解锁空间距离计算的多种方式-含前端、空间数据库、后端

2024-10-16 前端 0

前言

一、空间数据库求解

1、PostGIS实现

二、GIS前端组件求解

1、Leaflet.js距离测算

2、Turf.js前端计算

三、后台距离计算生成

1、欧式距离

2、Haversice球面距离

3、GeoTools距离计算

4、Gdal距离生成

5、geodesy距离计算

四、成果与生成对比

1、Java不同生成方法对比

2、各种生成方式对比

五、总结

前言

空间距离是指物体在空间中的位置之间的距离，通常用来描述物体之间的相对位置关系。在日常生活中，我们经常使用距离来描述物体的位置关系，比如在行驶中使用路程来描述两个地点之间的距离，或者在导航中使用地图上的距离来指引行驶方向。在物理学和数学中，距离是一个重要的概念，它被用来描述空间中的位置关系，衡量物体之间的远近。空间距离的研究对于理解物体的位置关系、运动轨迹、引力场等具有重要的意义。下面是在某地图软件中，使用测距的方式直接量算的长度示例。

在地理世界中，在导航系统中，物流系统中，旅游景点等应用。距离这个概念更是非常常见的，比如在导航系统中，从家到某商场的距离；在快递物流行业中，我们从浙江义乌的小商品城购买一件物品，然后邮寄到家；还可能我们计划出门旅游，那么我们想知道家到目的地的实际距离有多远等等场景，都是非常具有代表性的距离求解和应用场景。

伴随着生活的不断进步，在我们的生活中，我们会应用更多距离计算。作为一位GIS开发者，距离是空间分析中最简单的一种类型。本文将详细的讲解各种不同位置距离计算方法，首先讲解使用空间数据库的直接求解办法，其次介绍在前端组件如Leaflet.js、Turf.js等组件中进行求解的办法，然后基于Java语言讲解后端的详细计算方法，包括Java直接求解、GeoTools计算、geodesy距离计算、欧式距离计算、GDAL空间计算等不同的方法，最后对比不同的计算方法得到的结果，为大家对距离的计算有更多的掌握和了解。

一、空间数据库求解

在进行空间距离求解时，我们这里假定一种场景。比如以共享单车为例，需要计算从起始点到结束点的距离，这里涉及到两个信息，也就是已知两个经纬度坐标点，即： $p_{1}/left (x_{1},y_{1} /right )$ 和，在给定两个包含经纬度坐标的点后，我们来求解其距离。我们计算从某公园的一角到地铁站的距离，首先我们在地图上将这个点标记出来，得到这两点的实际经纬度。实现方法是在Leaflet中绑定点击事件，然后在点击事件中输出具体的坐标。

%20

在地图上标记出两个位置，得到需要计算的两个点的具体经纬度信息： $p_{1}/left (112.867699, 28.194674 /right )$ 和。表示起点，表示目的地。后续的计算均以这两个坐标点为起始位置。

%201、PostGIS实现%20

为了简单起见，这里的空间数据库实现，我们采用PostGIS来进行开发数据库。当然在实际开发过程中，除了可以选择PostGIS数据库，还可以选择其它的空间数据库，比如MySQL或者Oracle%20SDE等。在PostGIS数据库中，我们可以使用ST_Distance()和ST_GeomFromText()进行查询，首先使用ST_GeomFromText()将字符串转换为Geography，然后再使用ST_Distance()来进行记录求解，请注意，在进行求解时，务必保证安装PostGIS扩展。

%20

SELECT	ST_Distance%20(%20%20%20%20%20ST_GeomFromText%20(%20'POINT(112.867699%2028.194674)',%204326%20)%20::%20geography,%20	ST_GeomFromText%20(%20'POINT(112.876024%2028.189038)',%204326%20)%20::%20geography%20)%20AS%20distance;

%20

这里选择将geometry转换为geography字段是为了将输出的结果转换为常见的距离单位，米。在postgis中，会自动根据不同的投影类型来得到距离结果，如果用4326的参考系，得到的结果将是度。在PostGIS中使用空间数据库的方式的消耗时间大约是：3毫秒，两点间的测算距离是1028.7251米。速度也是非常快的。

二、GIS前端组件求解

在介绍完空间数据库的求解模式后。接下来我们介绍一下基于WebGIS的前端组件求解方式。这种解决方式比较适用于以前端为主的应用中，不需要数据库的支持。常见的WebGIS前端组件也有许多，二维常见的有Leaflet、OpenLayers等，三维有Cesium等。这里我们已Leaflet为例，同时讲解在Turf.js中是如何实现的。

1、Leaflet.js距离测算

首先来看一下再Leaflet.js中进行距离的计算，得到的结果是多少。首先我们需要在页面中引用到Leaflet.js，可以是本地的离线资源，也可以是在线资源。可以直接使用Leaflet.js的相关API来进行。关键代码如下：

let latlng1 = L.latLng(28.194674, 112.867699);// 第二个点let latlng2 = L.latLng(28.189038, 112.876024);// 计算两点之间的距离let distance = latlng1.distanceTo(latlng2);

使用Leaflet的距离求解方法得到的距离是：1028.79098米，耗时5毫秒。

2、Turf.js前端计算

Turf.js也是一款在WebGIS系统开发当中很常见的前端计算框架，在之前的一些博客中曾经做了比较详细的介绍，关于turf.js，它就像一个宝藏一样，值得我们去学习研究，发现更多的实用功能。turf可以和Leaflet或者openLayers，cesium等配合使用。这里重点讲解如何使用Turf.js来进行距离运算。关键代码如下：

var from = turf.point([112.867699,28.194674]);var to = turf.point([112.876024,28.189038]);var options = { units: "meters" };//设置单位为米var distance = turf.distance(from, to, options);//求解计算

使用Turf.js的距离求解方法得到的距离是：1028.7924米，耗时4毫秒。

三、后台距离计算生成

在了解空间数据库生成和WebGIS前端组件生成方式之后，我们来看一下如何使用后台服务的生成方式。这里以Java开发语言为例，主要介绍如何使用Java来进行不同的距离进行生成。包括但不限于欧式距离、球面距离、GeoTools距离生成、Gdal距离生成、Geodesy距离生成等。

1、欧式距离

欧式距离（Euclidean distance）是最直接距离度量方式，用于计算两个点在欧几里得空间中的直线距离，如果有两个点： $p_{1}/left ( x_{1},y_{1} /right )$ 和在二维空间中，它们之间的欧式距离d%20可以通过下面的公式来计算：

%20

%20 根据上面的公式定义，可以直接使用Java原始的计算方式来计算，关键代码如下所示：

%20

/***%20计算两点的欧式距离*%20@param%20p0%20%20起始点*%20@param%20p1%20结束点*%20@return*/public%20static%20double%20calculateEuclideanDistance(Coordinate%20p0,%20Coordinate%20p1)%20{%20%20%20%20Long%20start%20=%20System.currentTimeMillis();%20%20%20%20double%20result%20=%20Math.sqrt(Math.pow(p1.x%20-%20p0.x,%202)%20+%20Math.pow(p1.y%20-%20p0.y,%202));%20%20%20%20Long%20end=%20System.currentTimeMillis();%20%20%20%20System.out.println("计算耗时："%20+%20(%20end%20-%20start)%20%20+%20"毫秒");%20%20%20%20return%20result;%20}

%202、Haversice球面距离%20 Haversice公式，通过两点计算大圆距离，（即球面上两点的最短距离），Haversice的数学表达：设两点的经纬度分别为（lat1，lon1）和（lat2，lon2），其中经度和纬度以弧度为单位。地球的平均半径R约为6371公里。Haversice的计算步骤为：

%20 首先将经纬度从度数转换为弧度（考虑曲率）。lat1,lon1,lat2,lon2%20->rad。然后计算经度和纬度的差值，以及,最后使用下面的公式计算距离：

%20

%20d=R%20*%20c

%20 在上面的公式中，d表示两点间的距离。将上述公式转换为代码后如下所示：

%20

/**%20*%20计算两个位置的球面距离%20*%20@param%20p0%20起始点%20*%20@param%20p1%20目标点%20*%20@return%20*/public%20static%20double%20calculateHaversineDistance(Coordinate%20p0,%20Coordinate%20p1)%20{%20%20%20Long%20start%20=%20System.currentTimeMillis();%20%20%20double%20radLat1%20=%20Math.toRadians(p0.x);%20%20%20double%20radLon1%20=%20Math.toRadians(p0.y);%20%20%20double%20radLat2%20=%20Math.toRadians(p1.x);%20%20%20double%20radLon2%20=%20Math.toRadians(p1.y);%20%20%20double%20deltaLat%20=%20radLat2%20-%20radLat1;%20%20%20double%20deltaLon%20=%20radLon2%20-%20radLon1;%20%20%20double%20a%20=%20Math.pow(Math.sin(deltaLat%20/%202),%202)%20+%20%20Math.cos(radLat1)%20*%20Math.cos(radLat2)%20*%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20Math.pow(Math.sin(deltaLon%20/%202),%202);%20%20%20double%20c%20=%202%20*%20Math.atan2(Math.sqrt(a),%20Math.sqrt(1%20-%20a));%20%20%20double%20distance%20=%20EARTH_RADIUS%20*%20c;%20%20%20Long%20end=%20System.currentTimeMillis();%20%20%20System.out.println("计算耗时："%20+%20(%20end%20-%20start)%20%20+%20"毫秒");%20%20%20return%20distance;}

%203、GeoTools距离计算%20

我们可以直接利用GeoTools来直接进行距离的计算，它以API的方式直接提供调用，这里我们不深入核心的计算方法，具体大家可以深入源码去看。示例的关键代码如下：

%20

/***%20使用Geotools来求解距离使用WGS84参考系*%20@param%20p0%20起始点*%20@param%20p1%20目标点*%20@return*/public%20static%20double%20geoToolsDistanceWithWgs84Crs(Coordinate%20p0,%20Coordinate%20p1)%20{	Long%20start%20=%20System.currentTimeMillis();	//%2084坐标系构造GeodeticCalculator%20%20%20%20GeodeticCalculator%20geodeticCalculator%20=%20new%20GeodeticCalculator(DefaultGeographicCRS.WGS84);%20%20%20%20//%20起点经纬度%20%20%20%20geodeticCalculator.setStartingGeographicPoint(p0.x,%20p0.y);%20%20%20%20//%20末点经纬度%20%20%20%20geodeticCalculator.setDestinationGeographicPoint(p1.x,%20p1.y);%20%20%20%20//%20计算距离，单位：米%20%20%20%20double%20result%20=%20geodeticCalculator.getOrthodromicDistance();%20%20%20%20Long%20end=%20System.currentTimeMillis();%20%20%20%20System.out.println("计算耗时："%20+%20(%20end%20-%20start)%20+%20"毫秒");%20%20%20%20return%20result;%20}

%204、Gdal距离生成%20

与GeoTools类似，在Java开发当中，除了可以使用GeoTools中进行距离计算。Gdal也是同样可以进行距离计算的。

%20

%20/**%20%20*%20使用gdal来计算两个点距离%20%20*%20@param%20p0%20起始点%20%20*%20@param%20p1%20目标点%20%20*%20@return%20%20*/%20public%20static%20double%20calculateGdalDistance(Coordinate%20p0,%20Coordinate%20p1)%20{%20%20%20%20Long%20start%20=%20System.currentTimeMillis();%20%20%20%20//%20注册所有的GDAL驱动%20%20%20%20gdal.AllRegister();%20%20%20%20//%20创建两个点的几何对象%20%20%20%20Geometry%20point1%20=%20ogr.CreateGeometryFromWkt("POINT%20("+%20p0.y+"%20"+p0.x+")");%20%20%20%20Geometry%20point2%20=%20ogr.CreateGeometryFromWkt("POINT%20("+%20p1.y+"%20"+p1.x+")");%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20//%20创建空间参考对象%20%20%20%20SpatialReference%20srs%20=%20new%20SpatialReference();%20%20%20%20//%20导入WGS84坐标系的EPSG代码%20%20%20%20srs.ImportFromEPSG(4326);%20%20%20%20//%20为几何对象设置空间参考%20%20%20%20point1.AssignSpatialReference(srs);%20%20%20%20point2.AssignSpatialReference(srs);%20%20%20%20//%20计算两个点之间的距离%20%20%20%20double%20distance%20=%20point1.Distance(point2);%20%20%20%20//%20输出距离，注意GDAL返回的距离单位可能与坐标系单位不同，需要根据实际情况转换%20%20%20%20System.out.println("Distance:%20"%20+%20distance);%20%20%20%20Long%20end=%20System.currentTimeMillis();%20%20%20%20System.out.println("计算耗时："%20+%20(%20end%20-%20start)%20%20+%20"毫秒");%20%20%20%20return%20distance;}

%20 %205、geodesy距离计算%20

与Gdal与GeoTools不同，geodesy是一个轻量级的地理分析和处理框架。因此我们可以可以使用geodesy来进行距离的计算，关键计算过程如下所示：

%20

/**%20*%20使用geodesy来计算两个点距离%20*%20@param%20p0%20起始点%20*%20@param%20p1%20目标点%20*%20@return%20*/%20public%20static%20double%20calculateGeodesyDistance(Coordinate%20p0,%20Coordinate%20p1)%20{%20%20%20%20Long%20start%20=%20System.currentTimeMillis();%20%20%20%20//创建GeodeticCalculator，调用计算方法，传入坐标系、经纬度用于计算距离%20%20%20%20GeodeticCurve%20geoCurve%20=%20new%20org.gavaghan.geodesy.GeodeticCalculator().calculateGeodeticCurve(%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20Ellipsoid.WGS84,%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20new%20GlobalCoordinates(p0.x,%20p0.y),%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20new%20GlobalCoordinates(p1.x,%20p1.y)%20%20%20%20);%20%20%20%20double%20result%20=%20geoCurve.getEllipsoidalDistance();%20%20%20%20Long%20end=%20System.currentTimeMillis();%20%20%20%20System.out.println("计算耗时："%20+%20(%20end%20-%20start)%20%20+%20"毫秒");%20%20%20%20return%20result;}

%20 以上就是5种使用java生成距离的方式，通过以上的代码均可生成距离。

%20四、成果与生成对比%20

这里将对生成的距离成果与不同的生成方式进行对比，方便大家对结果和生成过程有一个具体的认识。

%201、Java不同生成方法对比%20

我们以Junit代码为例，分别调用上述的代码，用来计算两个点的距离和生成时间。代码如下：

%20

@Testpublic%20void%20testGeoToolsDis()%20{	Coordinate%20coord1%20=%20new%20Coordinate(112.867699,%2028.194674);%20//出发的位置%20%20%20%20Coordinate%20coord2%20=%20new%20Coordinate(112.876024,%2028.189038);%20//%20到达的经纬度%20%20%20%20%20double%20distance%20=%20geoToolsDistanceWithDefaultCrs(coord1,%20coord2);%20%20%20%20System.out.println("geotools%20Distance%20no%20crs:%20"%20+%20distance%20+%20"%20meters");%20%20%20%20System.out.println("********************************************");%20%20%20%20distance%20=%20geoToolsDistanceWithWgs84Crs(coord1,coord2);%20%20%20%20System.out.println("geotools%20Distance%20crs:%20"%20+%20distance%20+%20"%20meters");%20%20%20%20System.out.println("********************************************");%20%20%20%20double%20distance1%20=%20calculateEuclideanDistance(coord1,coord2);%20%20%20%20System.out.println("欧式距离(度)："%20+%20distance1);%20%20%20%20distance%20=%20distance1%20*%20EARTH_RADIUS%20*%20Math.PI%20/%20180%20*%201000;%20%20%20%20System.out.println("欧式距离(米）："%20+%20distance%20+%20"%20meters");%20%20%20%20System.out.println("********************************************");%20%20%20%20distance%20=%20calculateHaversineDistance(coord1,coord2)%20*%201000;%20%20%20%20System.out.println("球面距离：Haversine%20Distance:%20"%20+%20distance%20+%20"%20meters");%20%20%20%20System.out.println("********************************************");%20%20%20%20distance%20=%20calculateGeodesyDistance(coord1,coord2);%20%20%20%20System.out.println("Geodesy%20Distance:%20"%20+%20distance%20+%20"%20meters");%20%20%20%20System.out.println("********************************************");%20%20%20%20distance%20=%20calculateGdalDistance(coord1,coord2);%20%20%20%20distance%20=%20distance%20*%20EARTH_RADIUS%20*%20Math.PI%20/%20180%20*%201000;%20%20%20%20System.out.println("Gdal%20Distance:%20"%20+%20distance%20+%20"%20meters");}

%20

可以控制台看到以下的输出：

%20

计算耗时：230毫秒geotools%20Distance%20no%20crs:%201028.725087712003%20meters********************************************计算耗时：1790毫秒geotools%20Distance%20crs:%201028.725087712003%20meters********************************************计算耗时：0毫秒欧式距离(度)：0.010053363665956643欧式距离(米）：1119.1353240538915%20meters********************************************计算耗时：0毫秒球面距离：Haversine%20Distance:%20958.2800850973537%20meters********************************************计算耗时：5毫秒Geodesy%20Distance:%20960.1006447758463%20meters********************************************Distance:%200.010053363665956643计算耗时：336毫秒Gdal%20Distance:%201119.1353240538915%20meters

%20

请注意，在上面的计算过程中，使用欧式距离是，首先生成出来的是度，而不是我们的预期米。因此需要进行转换。转换代码可以参考上面的示例代码。

%202、各种生成方式对比%20

这里将提供两种数据结果对比，第一种是提供表格的形式，第二种是提供图表的形式。如下表所示：

%20序号生成方式生成距离（米）耗时（毫秒）1PostGIS数据库1028.7250832Leaflet.js1028.7909853Turf.js1028.792444GeoTools%20no%20Crs1028.7250872305GeoTools%20with%20Crs1028.72508717906欧式距离1119.13532接近07Haversine距离958.28008接近08Geodesy960.1006459Gdal%20距离1119.13532336%20

将上面的各种距离生成结果使用图表的形式来展示，如下所示：

%20

五、总结

以上就是本文的主要内容，本文将详细的讲解各种不同位置距离计算方法，首先讲解使用空间数据库的直接求解办法，其次介绍在前端组件如Leaflet.js、Turf.js等组件中进行求解的办法，然后基于Java语言讲解后端的详细计算方法，包括Java直接求解、GeoTools计算、geodesy距离计算、欧式距离计算、GDAL空间计算等不同的方法，最后对比不同的计算方法得到的结果，为大家对距离的计算有更多的掌握和了解。行文仓促，定有许多不足之处，如有不足，还请各位专家博主在评论区留言指出，不胜感激。

# 上一篇：前端HTML转word文档，绝对有效！！！

# 下一篇：【前端】Node.js使用教程