels b;

true

或者：

false

典型问题：

哪些道路经过这个地块？

就可以使用空间相交查询。

ST_Contains

用于判断一个Geometry是否包含另一个Geometry。

例如：

SELECT ST_Contains(
    district.geom,
    city.geom
)
FROM districts district, cities city;

典型问题：

这个城市属于哪个行政区？

可以通过空间包含关系进行判断。

ST_Within

ST_Within与ST_Contains存在相反方向的关系。

例如：

城市
 ↓
Within
 ↓
行政区

SQL：

SELECT ST_Within(
    city.geom,
    district.geom
);

可以判断：

city是否位于district内部

ST_Intersection

ST_Intersection用于计算两个Geometry的交集。

例如：

Polygon A
      +
Polygon B
      ↓
Intersection
      ↓
交集区域

SQL：

SELECT ST_Intersection(
    a.geom,
    b.geom
)
FROM a, b;

常用于：

行政区裁剪
道路与区域分析
土地重叠分析
空间叠加

ST_Union

ST_Union用于合并Geometry。

例如：

Polygon A
+
Polygon B
 ↓
Union
 ↓
新的Geometry

SQL：

SELECT ST_Union(geom)
FROM parcels;

常用于：

区域合并
行政区合并
地块融合
空间数据聚合

空间索引

如果数据库中只有几十条空间数据：

100条

直接计算可能问题不大。

但如果有：

100万
1000万

个Geometry，就需要空间索引。

PostGIS常见空间索引：

GiST

例如：

CREATE INDEX idx_cities_geom
ON cities
USING GIST (geom);

这样数据库就可以利用空间索引进行高效空间查询。

为什么需要空间索引

假设有：

100万家商店

现在查询：

某个位置附近的商店。

没有空间索引：

100万
 ↓
逐个计算距离

有空间索引：

100万
 ↓
空间索引筛选
 ↓
少量候选对象
 ↓
精确计算

因此：

PostGIS
+
GiST
=
高效空间查询

PostGIS与WKT

WKT是一种空间数据文本格式。

例如：

POINT (116.397 39.908)

PostGIS可以使用：

ST_GeomFromText()

将WKT转换为Geometry。

例如：

SELECT ST_GeomFromText(
    'POINT (116.397 39.908)',
    4326
);

反向可以使用：

SELECT ST_AsText(geom)
FROM cities;

因此：

WKT
 ↓
ST_GeomFromText
 ↓
Geometry

以及：

Geometry
 ↓
ST_AsText
 ↓
WKT

PostGIS与WKB

WKB是Geometry的二进制表示方式。

PostGIS可以使用：

ST_AsBinary()

输出WKB。

例如：

SELECT ST_AsBinary(geom)
FROM cities;

也可以使用：

ST_GeomFromWKB()

将WKB转换为Geometry。

因此：

WKT
 ↓
文本

WKB
 ↓
二进制

Geometry
 ↓
PostGIS空间对象

PostGIS与GeoJSON

PostGIS可以直接生成GeoJSON。

例如：

SELECT ST_AsGeoJSON(geom)
FROM cities;

得到：

{
  "type": "Point",
  "coordinates": [116.397, 39.908]
}

也可以将GeoJSON转换为Geometry：

SELECT ST_GeomFromGeoJSON(
    '{"type":"Point","coordinates":[116.397,39.908]}'
);

因此PostGIS非常适合WebGIS后端。

PostGIS与Shapefile

Shapefile是传统GIS中非常常见的数据格式。

可以通过GIS工具将：

Shapefile
 ↓
PostGIS

导入数据库。

例如：

.shp
.shx
.dbf
.prj

共同组成Shapefile数据集。

导入PostGIS以后，可以进行：

空间查询
空间分析
空间索引
数据更新
WebGIS服务

因此PostGIS经常作为Shapefile数据的数据库存储目标。

PostGIS与GeoPackage

GeoPackage是一种基于SQLite的GIS数据格式。

可以理解为：

GeoPackage
 ↓
SQLite
 ↓
GIS空间数据

而PostGIS：

PostGIS
 ↓
PostgreSQL
 ↓
GIS空间数据库

两者都可以存储：

Geometry
Attributes
Spatial Reference

但PostGIS更适合：

服务器
多人访问
大型空间数据库
WebGIS
空间查询
空间分析

PostGIS与GeoParquet

GeoParquet是一种面向分析场景的空间数据格式。

可以理解为：

GeoParquet
 ↓
Parquet
 ↓
列式存储
 ↓
空间数据

而PostGIS更加偏向：

数据库
 ↓
事务
 ↓
查询
 ↓
空间索引
 ↓
空间分析

两者可以配合使用。

例如：

PostGIS
 ↓
分析
 ↓
GeoParquet
 ↓
数据交换 / 大数据分析

PostGIS与WebGIS

PostGIS非常适合用于WebGIS后端。

典型架构：

                    浏览器
                       ↓
              OpenLayers / Leaflet
                       ↓
                      API
                       ↓
                 后端服务
                       ↓
                    PostGIS
                       ↓
                 PostgreSQL

例如用户在地图上点击一个区域：

用户点击地图
    ↓
发送坐标
    ↓
API
    ↓
PostGIS
    ↓
空间查询
    ↓
返回GeoJSON
    ↓
前端显示

PostGIS典型应用

PostGIS可以用于很多GIS业务。

地图服务

地图
 ↓
空间数据
 ↓
PostGIS

LBS

用户位置
 ↓
附近商店
附近医院
附近停车场

路网分析

道路
 ↓
距离
路径
连通性

城市规划

地块
建筑
道路
行政区

物流

车辆
仓库
配送点
道路

资产管理

设备
管线
建筑
设施

环境分析

河流
污染源
保护区
土地

一个简单的PostGIS示例

创建扩展：

CREATE EXTENSION postgis;

创建城市表：

CREATE TABLE cities (
    id SERIAL PRIMARY KEY,
    name TEXT,
    geom geometry(Point, 4326)
);

插入数据：

INSERT INTO cities (name, geom)
VALUES (
    '北京',
    ST_SetSRID(
        ST_Point(116.397, 39.908),
        4326
    )
);

查询WKT：

SELECT
    name,
    ST_AsText(geom)
FROM cities;

结果：

北京
POINT(116.397 39.908)

输出GeoJSON：

SELECT
    name,
    ST_AsGeoJSON(geom)
FROM cities;

创建空间索引：

CREATE INDEX idx_cities_geom
ON cities
USING GIST (geom);

这就是一个最基本的PostGIS空间数据流程。

PostGIS完整数据流程

一个典型的GIS数据进入PostGIS的过程：

Shapefile
GeoJSON
WKT
CSV
GeoPackage
    ↓
数据导入
    ↓
PostGIS
    ↓
Geometry
    ↓
SRID
    ↓
空间索引
    ↓
空间查询
    ↓
空间分析
    ↓
GeoJSON
    ↓
WebGIS

PostGIS数据架构

可以从三个层次理解PostGIS：

PostgreSQL
    ↓
数据库能力
    │
    ├── Table
    ├── SQL
    ├── Transaction
    └── Index
         ↓
PostGIS
    ↓
空间能力
    │
    ├── Geometry
    ├── Geography
    ├── Spatial Function
    ├── Spatial Index
    └── CRS
         ↓
GIS应用
    │
    ├── WebGIS
    ├── LBS
    ├── 地图服务
    ├── 空间分析
    └── 数据管理

PostGIS与普通数据库的区别

能力	PostgreSQL	PostgreSQL + PostGIS
普通数据	支持	支持
JSON	支持	支持
Geometry	不属于核心能力	支持
Geography	不支持	支持
空间索引	不支持	支持
空间距离	不支持	支持
空间相交	不支持	支持
空间缓冲	不支持	支持
坐标转换	不支持	支持
GIS分析	有限	强大

因此：

PostGIS不是一个独立的数据库，而是PostgreSQL的GIS空间扩展。

PostGIS与传统GIS软件

传统GIS软件：

QGIS
ArcGIS

更偏向：

桌面GIS
地图制作
数据编辑
空间分析

PostGIS更偏向：

空间数据库
数据存储
空间查询
多人访问
WebGIS后端
服务端空间分析

实际项目中经常组合使用：

QGIS
 ↓
编辑GIS数据
 ↓
PostGIS
 ↓
保存空间数据
 ↓
WebGIS
 ↓
OpenLayers

PostGIS知识结构

可以这样理解：

PostGIS
├── PostgreSQL
│
├── Spatial Data
│   ├── Geometry
│   ├── Geography
│   └── Raster
│
├── CRS
│   ├── EPSG:4326
│   └── EPSG:3857
│
├── Spatial Functions
│   ├── Distance
│   ├── Length
│   ├── Area
│   ├── Buffer
│   ├── Intersection
│   ├── Union
│   └── Spatial Relations
│
├── Spatial Index
│   └── GiST
│
├── Data Formats
│   ├── WKT
│   ├── WKB
│   ├── GeoJSON
│   ├── Shapefile
│   └── GeoPackage
│
└── Applications
    ├── WebGIS
    ├── LBS
    ├── 地图服务
    └── 空间分析

PostGIS与GIS知识体系

PostGIS在整个GIS知识体系中可以放在：

GIS
│
├── 数据
│   ├── Vector
│   ├── Raster
│   └── Tile
│
├── 数据格式
│   ├── Shapefile
│   ├── GeoJSON
│   ├── WKT
│   ├── WKB
│   ├── GeoPackage
│   └── GeoParquet
│
├── 坐标系统
│   ├── CRS
│   ├── EPSG:4326
│   └── EPSG:3857
│
├── 空间分析
│   ├── Buffer
│   ├── Distance
│   ├── Intersection
│   └── Spatial Relation
│
└── 空间数据库
    └── PostGIS

总结

PostGIS是PostgreSQL的空间数据库扩展。

它让PostgreSQL能够直接存储和处理GIS空间数据。

核心能力包括：

Geometry
Geography
Raster
CRS
空间函数
空间索引

可以进行：

距离计算
长度计算
面积计算
缓冲区分析
相交分析
包含判断
空间集合运算
坐标转换

同时可以与：

WKT
WKB
GeoJSON
Shapefile
GeoPackage
GeoParquet

等GIS数据格式进行数据交换。

在WebGIS中，一个典型架构是：

PostGIS
    ↓
空间查询
    ↓
API
    ↓
GeoJSON
    ↓
OpenLayers / Leaflet
    ↓
地图

最终可以记住：

PostGIS = PostgreSQL + GIS空间数据 + 空间索引 + 空间查询 + 空间分析。

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