摘要： PostGIS 为 PostgreSQL 提供了空间数据库分析能力，是目前业界主流的地理数据库之一，提供如下空间信息服务功能：空间对象、空间索引、空间操作函数和空间操作符等。在 GaussDB 中，目前已支持 PostGIS 地理数据库扩展，并已广泛应用于国内外*、农业、安平等政企客户。
本文分享自华为云社区《震惊，PostGIS还可以这样用！！！》，原文作者：秋之语 。
一、地理数据库能做什么
地理数据库属于空间数据库，为地理数据提供了标准的格式和存贮方法，能够方便迅速地进行检索、更新和数据分析，最终达到为多种应用服务的目的。地理数据则包括观测数据、分析测定数据、遥感数据和统计调查数据。地理数据库已广泛的应用于单车、导航，旅游、水利，农业、安平城市等应用场景，***到人民生活点点滴滴中。
图 1. 地理数据库典型应用场景
二、PostGIS 功能介绍
对于如上介绍的使用场景中，地理数据通常存储为点、线或者多边形的集合。在 PostgreSQL 中，已经提供了点、线、多边形等空间数据类型，但其提供的数据处理方法和性能很难达到 GIS 的要求，主要表现在：缺乏复杂的空间类型；没有提供空间分析；没有提供投影变换功能。为了使得 PostgreSQL 更好的提供空间信息服务，PostGIS 也就应运而生。
2.1 PostGIS 支持数据类型
PostGIS 完全遵循 OpenGIS 规范，支持 OpenGIS 中所有空间数据类型：
a．POINT, LINESTRING,POLYGON, MULTI-POINT,
b．MULTI-LINESTRING,MULTI-POLYGON,
c．GEOMETRY COLLECTION
除了 OpenGIS 定义的地理数据类型之外，PostGIS 还对数据类型进行了扩展，在 WKT 和 WKB 数据类型基础上扩展出 EWKT 和 EWKB 数据类型：
a．EWKT, EWKB（包含了 SRID 信息的 WKT/WKB）
b．SRID(SpatialReferencing System Identifier)：每个空间实例都有一个空间引用标识符 (SRID)。SRID 对应于基于特定椭圆体的空间引用系统，可用于平面球体映射或圆球映射。
此外，PostGIS 还支持栅格数据 raster 分析，可以基于已有的影像或者卫星数据，实现影像或者卫星数据不同类别的统计分析。
2.2 PostGIS 支持函数类型
PostGIS 常见函数大致可以分为以下六类，对于各函数具体用法参考《PostGIS使用手册》：
1. 字段处理函数
a．AddGeometryColumn 为已有的数据表增加一个地理几何数据字段；
b．DropGeometryColumn 删除一个地理数据字段的；
c．ST_SetSRID 设置 SRID 值
2. 几何关系函数
这类函数描述几何对象的距离、包含、范围、相等等几何关系，常见函数如下：ST_Distance、ST_Equals、ST_Disjoint、ST_Intersects、ST_Touches、ST_Within、 ST_Overlaps、ST_Contains。
3. 读写函数
这类函数主要用于各种数据类型之间的转换，尤其是 Geometry 数据类型与其他字符型等数据类型之间的转换，如 ST_AsText、ST_GeomFromText、ST_AsGeoJSONST_AsHEXEWKB、ST_AsKML、 ST_AsLatLonText。
4. 几何对象创建函数
这类函数用于点、线、多变形等几何对象创建，如 ST_GeomFromEWKT、ST_GeomFromEWKB、ST_MakePoint、ST_MakeBox2D、ST_LineFromText、ST_Polygon。
5. 几何对象编辑函数
这类函数提供对几何图像的平移、翻转、旋转、放大等功能，如 ST_AddPoint、ST_Reverse、ST_Rotate、ST_Scale、ST_Snap、ST_Transform、ST_Translate、ST_TransScale。
6. 空间关系及测量函数
这类函数实现几何对象最远、最近、长度、面积等计算，如 ST_3DClosestPoint、ST_3DDistance、 ST_3DDWithin、ST_3DDFullyWithin、ST_3DIntersects、ST_3DLongestLine、ST_3DMaxDistance、ST_3DShortestLine、ST_Area。
三、PostGIS 的安装：
3.1 基础编译环境准备：
GaussDB(DWS)中的 PostGISExtension 需使用 GCC 和 G++工具进行编译安装。安装前需确认 GCC 和 G++版本号大于等于 4.8.5，且两个工具可正常使用。具体可通过 gcc-v 和 g++-v 查看相关版本。
如上图所示环境 gcc 和 g++版本为 4.3.4，不满足版本要求，需使用源码安装方式进行升级。若集群中没有低版本 gcc 和 g++编译器，可以通过挂载操作系统镜像进行安装，这里不做赘述。如需要升级则可从如下网站获取 GCC 相关安装包：
https://ftp.gnu.org/gnu/gcc/gcc-5.4.0/gcc-5.4.0.tar.gz
https://ftp.gnu.org/gnu/gmp/gmp-4.3.2.tar.gz
https://ftp.gnu.org/gnu/mpfr/mpfr-2.4.2.tar.gz
https://ftp.gnu.org/gnu/mpc/mpc-1.0.3.tar.gz
此外 PostGIS 安装还需要确保 zlib、autoconf 和 automake 等工具已正确安装。
3.2 PostGIS 依赖库安装：
PostGIS 依赖 Geos、 Proj、 JSON-C、 Libxml2、 Gdal 第三方开源工具。安全前首先需要下载 Geos、 Proj、 JSON-C、 Libxml2、 Gdal、 PostGIS 源码至 $GAUSSHOME 目录。
安装时需切换至 omm 用户，并检查 GaussDB 环境变量已正确加载，且可正常登录和使用 GaussDB 环境。具体安装命令可参考产品文档，且确保安装路径与文档中给定路径完全一致，自定义路径会导致最终库文件分发失败。
在整个安装过程中，可使用 make -sj 和 make install -sj 命令并行加速编译，-sj 命令极低概率性出现安装错误，如果安装失败则请使用 make 和 make install 进行串行安装。此外对于 ARM 物理机，在每个安装包 configure 时需要增加如下编译参数： --build=aarch64-unknown-linuxgnu，否则会出现安装失败。同时，在三方开源库 proj 的安装过程中，可能会报错 $GAUSSHOME/install/proj/bin 目录不存在，可手动创建该目录再执行 proj 的安装。
安装成功后截图大致如下，其中关于 get_PlatForm_str.sh 不存在的提示信息可直接忽略。
安装完成后则需要使用 PostGIS_install.sh 工具完成 PostGIS 相关动态链接库在集群节点中的分发。执行方式为：
sh$GAUSSHOME/share/postgis/PostGIS_install.sh
如若失败，可打开 PostGIS_install.sh 文件分别执行分发命令，确定是哪个文件不存在而导致分发失败，并进一步分析该库文件编译失败原因。
四、PostGIS 使用：
目前 GaussDB 对 PostGIS 中绝大多数函数均已支持下推至 DN 处理。因此对于绝大多数地理数据运算，都可以充分利用 GaussDB 的分布式计算优势，带来相比于 PostgreSQL 近似线性扩展比的性能加速。
4.1 地理数据的导入：
PostGIS 支持 shape 格式地理数据导入。因此对于其它地理数据库平台数据，如 Oracle 或者 ArcGIS 中的地理数据，可先将其导出为 shape 格式文件，然后使用 $GAUSSHOME/bin 目录下的 shp2pgsql 工具将 shape 文件转换为 sql 文件并进一步导入 GaussDB。如果生成 sql 文件中的地理表定义缺少分布键的话，可以手动增加一个 id 自增的分布键，使地理数据均匀分布到各个 DN，进而充分利用 GaussDB 的分布式计算优势。
4.2 GIS 函数使用 demo：
对于 GaussDB 支持各 GIS 函数的具体使用方法，请参考《 PostGIS-2.4.2用户手册》。这里给一个简单的使用 demo。
示例 1 ：几何表的创建。
CREATETABLE cities ( id integer, city_name varchar(50) );
SELECTAddGeometryColumn('cities', 'position', 4326, 'POINT', 2);
示例 2：几何数据的插入。
INSERTINTO cities (id, position, city_name) VALUES (1,ST_GeomFromText('POINT(-9.523)',4326),'CityA');
INSERTINTO cities (id, position, city_name) VALUES (2,ST_GeomFromText('POINT(-10.640.3)',4326),'CityB');
INSERTINTO cities (id, position, city_name) VALUES (3,ST_GeomFromText('POINT(20.830.3)',4326), 'CityC');
示例 3：计算三个城市间任意两个城市距离。
SELECTp1.city_name,p2.city_name,ST_Distance(p1.position,p2.position) FROM cities ASp1, cities AS p2 WHERE p1.id > p2.id;
执行结果为：
示例 4：查询 query 执行计划，发现执行过程中 p1 表是广播到全部 DN 节点的，因此对于每个 DN，其只需要处理自己节点上的 p2 数据，通过对比本地 p2 数据与全局 p1 数据即可完成整个分析，这也是分布式数据库的优势所在。
五、PostGIS 性能介绍
目前市场上的空间数据库包括 MySQL 的 Spatial Extension、PostgreSQL 的 PostGIS、Oracle Spatial、ArcGIS 的 ArcSDE 及 MongoDB 等。对于这几款数据库的性能对比，之前有一篇文档《常用地理数据库对比测试》有一个比较详细的对比和介绍。
从图 2 至图 5 中的测试数据可以看出，对于点数据，在相同查询条件下，PostGIS 数据库的空间查询速度最快。对于线数据，PostGIS 则相比于其它数据库要慢一些，这可能与不同地理数据库使用不同索引技术有关。
图 2. 第一次点查数据结果
图 3. 第二次点查数据结果
图 4. 第一次线查数据结果
图 5. 第二次线查数据结果
GaussDB 作为分布式数据库，对 PostGIS 做了深度适配。目前 GaussDB 对 PostGIS 中绝大多数函数均已支持下推至 DN 处理。因此对于绝大多数地理数据运算，都可以充分利用 GaussDB 的分布式计算优势，带来相比于 PostgreSQL 近似线性扩展比的性能加速，满足客户在大数据场景的地理数据处理和分析需求。
六、总结
本篇博文简单介绍了 GaussDB 中 Postgis 的安装和使用，欢迎广大读者收藏和讨论。
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