MySQL GIS：ST_WITHIN与ST_CONTAINS点与多边形空间关系判断详解
大家好，今天我们来深入探讨MySQL的GIS功能，特别是如何利用ST_WITHIN和ST_CONTAINS函数进行点与多边形的空间关系判断。 理解这些函数对于开发涉及地理位置信息的应用至关重要，例如地理围栏、区域搜索等。
1. GIS基础概念回顾
在深入探讨具体函数之前，我们需要先回顾一些GIS的基础概念。
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几何对象 (Geometry): 在GIS中，几何对象代表现实世界中的空间实体。 常见的几何对象包括点 (Point)、线 (LineString)、多边形 (Polygon) 等。
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空间参考系统 (Spatial Reference System – SRS): 定义了地理坐标与平面坐标之间的转换关系。 常见的SRS包括WGS 84 (SRID 4326) 和各种投影坐标系。
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Well-Known Text (WKT): 一种用于表示几何对象的文本格式。 例如，一个点的WKT表示为
POINT(经度 纬度)，一个多边形的WKT表示为POLYGON((经度1 纬度1, 经度2 纬度2, ... , 经度1 纬度1))。 -
Well-Known Binary (WKB): 一种用于表示几何对象的二进制格式。 MySQL内部使用WKB格式存储空间数据。
2. MySQL GIS环境搭建
在使用MySQL GIS功能之前，需要确保MySQL服务器支持GIS，并且相应的空间函数已经启用。
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检查GIS支持:
SHOW VARIABLES LIKE 'have_geometry';如果
Value为YES，则表示MySQL支持GIS功能。 -
启用空间索引 (可选但强烈建议):
空间索引可以显著提高空间查询的性能。 创建空间索引需要在表定义中使用
SPATIAL INDEX。
3. ST_WITHIN 函数详解
ST_WITHIN(g1, g2)函数用于判断几何对象g1是否完全位于几何对象g2内部。 换句话说，g1的每一个点都必须位于g2的内部或边界上，且g1不能与g2的外部相交。
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语法:
ST_WITHIN(geometry g1, geometry g2) -
返回值:
如果
g1完全位于g2内部，则返回1；否则返回0。 如果g1或g2为NULL，则返回NULL。 -
示例:
假设我们有一个名为
regions的表，用于存储多边形区域信息，以及一个名为points的表，用于存储点信息。创建表:
CREATE TABLE regions ( id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT, name VARCHAR(255), geom GEOMETRY NOT NULL, SPATIAL INDEX(geom) ); CREATE TABLE points ( id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT, name VARCHAR(255), geom GEOMETRY NOT NULL, SPATIAL INDEX(geom) );插入数据:
-- 插入一个多边形区域 (矩形) INSERT INTO regions (name, geom) VALUES ( 'Region A', ST_GeomFromText('POLYGON((10 10, 20 10, 20 20, 10 20, 10 10))') ); -- 插入一个点，位于区域A内部 INSERT INTO points (name, geom) VALUES ( 'Point 1', ST_GeomFromText('POINT(15 15)') ); -- 插入一个点，位于区域A外部 INSERT INTO points (name, geom) VALUES ( 'Point 2', ST_GeomFromText('POINT(5 5)') ); -- 插入一个点，位于区域A边界上 INSERT INTO points (name, geom) VALUES ( 'Point 3', ST_GeomFromText('POINT(10 10)') );使用
ST_WITHIN查询:-- 查询哪些点位于Region A内部 SELECT p.id, p.name FROM points p, regions r WHERE r.name = 'Region A' AND ST_WITHIN(p.geom, r.geom); -- 查询哪些点位于Region A内部 (另一种写法，更清晰) SELECT p.id, p.name FROM points p WHERE ST_WITHIN(p.geom, (SELECT geom FROM regions WHERE name = 'Region A'));预期结果:
只会返回
Point 1，因为只有它完全位于Region A内部。Point 3位于边界上，也满足ST_WITHIN的条件。 -
需要注意的地方:
ST_WITHIN对参数顺序敏感。ST_WITHIN(point, polygon)和ST_WITHIN(polygon, point)的结果是不同的。 如果点在多边形内部，ST_WITHIN(point, polygon)返回 1，而ST_WITHIN(polygon, point)返回 0。- 如果
g1和g2相等，则ST_WITHIN(g1, g2)返回 0。 - 如果
g1是一个多边形，g2也是一个多边形，且g1完全位于g2内部，则ST_WITHIN(g1, g2)返回 1。
4. ST_CONTAINS 函数详解
ST_CONTAINS(g1, g2)函数用于判断几何对象g1是否包含几何对象g2。 换句话说，g2的每一个点都必须位于g1的内部或边界上，且g2不能与g1的外部相交。 ST_CONTAINS与ST_WITHIN在语义上是相反的。
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语法:
ST_CONTAINS(geometry g1, geometry g2) -
返回值:
如果
g1包含g2，则返回1；否则返回0。 如果g1或g2为NULL，则返回NULL。 -
示例:
继续使用前面创建的
regions和points表。使用
ST_CONTAINS查询:-- 查询Region A包含哪些点 SELECT p.id, p.name FROM regions r, points p WHERE r.name = 'Region A' AND ST_CONTAINS(r.geom, p.geom); -- 查询Region A包含哪些点 (另一种写法，更清晰) SELECT p.id, p.name FROM points p WHERE ST_CONTAINS((SELECT geom FROM regions WHERE name = 'Region A'), p.geom);预期结果:
会返回
Point 1和Point 3，因为Region A包含了Point 1和Point 3。 -
需要注意的地方:
ST_CONTAINS对参数顺序敏感。ST_CONTAINS(polygon, point)和ST_CONTAINS(point, polygon)的结果是不同的。- 如果
g1和g2相等，则ST_CONTAINS(g1, g2)返回 1。 - 如果
g1是一个多边形，g2也是一个多边形，且g1包含g2，则ST_CONTAINS(g1, g2)返回 1。
5. ST_WITHIN 与 ST_CONTAINS 的区别
| 特性 | ST_WITHIN(g1, g2) | ST_CONTAINS(g1, g2) |
|---|---|---|
| 含义 | g1 是否完全位于 g2 内部？ |
g1 是否包含 g2？ |
| 参数顺序 | g1 在前，g2 在后 |
g1 在前，g2 在后 |
| 等价关系 | ST_WITHIN(g1, g2) 等价于 ST_CONTAINS(g2, g1) |
ST_CONTAINS(g1, g2) 等价于 ST_WITHIN(g2, g1) |
| 应用场景 | 判断一个较小的几何对象是否在一个较大的几何对象内部。 例如，判断一个点是否在一个多边形区域内。 | 判断一个较大的几何对象是否包含一个较小的几何对象。 例如，判断一个多边形区域是否包含一个点。 |
简单来说，ST_WITHIN 关注的是 "在…之内"，而 ST_CONTAINS 关注的是 "包含"。 选择哪个函数取决于你的问题描述方式。
6. 更复杂的应用场景
上述示例演示了最基本的点与多边形关系判断。 在实际应用中，情况可能会更复杂，例如：
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多个多边形区域: 需要判断一个点位于多个多边形区域中的哪一个。
SELECT r.id, r.name FROM regions r, points p WHERE p.name = 'Point 1' AND ST_WITHIN(p.geom, r.geom); -
判断一个多边形是否完全位于另一个多边形内部:
-- 假设我们有两个多边形区域 Region A 和 Region B -- 判断 Region B 是否完全位于 Region A 内部 SELECT ST_WITHIN( (SELECT geom FROM regions WHERE name = 'Region B'), (SELECT geom FROM regions WHERE name = 'Region A') ); -
结合其他空间函数: 例如，结合
ST_DISTANCE函数，找出距离某个点最近的区域，并且该点位于该区域内部。SELECT r.id, r.name, ST_DISTANCE(p.geom, r.geom) AS distance FROM regions r, points p WHERE p.name = 'Point 1' AND ST_WITHIN(p.geom, r.geom) ORDER BY distance LIMIT 1; -
使用空间索引优化查询: 确保在
regions表和points表的geom列上创建了空间索引，以便提高查询效率。
7. 空间参考系统 (SRID) 的重要性
在进行空间计算时，务必确保所有几何对象都使用相同的空间参考系统 (SRID)。 否则，计算结果可能会不准确甚至错误。
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设置 SRID: 可以在创建几何对象时指定 SRID。 例如：
INSERT INTO regions (name, geom) VALUES ( 'Region A', ST_GeomFromText('POLYGON((10 10, 20 10, 20 20, 10 20, 10 10))', 4326) -- 指定 SRID 为 4326 (WGS 84) ); -
转换 SRID: 可以使用
ST_Transform函数将几何对象从一个 SRID 转换为另一个 SRID。 例如：SELECT ST_AsText(ST_Transform(geom, 3857)) FROM regions WHERE name = 'Region A'; -- 将Region A的几何对象转换为SRID 3857 (Web Mercator) -
检查 SRID: 可以使用
ST_SRID函数获取几何对象的 SRID。 例如：SELECT ST_SRID(geom) FROM regions WHERE name = 'Region A';
8. 使用其他函数进行补充判断
ST_WITHIN和ST_CONTAINS是最常用的空间关系判断函数，但有时需要结合其他函数进行更精确的判断。
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ST_INTERSECTS(g1, g2): 判断几何对象
g1和g2是否相交。 如果它们有任何公共部分（即使只是一个点），则返回1，否则返回0。 -
ST_DISJOINT(g1, g2): 判断几何对象
g1和g2是否不相交。 如果它们没有任何公共部分，则返回1，否则返回0。 -
ST_TOUCHES(g1, g2): 判断几何对象
g1和g2是否仅在边界上相交。
使用这些函数可以更灵活地处理各种复杂的空间关系判断场景。
9. 性能优化技巧
空间查询的性能可能成为一个瓶颈，尤其是在处理大量数据时。 以下是一些性能优化技巧：
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使用空间索引: 这是最重要的优化手段。 确保在所有用于空间查询的几何列上创建了空间索引。
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限制结果集大小: 只查询需要的字段，并使用
LIMIT子句限制返回的结果集大小。 -
避免复杂的空间计算: 尽量简化空间计算，例如避免不必要的 SRID 转换。
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使用
EXPLAIN分析查询: 使用EXPLAIN命令分析查询的执行计划，找出潜在的性能瓶颈。 -
调整 MySQL 配置: 根据实际情况调整 MySQL 的配置参数，例如
innodb_buffer_pool_size。
10. 空间数据可视化
虽然 MySQL 存储了空间数据，但通常需要使用专门的GIS软件或Web地图库来可视化这些数据。 常见的选择包括：
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QGIS: 一个强大的开源GIS桌面软件。
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GeoServer: 一个开源的GIS服务器，可以将空间数据发布为各种Web地图服务 (WMS, WFS, etc.)。
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Leaflet: 一个轻量级的开源JavaScript库，用于创建交互式Web地图。
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OpenLayers: 另一个流行的开源JavaScript库，功能更强大，但学习曲线也更陡峭。
通过这些工具，可以将MySQL中的空间数据以地图的形式展示出来，方便用户进行浏览和分析。
11. 空间数据导入与导出
在实际应用中，通常需要从其他来源导入空间数据，或者将MySQL中的空间数据导出到其他格式。 常见的空间数据格式包括：
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Shapefile: 一种流行的地理空间数据格式，由 Esri 开发。
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GeoJSON: 一种基于JSON的地理空间数据格式，易于阅读和解析。
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KML/KMZ: 一种用于在Google Earth和其他地理浏览器中显示地理数据的格式。
可以使用各种工具和库来导入和导出这些格式的数据，例如：
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ogr2ogr: 一个强大的命令行工具，可以进行各种空间数据格式之间的转换。 它是GDAL/OGR库的一部分。
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Python GIS库 (e.g., GeoPandas, Shapely): 可以使用Python的GIS库来读取、写入和处理空间数据。
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MySQL Workbench: MySQL Workbench也提供了一些导入和导出空间数据的功能。
12. 关于点和多边形空间关系判断的总结
本篇文章深入探讨了MySQL GIS中ST_WITHIN和ST_CONTAINS函数的使用方法，以及它们之间的区别。掌握这些函数对于进行点与多边形的空间关系判断至关重要，可以应用于各种地理位置相关的应用场景。同时，我们还讨论了空间索引、SRID、性能优化以及空间数据可视化等方面，希望能够帮助大家更好地理解和应用MySQL GIS功能。