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(转)查找附近的xxx 球面距离以及Geohash方案探讨

2014-07-01 10:42 423 查看
随着移动终端的普及,很多应用都基于LBS功能,附近的某某(餐馆、银行、妹纸等等)。 

基础数据中,一般保存了目标位置的经纬度;利用用户提供的经纬度,进行对比,从而获得是否在附近。 

目标: 
查找附近的XXX,由近到远返回结果,且结果中有与目标点的距离。 

针对查找附近的XXX,提出两个方案,如下: 

一、方案A: 
=================================================================================================

抽象为球面两点距离的计算,即已知道球面上两点的经纬度; 
点(纬度,经度),A($radLat1,$radLng1)、B($radLat2,$radLng2); 

优点:通俗易懂,部署简单便捷 

缺点:每次都会查询数据库,性能堪忧 

1、推导 

通过余弦定理以及弧度计算方法,最终推导出来的算式A为: 

Php代码  


$s = acos(cos($radLat1)*cos($radLat2)*cos($radLng1-$radLng2)+sin($radLat1)*sin($radLat2))*$R;  

目前网上大多使用Google公开的距离计算公司,推导算式B为: 

Php代码  


$s = 2*asin(sqrt(pow(sin(($radLat1-$radLat2)/2),2)+cos($radLat1)*cos($radLat2)*pow(sin(($radLng1-$radLng2)/2),2)))*$R;  

其中 : 
$radLat1、$radLng1,$radLat2,$radLng2 为弧度 

$R 为地球半径 

2、通过测试两种算法,结果相同且都正确,但通过PHP代码测试,两点间距离,10W次性能对比,自行推导版本计算时长算式B较优,如下: 

//算式A 
0.56368780136108float(431) 
0.57460689544678float(431) 
0.59051203727722float(431) 

//算式B 
0.47404885292053float(431) 
0.47808718681335float(431) 
0.47946381568909float(431) 

3、所以采用数学方法推导出的公式: 

Php代码  


<?php  

   

    //根据经纬度计算距离 其中A($lat1,$lng1)、B($lat2,$lng2)  

    public static function getDistance($lat1,$lng1,$lat2,$lng2)  

    {  

        //地球半径  

        $R = 6378137;  

   

        //将角度转为狐度  

        $radLat1 = deg2rad($lat1);  

        $radLat2 = deg2rad($lat2);  

        $radLng1 = deg2rad($lng1);  

        $radLng2 = deg2rad($lng2);  

   

        //结果  

        $s = acos(cos($radLat1)*cos($radLat2)*cos($radLng1-$radLng2)+sin($radLat1)*sin($radLat2))*$R;  

   

        //精度  

        $s = round($s* 10000)/10000;  

   

        return  round($s);  

    }  

?>  

4、在实际应用中,需要从数据库中遍历取出符合条件,以及排序等操作, 

将所有数据取出,然后通过PHP循环对比,筛选符合条件结果,显然性能低下;所以我们利用下Mysql存储函数来解决这个问题吧。 

4.1、创建Mysql存储函数,并对经纬度字段建立索引 

Sql代码  


DELIMITER $$  

   

CREATE DEFINER=`root`@`%` FUNCTION `GETDISTANCE`(lat1 DOUBLE, lng1 DOUBLE, lat2 DOUBLE, lng2 DOUBLE) RETURNS double  

   

READS SQL DATA  

   

DETERMINISTIC  

   

BEGIN  

   

DECLARE RAD DOUBLE;  

   

DECLARE EARTH_RADIUS DOUBLE DEFAULT 6378137;  

   

DECLARE radLat1 DOUBLE;  

   

DECLARE radLat2 DOUBLE;  

   

DECLARE radLng1 DOUBLE;  

   

DECLARE radLng2 DOUBLE;  

   

DECLARE s DOUBLE;  

   

SET RAD = PI() / 180.0;  

   

SET radLat1 = lat1 * RAD;  

   

SET radLat2 = lat2 * RAD;  

   

SET radLng1 = lng1 * RAD;  

   

SET radLng2 = lng2 * RAD;  

   

SET s = ACOS(COS(radLat1)*COS(radLat2)*COS(radLng1-radLng2)+SIN(radLat1)*SIN(radLat2))*EARTH_RADIUS;  

   

SET s = ROUND(s * 10000) / 10000;  

   

RETURN s;  

   

END$$  

   

DELIMITER ;  

4.2、查询SQL 

通过SQL,可设置距离以及排序;可搜索出符合条件的信息,以及有一个较好的排序 

Sql代码  


SELECT *,latitude,longitude,GETDISTANCE(latitude,longitude,30.663262,104.071619) AS distance FROM  mb_shop_ext where 1 HAVING distance<1000 ORDER BY distance ASC LIMIT 0,10  

二、方案B 
=================================================================================================

Geohash算法;geohash是一种地址编码,它能把二维的经纬度编码成一维的字符串。 
比如,成都永丰立交的编码是wm3yr31d2524 

优点: 

1、利用一个字段,即可存储经纬度;搜索时,只需一条索引,效率较高 
2、编码的前缀可以表示更大的区域,查找附近的,非常方便。 SQL中,LIKE ‘wm3yr3%’,即可查询附近的所有地点。 
3、通过编码精度可模糊坐标、隐私保护等。 

缺点: 距离和排序需二次运算(筛选结果中运行,其实挺快) 

1、geohash的编码算法 

成都永丰立交经纬度(30.63578,104.031601) 

1.1、纬度范围(-90, 90)平分成两个区间(-90, 0)、(0, 90), 如果目标纬度位于前一个区间,则编码为0,否则编码为1。 
由于30.625265属于(0, 90),所以取编码为1。 
然后再将(0, 90)分成 (0, 45), (45, 90)两个区间,而39.92324位于(0, 45),所以编码为0, 
然后再将(0, 45)分成 (0, 22.5), (22.5, 45)两个区间,而39.92324位于(22.5, 45),所以编码为1, 
依次类推可得永丰立交纬度编码为101010111001001000100101101010。 

1.2、经度也用同样的算法,对(-180, 180)依次细分,(-180,0)、(0,180) 得出编码110010011111101001100000000000 

1.3、合并经纬度编码,从高到低,先取一位经度,再取一位纬度;得出结果 111001001100011111101011100011000010110000010001010001000100 

1.4、用0-9、b-z(去掉a, i, l, o)这32个字母进行base32编码,得到(30.63578,104.031601)的编码为wm3yr31d2524。 

Java代码  


11100 10011 00011 11110 10111 00011 00001 01100 00010 00101 00010 00100 => wm3yr31d2524  

   

十进制  0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  11  12  13  14  15  

base32   0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   b   c   d   e   f   g  

十进制  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  

base32   h   j   k   m   n   p   q   r   s   t   u   v   w   x   y   z  

2、策略 

1、在纬度和经度入库时,数据库新加一字段geohash,记录此点的geohash值 

2、查找附近,利用 在SQL中 LIKE ‘wm3yr3%’;且此结果可缓存;在小区域内,不会因为改变经纬度,而重新数据库查询 

3、查找出的有限结果,如需要求距离或者排序,可利用距离公式和二维数据排序;此时也是少量数据,会很快的。 

3、PHP基类 

geohash.class.php 

Php代码  


<?php  

   

/** 

* Encode and decode geohashes 



*/  

   

class Geohash  

{  

    private $coding="0123456789bcdefghjkmnpqrstuvwxyz";  

    private $codingMap=array();  

   

    public function Geohash()  

    {  

        for($i=0; $i<32; $i++)  

        {  

            $this->codingMap[substr($this->coding,$i,1)]=str_pad(decbin($i), 5, "0", STR_PAD_LEFT);  

        }  

   

    }  

   

    public function decode($hash)  

    {  

        $binary="";  

        $hl=strlen($hash);  

        for($i=0; $i<$hl; $i++)  

        {  

            $binary.=$this->codingMap[substr($hash,$i,1)];  

        }  

   

        $bl=strlen($binary);  

        $blat="";  

        $blong="";  

        for ($i=0; $i<$bl; $i++)  

        {  

            if ($i%2)  

                $blat=$blat.substr($binary,$i,1);  

            else  

                $blong=$blong.substr($binary,$i,1);  

   

        }  

   

        $lat=$this->binDecode($blat,-90,90);  

        $long=$this->binDecode($blong,-180,180);  

   

        $latErr=$this->calcError(strlen($blat),-90,90);  

        $longErr=$this->calcError(strlen($blong),-180,180);  

   

        $latPlaces=max(1, -round(log10($latErr))) - 1;  

        $longPlaces=max(1, -round(log10($longErr))) - 1;  

   

        $lat=round($lat, $latPlaces);  

        $long=round($long, $longPlaces);  

   

        return array($lat,$long);  

    }  

   

    public function encode($lat,$long)  

    {  

        $plat=$this->precision($lat);  

        $latbits=1;  

        $err=45;  

        while($err>$plat)  

        {  

            $latbits++;  

            $err/=2;  

        }  

   

        $plong=$this->precision($long);  

        $longbits=1;  

        $err=90;  

        while($err>$plong)  

        {  

            $longbits++;  

            $err/=2;  

        }  

   

        $bits=max($latbits,$longbits);  

   

        $longbits=$bits;  

        $latbits=$bits;  

        $addlong=1;  

        while (($longbits+$latbits)%5 != 0)  

        {  

            $longbits+=$addlong;  

            $latbits+=!$addlong;  

            $addlong=!$addlong;  

        }  

   

        $blat=$this->binEncode($lat,-90,90, $latbits);  

   

        $blong=$this->binEncode($long,-180,180,$longbits);  

   

        $binary="";  

        $uselong=1;  

        while (strlen($blat)+strlen($blong))  

        {  

            if ($uselong)  

            {  

                $binary=$binary.substr($blong,0,1);  

                $blong=substr($blong,1);  

            }  

            else  

            {  

                $binary=$binary.substr($blat,0,1);  

                $blat=substr($blat,1);  

            }  

            $uselong=!$uselong;  

        }  

   

        $hash="";  

        for ($i=0; $i<strlen($binary); $i+=5)  

        {  

            $n=bindec(substr($binary,$i,5));  

            $hash=$hash.$this->coding[$n];  

        }  

   

        return $hash;  

    }  

   

    private function calcError($bits,$min,$max)  

    {  

        $err=($max-$min)/2;  

        while ($bits--)  

            $err/=2;  

        return $err;  

    }  

   

    private function precision($number)  

    {  

        $precision=0;  

        $pt=strpos($number,'.');  

        if ($pt!==false)  

        {  

            $precision=-(strlen($number)-$pt-1);  

        }  

   

        return pow(10,$precision)/2;  

    }  

   

    private function binEncode($number, $min, $max, $bitcount)  

    {  

        if ($bitcount==0)  

            return "";  

        $mid=($min+$max)/2;  

        if ($number>$mid)  

            return "1".$this->binEncode($number, $mid, $max,$bitcount-1);  

        else  

            return "0".$this->binEncode($number, $min, $mid,$bitcount-1);  

    }  

   

    private function binDecode($binary, $min, $max)  

    {  

        $mid=($min+$max)/2;  

   

        if (strlen($binary)==0)  

            return $mid;  

   

        $bit=substr($binary,0,1);  

        $binary=substr($binary,1);  

   

        if ($bit==1)  

            return $this->binDecode($binary, $mid, $max);  

        else  

            return $this->binDecode($binary, $min, $mid);  

    }  

}  

?>  

三、测试 

Php代码  


<?php  

   

require_once('Mysql.class.php');  

require_once('geohash.class.php');  

   

//mysql  

$conf = array(  

   

    'host' => '127.0.0.1',  

    'port' => 3306,  

    'user' => 'root',  

    'password' => '123456',  

    'database' => 'mocube',  

    'charset' => 'utf8',  

    'persistent' => false  

);  

   

$mysql = new Db_Mysql($conf);  

$geohash=new Geohash;  

   

//经纬度转换成Geohash  

/* 

  

$sql = 'select shop_id,latitude,longitude from mb_shop_ext'; 

  

$data = $mysql->queryAll($sql); 

  

foreach($data as $val) 



  

  $geohash_val = $geohash->encode($val['latitude'],$val['longitude']); 

  

  $sql = 'update mb_shop_ext set geohash= "'.$geohash_val.'" where shop_id = '.$val['shop_id']; 

  

  echo $sql; 

  

  $re = $mysql->query($sql); 

  

  var_dump($re); 

  



*/  

   

//获取附近的信息  

$n_latitude = $_GET['la'];  

$n_longitude = $_GET['lo'];  

   

//开始  

$b_time = microtime(true);  

   

//方案A,直接利用数据库存储函数,遍历排序  

/* 

$sql = 'SELECT *,latitude,longitude,GETDISTANCE(latitude,longitude,'.$n_latitude.','.$n_longitude.') AS distance FROM  mb_shop_ext where 1 HAVING distance<1000 ORDER BY distance ASC'; 

  

$data = $mysql->queryAll($sql); 

  

//结束 

$e_time = microtime(true); 

  

echo $e_time - $b_time; 

  

var_dump($data); 

exit; 

*/  

   

//方案B geohash求出附近,然后排序  

   

//当前 geohash值  

$n_geohash = $geohash->encode($n_latitude,$n_longitude);  

   

//附近  

$n = $_GET['n'];  

$like_geohash = substr($n_geohash, 0, $n);  

   

$sql = 'select * from mb_shop_ext where geohash like "'.$like_geohash.'%"';  

   

echo $sql;  

   

$data = $mysql->queryAll($sql);  

   

//算出实际距离  

foreach($data as $key=>$val)  

{  

    $distance = getDistance($n_latitude,$n_longitude,$val['latitude'],$val['longitude']);  

   

    $data[$key]['distance'] = $distance;  

   

    //排序列  

    $sortdistance[$key] = $distance;  

}  

   

//距离排序  

array_multisort($sortdistance,SORT_ASC,$data);  

   

//结束  

$e_time = microtime(true);  

   

echo $e_time - $b_time;  

   

var_dump($data);  

   

//根据经纬度计算距离 其中A($lat1,$lng1)、B($lat2,$lng2)  

function getDistance($lat1,$lng1,$lat2,$lng2)  

{  

    //地球半径  

    $R = 6378137;  

   

    //将角度转为狐度  

    $radLat1 = deg2rad($lat1);  

    $radLat2 = deg2rad($lat2);  

    $radLng1 = deg2rad($lng1);  

    $radLng2 = deg2rad($lng2);  

   

    //结果  

    $s = acos(cos($radLat1)*cos($radLat2)*cos($radLng1-$radLng2)+sin($radLat1)*sin($radLat2))*$R;  

   

    //精度  

    $s = round($s* 10000)/10000;  

   

    return  round($s);  

}  

?>  

四、总结 

方案B的亮点在于: 
1、搜索结果可缓存,重复使用,不会因为用户有小范围的移动,直接穿透数据库查询。 
2、先缩小结果范围,再运算、排序,可提升性能。 

254条记录,性能对比, 

在实际应用场景中,方案B数据库搜索可内存缓存;且如数据量更大,方案B结果会更优。 

方案A: 
0.016560077667236 
0.032402992248535 
0.040318012237549 

方案B 
0.0079810619354248 
0.0079669952392578 
0.0064868927001953 

五、其他 

两种方案,根据应用场景以及负载情况合理选择,当然推荐方案B; 
不管哪种方案,都记得,给列加上索引,利于数据库检索。
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标签:  数据库 php 查询附近