GeoHash是目前比较主流实现位置服务的技术,用最简洁的Java实现GeoHash算法
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尼古拉斯·诸葛孔明
尼古拉斯·诸葛孔明 增加附近区域Geohash实现说明
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README.md 增加附近区域Geohash实现说明 May 14, 2017

README.md

Geohash

GeoHash是目前比较主流实现位置服务的技术,Geohash算法将经纬度二维数据编码为一个字符串,本质是一个降维的过程,

一个栗子

地点 经纬度 Geohash
鸟巢 116.402843,39.999375 wx4g8c9v
水立方 116.3967,39.99932 wx4g89tk
故宫 116.40382,39.918118 wx4g0ffe

水立方就在鸟巢在附近,距离600米左右,而故宫到鸟巢直线距离9公里左右,体现在Geohash上,鸟巢和水立方的前五位是一样的,而鸟巢和故宫只有前4位是一样的,也就是说Geohash前面相同的越多,两个位置越近,但是反过来说,却不一定正确,这个在后面会详细介绍。

原理

将经纬度转换为Geohash大体可以分为三步曲:

  • 将纬度(-90, 90)平均分成两个区间(-90, 0)、(0, 90),如果坐标位置的纬度值在第一区间,则编码是0,否则编码为1。我们用 39.918118 举例,由于39.918118 属于 (0, 90),所以编码为1,然后我们继续将(0, 90)分成(0, 45)、(45, 90)两个区间,而39.918118 位于(0, 45),所以编码是0,依次类推,我们进行20次拆分,最后计算39.918118 的编码是 10111000110001011011;经度的处理也是类似,只是经度的范围是(-180, 180),116.40382的编码是11010010110001101010
  • 经纬度的编码合并,从0开始,奇数为是纬度,偶数为是经度,得到的编码是1110011101001000111100000011100111001101
  • 对经纬度合并后的编码,进行base32编码,最终得到wx4g0ffe

代码实现

将经纬度转换为二进制编码

    private void convert(double min, double max, double value, List<Character> list) {
        if (list.size() > (length - 1)) {
            return;
        }
        double mid = (max + min) / 2;
        if (value < mid) {
            list.add('0');
            convert(min, mid, value, list);
        } else {
            list.add('1');
            convert(mid, max, value, list);
        }
    }

合并经纬度的二进制编码

        List<Character> latList = new ArrayList<Character>();
        List<Character> lngList = new ArrayList<Character>();
        convert(Min_Lat, Max_Lat, lat, latList);
        convert(Min_Lng, Max_Lng, lng, lngList);
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (int index = 0; index < latList.size(); index++) {
            sb.append(lngList.get(index)).append(latList.get(index));
        }

base32编码

    private final String[] base32Lookup =
            {"0", "1", "2", "3", "4", "5", "6", "7", "8", "9", "b", "c", "d", "e", "f", "g", "h",
                    "j", "k", "m", "n", "p", "q", "r", "s", "t", "u", "v", "w", "x", "y", "z"};
    private String base32Encode(final String str) {
        String unit = "";
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (int start = 0; start < str.length(); start = start + 5) {
            unit = str.substring(start, start + 5);
            sb.append(base32Lookup[convertToIndex(unit.split(""))]);
        }
        return sb.toString();
    }
    private int convertToIndex(String str) {
        int length = str.length();
        int result = 0;
        for (int index = 0; index < length; index++) {
            result += str.charAt(index) == '0' ? 0 : 1 << (length - 1 - index);
        }
        return result;
    }

边界问题

两个位置距离得越近是否意味着Geohash前面相同的越多呢?答案是否定的,两个很近的地点[116.3967,44.9999]和[116.3967,45.0009]的Geohash分别是wxfzbxvry84b08j2,这就是Geohash存在的边界问题,这两个地点虽然很近,但是刚好在分界点45两侧,导致Geohash完全不同,单纯依靠Geohash匹配前缀的方式并不能解决这种问题

在一维空间解决不了这个问题,回到二维空间中,将当前Geohash这块区域周围的八块区域的Geohash计算出来 [116.3967,44.9999] 周围8块区域的Geohash

y84b08j2, wxfzbxvq, wxfzbxvx, wxfzbxvp, y84b08j8, y84b08j0, wxfzbxvw, wxfzbxvn

[116.3967,45.0009] 周围8块区域的Geohash

y84b08j3, wxfzbxvr, y84b08j8, y84b08j0, y84b08j9, y84b08j1, wxfzbxvx, wxfzbxvp

[116.3967,44.9999]和[116.3967,45.0009]分别出现在各自附近的区域中,周围8个区域的Geohash怎么计算得到呢?很简单,当Geohash长度是8时,对应的每个最小单元

    double latUnit = (Max_Lat - Min_Lat) / (1 << 20);
    double lngUnit = (Max_Lng - Min_Lng) / (1 << 20);

这样可以计算出8个分别分布在周围8个区域的地点,根据地点便可以计算出周围8个区域的Geohash

[lat + latUnit, lng]
[lat - latUnit, lng]
[lat, lng + lngUnit]
[lat, lng - lngUnit]
[lat + latUnit, lng + lngUnit]
[lat + latUnit, lng - lngUnit]
[lat - latUnit, lng + lngUnit]
[lat - latUnit, lng - lngUnit]

距离还是距离

打开饿了么这样的应用,除了可以看到附近的商家外,还能清晰看到离每个商家的距离,这个距离的怎么计算出呢?这完全是一个数学问题,把地球看着一个球体,先根据经纬度算出空间坐标,进而算出两点直线距离,最后算出弧长,便是两个位置的距离

    public static double distance(double lat1, double lng1, double lat2, double lng2) {
        double x1 = Math.cos(lat1) * Math.cos(lng1);
        double y1 = Math.cos(lat1) * Math.sin(lng1);
        double z1 = Math.sin(lat1);
        double x2 = Math.cos(lat2) * Math.cos(lng2);
        double y2 = Math.cos(lat2) * Math.sin(lng2);
        double z2 = Math.sin(lat2);
        double lineDistance =
                Math.sqrt((x1 - x2) * (x1 - x2) + (y1 - y2) * (y1 - y2) + (z1 - z2) * (z1 - z2));
        double realDistance = EARTH_RADIUS * Math.PI * 2 * Math.asin(0.5 * lineDistance) / 180;
        return realDistance;
    }

在实际应用中,先根据Geohash筛选出附近的地点,然后再算出距离附近地点的距离