MySQL高级函数之：`ST_IsValid()`：其在校验几何图形有效性时的应用。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

MySQL高级函数之：`ST_IsValid()`：几何图形有效性校验的应用

大家好，今天我们来深入探讨MySQL空间扩展中的一个重要函数：ST_IsValid()。这个函数用于判断几何图形的有效性，是进行空间数据处理和分析的基础。一个无效的几何图形可能会导致各种问题，例如错误的空间计算、索引失效，甚至程序崩溃。因此，了解并正确使用ST_IsValid()至关重要。

1. 几何图形有效性的概念

在深入了解ST_IsValid()之前，我们需要明确几何图形有效性的概念。一个有效的几何图形必须满足一系列的规则，这些规则取决于几何图形的类型。一般来说，有效性规则包括以下几个方面：

自相交： 几何图形不能与其自身相交（除非是闭合的）。
闭合性： 对于某些几何图形类型（如多边形），必须是闭合的。
方向性： 对于某些几何图形类型，方向（顺时针或逆时针）可能很重要。
重叠： 多边形的环不能重叠。
点序： 组成几何图形的点的顺序必须符合特定的规则。
空几何： 空几何对象是有效的，除非另有说明。

例如，一个有效的多边形必须是闭合的，不能自相交，并且其环不能重叠。一个有效的线串不能自相交。一个有效的点必须至少有一个坐标。

2. `ST_IsValid()` 函数的语法和用法

ST_IsValid()函数接受一个几何图形作为输入，并返回一个布尔值：1表示有效，0表示无效。

语法：

ST_IsValid(g geometry)

其中，g是要检查有效性的几何图形。

用法示例：

SELECT ST_IsValid(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 1 0, 1 1, 0 1, 0 0))')); -- 返回 1 (有效)
SELECT ST_IsValid(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 1 0, 1 1, 0 0, 0 1))')); -- 返回 0 (无效，非闭合)
SELECT ST_IsValid(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 1 0, 1 1, 0 1, 0 0), (0.2 0.2, 0.2 0.8, 0.8 0.8, 0.8 0.2, 0.2 0.2))')); -- 返回 1 (有效，带内环)
SELECT ST_IsValid(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 1 0, 1 1, 0 1, 0 0), (0.2 0.2, 0.2 0.8, 0.8 0.8, 0.8 0.2, 0.3 0.3))')); -- 返回 0 (无效，内环非闭合)
SELECT ST_IsValid(ST_GeomFromText('LINESTRING(0 0, 1 1, 0 1, 1 0)')); -- 返回 1 (有效，线串)
SELECT ST_IsValid(ST_GeomFromText('LINESTRING(0 0, 1 1, 0 0)')); -- 返回 1 (有效，线串)
SELECT ST_IsValid(ST_GeomFromText('POINT(1 1)')); -- 返回 1 (有效，点)
SELECT ST_IsValid(ST_GeomFromText('POINT EMPTY')); -- 返回 1 (有效，空点)

3. 常见无效几何图形的例子

以下是一些常见的无效几何图形的例子，以及使用ST_IsValid()检测它们的方法：

几何类型	无效原因	示例	`ST_IsValid()` 返回值
多边形	非闭合	`POLYGON((0 0, 1 0, 1 1, 0 1))`	0
多边形	自相交	`POLYGON((0 0, 2 0, 1 1, 2 2, 0 2, 1 1, 0 0))`	0
多边形	内环与外环相交	`POLYGON((0 0, 10 0, 10 10, 0 10, 0 0), (1 1, 1 9, 9 9, 9 1, 1 1))` (内环和外环共享边)	0
多边形	内环自相交	`POLYGON((0 0, 10 0, 10 10, 0 10, 0 0), (1 1, 3 1, 2 2, 3 3, 1 3, 2 2, 1 1))` (内环自相交)	0
线串	自相交（如果应用场景不允许）	`LINESTRING(0 0, 1 1, 0 1, 1 0)`	1 (默认,取决于具体的SRID和应用场景)
多点	包含重复点（取决于应用场景，可能有效也可能无效）	`MULTIPOINT((0 0), (1 1), (0 0))`	1 (默认,取决于具体的SRID和应用场景)

代码示例:

SELECT ST_IsValid(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 1 0, 1 1, 0 1))')); -- 非闭合, 返回 0
SELECT ST_IsValid(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 2 0, 1 1, 2 2, 0 2, 1 1, 0 0))')); -- 自相交, 返回 0
SELECT ST_IsValid(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 10 0, 10 10, 0 10, 0 0), (1 1, 1 9, 9 9, 9 1, 1 1))')); -- 内环和外环共享边, 返回 0
SELECT ST_IsValid(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 10 0, 10 10, 0 10, 0 0), (1 1, 3 1, 2 2, 3 3, 1 3, 2 2, 1 1))')); -- 内环自相交, 返回 0
SELECT ST_IsValid(ST_GeomFromText('LINESTRING(0 0, 1 1, 0 1, 1 0)')); -- 自相交, 返回 1 (默认)
SELECT ST_IsValid(ST_GeomFromText('MULTIPOINT((0 0), (1 1), (0 0))')); -- 重复点, 返回 1 (默认)

注意： ST_IsValid()的行为可能受到空间参考系统（SRID）的影响。不同的SRID可能对几何图形的有效性有不同的要求。此外，MySQL的版本也可能影响ST_IsValid()的行为。在实际应用中，需要仔细测试，以确保其行为符合预期。

4. 使用`ST_IsValid()`进行数据清洗和验证

ST_IsValid()的一个主要应用是数据清洗和验证。在将空间数据导入数据库之前，或者在用户输入空间数据时，可以使用ST_IsValid()来检查数据的有效性。如果数据无效，可以拒绝导入或者提示用户进行修改。

示例：

假设我们有一个名为buildings的表，其中包含一个geometry类型的列shape。我们可以使用以下SQL语句来查找所有无效的几何图形：

SELECT id, shape
FROM buildings
WHERE ST_IsValid(shape) = 0;

找到无效几何图形后，我们可以采取以下措施：

删除无效数据： 如果无效数据不重要，可以直接删除。
修复无效数据： 可以使用其他空间函数（如ST_MakeValid())尝试修复无效数据。
通知数据提供者： 如果数据来自外部来源，可以通知数据提供者修正数据。

使用ST_MakeValid()尝试修复:

ST_MakeValid()尝试将一个无效的几何图形转换为有效的几何图形。但是请注意， ST_MakeValid()函数并不总是能够成功修复所有的无效几何图形。其行为取决于几何图形的类型和无效的原因。对于某些类型的无效几何图形，ST_MakeValid()可能会返回一个空的几何图形。对于另一些类型的无效几何图形，ST_MakeValid()可能会返回一个近似的有效几何图形。

UPDATE buildings
SET shape = ST_MakeValid(shape)
WHERE ST_IsValid(shape) = 0;

-- 再次检查是否还有无效的几何图形
SELECT id, shape
FROM buildings
WHERE ST_IsValid(shape) = 0;

数据验证示例：

在应用程序中，可以在用户提交空间数据之前，使用ST_IsValid()进行验证。例如，在Web应用程序中，可以使用JavaScript库（如Leaflet或OpenLayers）来绘制几何图形，然后将几何图形的WKT表示发送到服务器。在服务器端，可以使用ST_GeomFromText()将WKT转换为几何图形，然后使用ST_IsValid()进行验证。

# Python示例 (使用SQLAlchemy)
from sqlalchemy import create_engine, Column, Integer
from sqlalchemy.ext.declarative import declarative_base
from sqlalchemy.orm import sessionmaker
from geoalchemy2 import Geometry
from geoalchemy2.functions import ST_GeomFromText, ST_IsValid

Base = declarative_base()

class Building(Base):
    __tablename__ = 'buildings'
    id = Column(Integer, primary_key=True)
    shape = Column(Geometry('POLYGON'))

engine = create_engine('mysql+pymysql://user:password@host/database')
Base.metadata.create_all(engine)

Session = sessionmaker(bind=engine)
session = Session()

# 从用户输入获取WKT
wkt = 'POLYGON((0 0, 1 0, 1 1, 0 1))'  # 一个无效的多边形

# 创建一个Building对象
building = Building(shape=ST_GeomFromText(wkt, srid=4326)) # 假设SRID为4326

# 使用ST_IsValid()进行验证
is_valid = session.query(ST_IsValid(building.shape)).scalar()

if is_valid:
    print("几何图形有效")
    session.add(building)
    session.commit()
else:
    print("几何图形无效")

session.close()

5. `ST_IsValid()` 与 SRID

空间参考系统（SRID）对ST_IsValid()的评估结果有重要影响。不同的SRID定义了不同的坐标系和单位，这会影响几何图形的有效性。例如，在地理坐标系（如WGS 84，SRID 4326）中，一个多边形的坐标可能需要在一定的经纬度范围内，而在投影坐标系中，则没有这样的限制。

此外，某些SRID可能对几何图形的有效性有更严格的要求。例如，某些SRID可能要求多边形的环必须是逆时针方向，而另一些SRID可能没有这样的要求。

因此，在使用ST_IsValid()时，务必确保几何图形的SRID是正确的，并且了解该SRID对几何图形有效性的影响。

示例：

-- 创建一个表，包含一个geometry类型的列，并指定SRID为4326
CREATE TABLE my_geometries (
    id INT PRIMARY KEY,
    geom GEOMETRY SRID 4326
);

-- 插入一个无效的多边形（非闭合）
INSERT INTO my_geometries (id, geom) VALUES (1, ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 1 0, 1 1, 0 1))', 4326));

-- 检查几何图形的有效性
SELECT id, ST_IsValid(geom) FROM my_geometries; -- 返回 0

-- 插入一个有效的点
INSERT INTO my_geometries (id, geom) VALUES (2, ST_GeomFromText('POINT(1 1)', 4326));

-- 检查几何图形的有效性
SELECT id, ST_IsValid(geom) FROM my_geometries; -- 返回 1

6. `ST_IsValidReason()` 函数

MySQL 8.0.16引入了ST_IsValidReason()函数，该函数返回一个字符串，描述了几何图形无效的原因。这对于调试和修复无效几何图形非常有用。

语法：

ST_IsValidReason(g geometry)

用法示例：

SELECT ST_IsValidReason(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 1 0, 1 1, 0 1))')); -- 返回 'Self-intersection[0 0]' (或其他错误信息，取决于MySQL版本)
SELECT ST_IsValidReason(ST_GeomFromText('POLYGON((0 0, 1 0, 1 1, 0 1, 0 0))')); -- 返回 NULL (有效)

与ST_IsValid()结合使用：

SELECT id, shape, ST_IsValidReason(shape)
FROM buildings
WHERE ST_IsValid(shape) = 0;

此查询将返回所有无效几何图形的ID、形状和无效原因。

7. 性能考量

ST_IsValid()函数可能会对性能产生影响，尤其是在处理大量数据时。因此，在使用ST_IsValid()时，需要考虑以下几点：

索引： 如果经常需要使用ST_IsValid()进行查询，可以考虑在几何图形列上创建空间索引。空间索引可以加速空间查询，包括ST_IsValid()。
数据量： 如果数据量非常大，可以考虑分批处理数据，或者使用并行处理技术来提高性能。
简化几何图形： 如果几何图形非常复杂，可以考虑对其进行简化，以减少ST_IsValid()的计算量。可以使用ST_Simplify()函数来简化几何图形。

空间索引示例：

CREATE SPATIAL INDEX buildings_shape_index ON buildings (shape);

简化几何图形示例：

UPDATE buildings
SET shape = ST_Simplify(shape, 0.01); -- 将几何图形简化到0.01的容差

8. 其他相关的函数

除了ST_IsValid()和ST_IsValidReason()之外，MySQL还提供了一些其他与几何图形有效性相关的函数：

ST_MakeValid(): 尝试将无效的几何图形转换为有效的几何图形。
ST_IsSimple(): 检查几何图形是否简单（不自相交）。
ST_IsClosed(): 检查线串是否闭合。
ST_NumPoints(): 返回几何图形中的点数。
ST_GeometryType(): 返回几何图形的类型。

了解这些函数可以帮助您更好地处理空间数据。

9. 实际应用场景

GIS系统： 在GIS系统中，ST_IsValid()可以用于验证用户上传的地理数据的有效性，确保数据质量。
位置服务： 在位置服务中，ST_IsValid()可以用于验证地理围栏的有效性，确保围栏区域的正确性。
空间数据库： 在空间数据库中，ST_IsValid()可以用于数据清洗，删除或修复无效的几何图形。
城市规划： 在城市规划中，ST_IsValid()可以用于验证建筑物轮廓线的有效性，确保规划图纸的准确性。

10. 总结

ST_IsValid()函数是MySQL空间扩展中一个强大的工具，用于检查几何图形的有效性。了解几何图形有效性的概念，掌握ST_IsValid()函数的用法，以及了解其他相关的函数，可以帮助您更好地处理空间数据，提高数据质量，避免潜在的问题。使用过程中，注意SRID的影响，性能考量，并且结合ST_IsValidReason()可以更方便的进行问题排查。掌握这些要点，让你在空间数据处理方面更加得心应手。

MySQL高级函数之：ST_IsValid()：几何图形有效性校验的应用

1. 几何图形有效性的概念

2. ST_IsValid() 函数的语法和用法

3. 常见无效几何图形的例子

4. 使用ST_IsValid()进行数据清洗和验证

5. ST_IsValid() 与 SRID

6. ST_IsValidReason() 函数