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用字符串实现附近地点搜索

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,北海公园的编码是wx4g0ec1。
方法/步骤
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geohash有以下几个特点:首先,geohash用一个字符串表示经度和纬度两个坐标。某些情况下无法在两列上同时应用索引 (例如MySQL 4之前的版本,Google App Engine的数据层等),利用geohash,只需在一列上应用索引即可。其次,geohash表示的并不是一个点,而是一个矩形区域。比如编码wx4g0ec19,它表示的是一个矩形区域。 使用者可以发布地址编码,既能表明自己位于北海公园附近,又不至于暴露自己的精确坐标,有助于隐私保护。第三,编码的前缀可以表示更大的区域。例如wx4g0ec1,它的前缀wx4g0e表示包含编码wx4g0ec1在内的更大范围。 这个特性可以用于附近地点搜索。首先根据用户当前坐标计算geohash(例如wx4g0ec1)然后取其前缀进行查询 (SELECT * FROM place WHERE geohash LIKE 'wx4g0e%'),即可查询附近的所有地点。

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geohash的算法 下面以(39.92324, 116.3906)为例,介绍一下geohash的编码算法。首先将纬度范围(-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39.92324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。以此类推,直到精度符合要求为止,得到纬度编码为1011 1000 1100 0111 1001。

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纬度范围             划分区间0                    划分区间1         39.92324所属区间 (-90, 90)                (-90, 0.0)                      (0.0, 90)                        1 (0.0, 90)                (0.0, 45.0)                    (45.0, 90)                      0 (0.0, 45.0)             (0.0, 22.5)                    (22.5, 45.0)                   1 (22.5, 45.0)           (22.5, 33.75)                (33.75, 45.0)                 1 (33.75, 45.0)         (33.75, 39.375)            (39.375, 45.0)               1 (39.375, 45.0)       (39.375, 42.1875)     (42.1875, 45.0)                0 (39.375, 42.1875) (39.375, 40.7812)     (40.7812, 42.1875)          0 (39.375, 40.7812) (39.375, 40.0781)     (40.0781, 40.7812)          0 (39.375, 40.0781) (39.375, 39.7265)     (39.7265, 40.0781)          1 (39.7265, 40.0781) (39.7265, 39.9023) (39.9023, 40.0781)          1 (39.9023, 40.0781) (39.9023, 39.9902) (39.9902, 40.0781)          0 (39.9023, 39.9902) (39.9023, 39.9462) (39.9462, 39.9902)          0 (39.9023, 39.9462) (39.9023, 39.9243) (39.9243, 39.9462)          0 (39.9023, 39.9243) (39.9023, 39.9133) (39.9133, 39.9243)          1 (39.9133, 39.9243) (39.9133, 39.9188) (39.9188, 39.9243)          1 (39.9188, 39.9243) (39.9188, 39.9215) (39.9215, 39.9243)          1

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经度也用同样的算法,对(-180, 180)依次细分,得到116.3906的编码为1101 0010 1100 0100 0100。经度范围                   划分区间0                划分区间1         116.3906所属区间 (-180, 180)                (-180, 0.0)                (0.0, 180)                  1 (0.0, 180)                  (0.0, 90.0)                (90.0, 180)                1 (90.0, 180)                (90.0, 135.0)            (135.0, 180)              0 (90.0, 135.0)             (90.0, 112.5)            (112.5, 135.0)            1 (112.5, 135.0)           (112.5, 123.75)        (123.75, 135.0)          0 (112.5, 123.75)         (112.5, 118.125)      (118.125, 123.75)       0 (112.5, 118.125)       (112.5, 115.312)      (115.312, 118.125)     1 (115.312, 118.125)   (115.312, 116.718)  (116.718, 118.125)     0 (115.312, 116.718)   (115.312, 116.015)  (116.015, 116.718)     1 (116.015, 116.718)   (116.015, 116.367)   (116.367, 116.718)     1 (116.367, 116.718)   (116.367, 116.542)   (116.542, 116.718)    0 (116.367, 116.542)   (116.367, 116.455)   (116.455, 116.542)    0 (116.367, 116.455)   (116.367, 116.411)   (116.411, 116.455)     0 (116.367, 116.411)   (116.367, 116.389)   (116.389, 116.411)     1  (116.389, 116.411)   (116.389, 116.400)   (116.400, 116.411)     0 (116.389, 116.400)   (116.389, 116.394)   (116.394, 116.400)    0

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接下来将经度和纬度的编码合并,奇数位是纬度,偶数位是经度,得到编码 11100 11101 0 0 01。最后,用0-9、b-z(去掉a, i, l, o)这32个字母进行base32编码,得到(39.92324, 116.3906)的编码为wx4g0ec1。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 解码算法与编码算法相反,先进行base32解码,然后分离出经纬度,最后根据二进制编码对经纬度范围进行细分即可,这里不再赘述。 不过由于geohash表示的是区间,编码越长越精确,但不可能解码出完全一致的地址。

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geohash的应用:附近地址搜索 geohash的最大用途就是附近地址搜索了。不过,从geohash的编码算法中可以看出它的一个缺点:位于格子边界两侧的两点, 虽然十分接近,但编码会完全不同。实际应用中,可以同时搜索当前格子周围的8个格子,即可解决这个问题。以geohash的python库为例,相关的geohash操作如下:

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>>> import geohash>>> geohash.encode(39.92324, 116.3906, 5)  # 编码,5表示编码长度'wx4g0'>>> geohash.expand('wx4g0')                # 求wx4g0格子及周围8个格子的编码['wx4ep', 'wx4g1', 'wx4er', 'wx4g2', 'wx4g3', 'wx4dz', 'wx4fb', 'wx4fc', 'wx4g0']

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最后,我们来看看本文开头提出的两个问题:速度慢,缓存命中率低。使用geohash查询附近地点,用的是字符串前缀匹配:SELECT * FROM place WHERE geohash LIKE 'wx4g0%';而前缀匹配可以利用geohash列上的索引,因此查询速度不会太慢。另外,即使用户坐标发生微小的变化, 也能编码成相同的geohash,这就保证了每次执行相同的SQL语句,使得缓存命中率大大提高。

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