阿里云Redis GEO地理位置功能上线啦

2022-03-18 00:10:00

Redis 3.2版本一个重大的更新是新增了GEO地理位置相关的命令。
ApsaraDB for Redis对地理位置的支持对应的版本也已经发布了，目前可以通过提工单升级版本来支持。
目前Redis对地理位置支持提供了一下6个命令：

  1. geoadd: 增加地理位置的坐标。
  2. geodist: 获取两个地理位置的距离。
  3. geohash: 获取地理位置的GeoHash值。
  4. geopos: 获取地理位置的坐标。
  5. georadius: 根据给定经纬度坐标获取指定范围内的地理位置集合。
  6. georadiusbymember: 根据给定地理位置获取指定范围内的地理位置集合。

GeoHash基本原理

GeoHash是一种地址编码，通过切分地图区域为小方块（切分次数越多，精度越高），它能把二维的经纬度编码成一维的字符串。也就是说，理论上geohash字符串表示的并不是一个点，而是一个矩形区域，只要矩形区域足够小，达到所需精度即可。

编码过程

以经纬度（116.3906，39.92324）为例：

  1. 对于维度39.92324， 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。
  2. 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。
  3. 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 00100 01111 00000 01101 01011 00001。
  4. 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。

（116.3906，39.92324）对应的地图位置就是http://geohash.org/wx4g0ec1经纬度为，降低一些精度，就会是http://geohash.org/wx4g0ec，再降低一些精度，就会是http://geohash.org/wx4g0。

编码特性

不难看出这样的编码方式仅用一个字符串保存经纬度信息，并且精度由字符串从头到尾的长度决定，编码长度越长，精度越高。GeoHash值的前缀相同的位数越多，代表的位置越接近，可以方便索引。（反之不成立，位置接近的GeoHash值不一定相似）.
但这种方案的缺点是：从geohash的编码算法中可以看出，靠近每个方块边界两侧的点虽然十分接近，但所属的编码会完全不同。实际应用中，需要通过去搜索环绕当前方块周围的8个方块来解决该问题。
除此之外，这个方案也无法直接得到距离，需要程序协助进行后续的排序计算。

具体的可以参考一下几个文档:

Redis Geo命令实现

Redis将地理位置的52位GeoHash值作为有序集合的score，将地理位置存放在有序集合中进行保存。后续按位置搜索时，依据GeoHash的特性搜索当前方块与环绕当前方块的8个方块来搜索目标位置集合。

GEOADD

增加地理位置坐标,命令格式如下：

GEOADD key longitude latitude member [longitude latitude member ...]

Redis中接受的有效的精度范围为-180到180度，有效维度范围为-85.05112878到 85.05112878度（靠近南北极的一小块地方是无法生成索引的）。

实现方式：

Redis内部使用有序集合来保存key，每一个member的score大小为一个52位的Geohash值（double类型精度为52位）。
实际上Redis内部实现的时候就是将GEOADD命令转换成ZADD命令来实现的。（这也解释了为什么没有专门的georem命令，地理位置信息是通过使用ZREM命令来删除成员。）
GEOADD命令的实现如下

void geoaddCommand(client *c) {
    ...
    int elements = (c->argc - 2) / 3;
    int argc = 2+elements*2; /* ZADD key score ele ... */
    robj **argv = zcalloc(argc*sizeof(robj*));
    argv[0] = createRawStringObject("zadd",4);
    argv[1] = c->argv[1]; /* key */
    incrRefCount(argv[1]);

    /* Create the argument vector to call ZADD in order to add all
     * the score,value pairs to the requested zset, where score is actually
     * an encoded version of lat,long. */
    int i;
    for (i = 0; i < elements; i++) {
        double xy[2];

        if (extractLongLatOrReply(c, (c->argv+2)+(i*3),xy) == C_ERR) {
            for (i = 0; i < argc; i++)
                if (argv[i]) decrRefCount(argv[i]);
            zfree(argv);
            return;
        }

        /* Turn the coordinates into the score of the element. */
        GeoHashBits hash;
        geohashEncodeWGS84(xy[0], xy[1], GEO_STEP_MAX, &hash);
        GeoHashFix52Bits bits = geohashAlign52Bits(hash);
        robj *score = createObject(OBJ_STRING, sdsfromlonglong(bits));
        robj *val = c->argv[2 + i * 3 + 2];
        argv[2+i*2] = score;
        argv[3+i*2] = val;
        incrRefCount(val);
    }

    /* Finally call ZADD that will do the work for us. */
    replaceClientCommandVector(c,argc,argv);
    zaddCommand(c);
}

例子

redis> GEOADD Sicily 13.361389 38.115556 "Palermo" 15.087269 37.502669 "Catania"
(integer) 2
redis> GEODIST Sicily Palermo Catania
"166274.15156960039"
redis> GEORADIUS Sicily 15 37 100 km
1) "Catania"
redis> GEORADIUS Sicily 15 37 200 km
1) "Palermo"
2) "Catania"

GEODIST

返回两点间距离，命令格式如下

GEODIST key member1 member2 [unit]

单位可选项为m（米，默认值）, km（千米）,mi（英里）,ft（英尺）。
返回double值，若有member不存在，则返回NULL.

实现方式：

使用WGS84坐标系统，计算距离时使用Haversine公式。由于地球并不是严格标准的，计算出来的距离有最大约0.5%的误差。

例子：

redis> GEOADD Sicily 13.361389 38.115556 "Palermo" 15.087269 37.502669 "Catania"
(integer) 2
redis> GEODIST Sicily Palermo Catania
"166274.15156960039"
redis> GEODIST Sicily Palermo Catania km
"166.27415156960038"
redis> GEODIST Sicily Palermo Catania mi
"103.31822459492736"
redis> GEODIST Sicily Foo Bar
(nil)

GEOHASH

返回key中对应成员的geohash值。命令格式如下：

GEOHASH key member [member ...]

实现方式:

Redis在内部生成有序集合成员score时的geohash值与标准的算法略有差异（Redis内部使用-85,85作为维度范围，标准使用-90,90）。
这个命令返回的是标准值，与https://en.wikipedia.org/wiki/Geohash中标准算法和geohash.org网站的结果一致。代码如下：

/* Get Score */
zsetScore(zobj, c->argv[j], &score);

/* The internal format we use for geocoding is a bit different
 * than the standard, since we use as initial latitude range
 * -85,85, while the normal geohashing algorithm uses -90,90.
 * So we have to decode our position and re-encode using the
 * standard ranges in order to output a valid geohash string. */

/* Decode... */
double xy[2];
if (!decodeGeohash(score,xy)) {
    addReply(c,shared.nullbulk);
    continue;
}

/* Re-encode */
GeoHashRange r[2];
GeoHashBits hash;
r[0].min = -180;
r[0].max = 180;
r[1].min = -90;
r[1].max = 90;
geohashEncode(&r[0],&r[1],xy[0],xy[1],26,&hash);

例子

redis> GEOADD Sicily 13.361389 38.115556 "Palermo" 15.087269 37.502669 "Catania"
(integer) 2
redis> GEOHASH Sicily Palermo Catania
1) "sqc8b49rny0"
2) "sqdtr74hyu0"

GEOPOS

获取地理位置的经纬度坐标，命令格式如下：

GEOPOS key member [member ...]

经纬度坐标是被转成52位的GeoHash保存起来的，返回的时候重新解码成经纬度坐标。由于精度问题，返回值可能与设置的值略有差异。

例子

redis> GEOADD Sicily 13.361389 38.115556 "Palermo" 15.087269 37.502669 "Catania"
(integer) 2
redis> GEOPOS Sicily Palermo Catania NonExisting
1) 1) "13.361389338970184"
   2) "38.115556395496299"
2) 1) "15.087267458438873"
   2) "37.50266842333162"
3) (nil)

GEORADIUS, GEORADIUSBYMEMBER

获取指定范围内的地理位置集合，命令格式如下：

GEORADIUS key longitude latitude radius m|km|ft|mi [WITHCOORD] [WITHDIST] [WITHHASH] [COUNT count] [ASC|DESC] [STORE key] [STOREDIST key]
GEORADIUSBYMEMBER key member radius m|km|ft|mi [WITHCOORD] [WITHDIST] [WITHHASH] [COUNT count] [ASC|DESC] [STORE key] [STOREDIST key]

GEORADIUS与GEORADIUSBYMEMBER，前一个是获取任意经纬度周围的地理集合，后一个是获取某个地理位置周围的地理位置集合。它们的内部实现和可选参数是一致的。
可选项：
WITHDIST: 同时返回地理位置与给定位置的距离
WITHCOORD: 同时返回地理位置的经纬度坐标
WITHHASH: 同时返回Redis内部的GeoHash值（非标准算法值），一般用于debug
ASC|DESC：结果按距离升降序排序
STORE|STOREDIST: 结果存到新的有序集合中，前者以GeoHash值做score，后者以与指定位置的距离作score，该选项与WITH[DIST|COORD|HASH]选项冲突

实现方式：

GeoHash值的前缀相同的位数越多，代表的位置越接近，可以方便索引。但反之不成立，位置接近的GeoHash值不一定相似。靠近每个方块边界两侧的点虽然十分接近，但所属的编码会完全不同。实际应用中，需要通过去搜索环绕当前方块周围的8个方块来解决该问题。
搜索的时候会检查挡墙方块+8个覆盖整个搜索半径的区域，不断的去除geohash的低位，直到这9个方块能覆盖搜索半径位置。再一次搜索计算每个位置的距离。

例子:

GEORADIUS:

redis> GEOADD Sicily 13.361389 38.115556 "Palermo" 15.087269 37.502669 "Catania"
(integer) 2
redis> GEORADIUS Sicily 15 37 200 km WITHDIST
1) 1) "Palermo"
   2) "190.4424"
2) 1) "Catania"
   2) "56.4413"
redis> GEORADIUS Sicily 15 37 200 km WITHCOORD
1) 1) "Palermo"
   2) 1) "13.361389338970184"
      2) "38.115556395496299"
2) 1) "Catania"
   2) 1) "15.087267458438873"
      2) "37.50266842333162"
redis> GEORADIUS Sicily 15 37 200 km WITHDIST WITHCOORD
1) 1) "Palermo"
   2) "190.4424"
   3) 1) "13.361389338970184"
      2) "38.115556395496299"
2) 1) "Catania"
   2) "56.4413"
   3) 1) "15.087267458438873"
      2) "37.50266842333162"

GEORADIUSBYMEMBER:

redis> GEOADD Sicily 13.583333 37.316667 "Agrigento"
(integer) 1
redis> GEOADD Sicily 13.361389 38.115556 "Palermo" 15.087269 37.502669 "Catania"
(integer) 2
redis> GEORADIUSBYMEMBER Sicily Agrigento 100 km
1) "Agrigento"
2) "Palermo"
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