Расстояние и ближайшие соседи

В географических базах данных расстояние — это измеряемый промежуток между двумя географическими местоположениями. PostGIS предоставляет мощные функции для вычисления расстояний между точками, линиями, полигонами и другими типами геометрии.

Понимание запросов расстояния позволяет отвечать на такие вопросы, как: Какой ресторан находится ко мне ближе всего? или Какие клиенты находятся в пределах 5 км от нашего склада?

ST_Distance(geom_a, geom_b) возвращает минимальное расстояние между двумя объектами геометрии. По умолчанию при использовании обычных типов геометрии результат выражается в единицах системы координат, обычно в градусах для EPSG:4326.

Чтобы получить осмысленные результаты в метрах, следует использовать тип географии или перепроецировать данные.

Создадим простую таблицу мест с географическими координатами. Мы будем использовать тип географии, чтобы все вычисления расстояний автоматически возвращали результат в метрах — без необходимости выполнять проецирование вручную.

В этой таблице будут храниться кафе города: для каждого кафе указаны название и местоположение, сохранённое как точка.

Имея данные о местоположении, можно вычислить расстояние от каждой строки до опорной точки. Здесь мы рассчитываем расстояние от каждого кафе до пользователя, находящегося в координатах (28.9800, 41.0100).

Результат выражается в метрах, поскольку мы использовали тип географии.

Чтобы найти единственное ближайшее к заданной точке местоположение, отсортируйте результаты по расстоянию и возьмите только одну строку с помощью LIMIT 1. Это классический запрос поиска ближайшего соседа.

Такой шаблон очень часто используется в приложениях, учитывающих местоположение: для поиска ближайшего магазина, врача или остановки общественного транспорта.

PostGIS предоставляет оператор <-> (KNN — K ближайших соседей), который учитывает индексы. В отличие от ST_Distance в предложении ORDER BY, оператор <-> может использовать пространственный индекс GiST, чтобы не просматривать каждую строку.

Всегда отдавайте предпочтение <-> в ORDER BY, когда необходимо эффективно найти ближайших соседей. Для его поддержки создайте индекс следующим образом:

ST_DWithin(geom_a, geom_b, distance) возвращает TRUE, если две геометрии находятся друг от друга в пределах заданного расстояния. Для типов географии расстояние выражается в метрах.

Это эффективнее, чем ST_Distance(...) < radius в предложении WHERE, поскольку ST_DWithin учитывает индекс и прекращает поиск сразу после выполнения условия.

Распространённый рабочий шаблон сочетает ST_DWithin в качестве предварительного фильтра с сортировкой с помощью <->. Проверка ST_DWithin использует пространственный индекс, чтобы быстро отбрасывать удалённые строки, после чего оставшиеся кандидаты сортируются по точному расстоянию.

Так можно очень эффективно получить N ближайших местоположений в пределах максимального радиуса.

Можно вычислять расстояния между строками двух разных таблиц, используя JOIN вместе с ST_Distance. Это полезно, например, для сопоставления каждого клиента с ближайшим складом или каждого происшествия с ближайшей больницей.

Ниже мы находим ближайшее кафе для каждого пользователя из таблицы users с помощью латерального соединения — мощного шаблона PostgreSQL для подзапросов, выполняемых отдельно для каждой строки.

Необработанные расстояния в метрах бывает трудно читать. Их можно форматировать в километрах или добавлять понятные человеку обозначения с помощью выражений CASE и форматирования строк. Ниже приведён запрос, который выводит расстояние в метрах для небольших расстояний и в километрах для больших.

Оконные функции, такие как RANK() и ROW_NUMBER(), идеально подходят для запросов расстояния. Можно присвоить каждому местоположению ранг близости относительно пользователя, что полезно при создании упорядоченных по близости списков рекомендаций или результатов поиска.

Проверьте, насколько хорошо Вы понимаете запросы расстояния и поиск ближайших соседей в PostGIS.

В этом уроке Вы узнали, как работать с пространственными расстояниями и запросами поиска ближайших соседей в PostGIS:

• ST_Distance вычисляет точное расстояние между двумя геометриями; используйте тип географии, чтобы автоматически получать результат в метрах.
• ST_DWithin эффективно фильтрует строки в пределах радиуса с помощью пространственного индекса — предпочитайте его конструкции ST_Distance < radius в предложениях WHERE.
• Оператор <-> (KNN) в ORDER BY учитывает индекс и является самым быстрым способом получить N ближайших соседей.
• Сочетайте ST_DWithin в качестве предварительного фильтра с сортировкой по <->, чтобы наиболее эффективно выполнять запросы на получение первых N объектов в пределах радиуса.
• CROSS JOIN LATERAL позволяет находить ближайшее соответствие из другой таблицы отдельно для каждой строки.
• Оконечные функции, такие как ROW_NUMBER(), позволяют присваивать ранги близости результатам, упорядоченным по расстоянию.

Эти шаблоны лежат в основе функций, учитывающих местоположение, в реальных приложениях.