使用PostGIS完成兩點間的河流軌跡及流經長度的計算

鳴夢發表於2022-01-18

基礎準備工作

1.PostGIS 的安裝

在安裝PostGIS前首先必須安裝PostgreSQL，然後再安裝好的Stack Builder中選擇安裝PostGIS元件。具體安裝步驟可參照 PostGIS的安裝與初步使用_不睡覺的怪叔叔的部落格-CSDN部落格_postgis

2.載入Post GIS擴充套件

選中指定資料庫，執行載入擴充套件語句

–新增支援
CREATE EXTENSION postgis;  --新增postgis擴充套件
CREATE EXTENSION pgrouting;   --新增pgrouting擴充套件
CREATE EXTENSION postgis_topology;
CREATE EXTENSION fuzzystrmatch;
CREATE EXTENSION postgis_tiger_geocoder;

在做兩點間河流軌跡及流經長度計算過程中，需要載入postgis和pgrouting兩個擴充套件

可以通過檢視載入擴充套件的版本驗證擴充套件載入是否成功

–檢視postgresql版本
show server_version;

–檢視postgis版本
SELECT PostGIS_full_version();

–檢視pgrouting版本
select pgr_version();

3.河流向量圖層轉成單線格式

河流包括各種匯入和匯出，為了實現流經流域的計算，河流水系向量資料需要一個河流一個ID的方式，可以在河流交匯點處將河流進行打段處理。

4.河流向量資料匯入PostgreSQL資料庫

開啟位於“開始>所有程式>PostGIS 2.3 bundle for PostgreSQL”之中的PostGIS Shapefile Import/Export Manager。

首先單擊"View connection details"按鈕，開啟"PostGIS connection"對話方塊，輸入使用者名稱"postgres"及其對應的密碼，設定連線的資料庫，如下圖所示：

連線資料庫之後，單擊"Add file"按鈕，加入***.shp檔案，並將其SRID設定為"4326"，如下圖所示。這一步絕對不能省略，否則不能正確匯入資料。

5.河流資料拓撲處理

在資料分析過程中，使用到了pgrouting擴充套件中的 pgr_dijkstra 演算法

Dijkstra演算法（迪傑斯特拉演算法），由荷蘭電腦科學家Edsger Dijkstra於1956年提出。它是一種圖搜尋演算法，它解決了非負代價邊路徑圖的最短路徑問題，即從起始頂點（start_vid）到結束頂點（end_vid）的最短路徑。此演算法可以與有向圖或無向圖一起使用。

函式的簽名摘要：

在實際使用中，需要先明確所有的頂點，併為所有頂點分配唯一的編號，函式的 start_vid 和 end_vid 都是整型數值，函式使用edges_sql引數(sql指令碼)篩選出和頂點相鄰的所有邊資訊（即河流資訊）。

所以，在使用pgr_dijkstra方法前，需要

對找到河流的所有頂點資訊，並做唯一整型值編號
在資料庫中為每條河流設定好起始頂點和結束頂點

--篩選出所有頂點資訊，st_dump函式主要是將MultiLineString型別 調整成 LineString型別
select  st_astext(st_startpoint((ST_Dump(geom)).geom)) from singleriver
union 
select  st_astext(st_endpoint((ST_Dump(geom)).geom)) from singleriver

將查詢結果在Excel中進行整型值編號，再匯入到postgresql中的新建表 distinctpoint 中，然後關聯河流資料表，更新河流的開始頂點（source）和結束頂點編號（target）

--更新起始頂點編號
update singleriver q
set source=tt.sourcepoint
from singleriver s,
(select gid,p.id as sourcepoint from 
(select gid,st_astext(st_startpoint((ST_Dump(geom)).geom)) as startpoint, st_astext(st_endpoint((ST_Dump(geom)).geom)) as endpoint from singleriver )s
left join distinctpoint p
on s.startpoint=p.point) tt
where q.gid=tt.gid

--插入結束頂點編號
update singleriver q
set target=tt.endpoint
from singleriver s,
(select gid,p.id as endpoint from 
(select gid,st_astext(st_startpoint((ST_Dump(geom)).geom)) as startpoint, st_astext(st_endpoint((ST_Dump(geom)).geom)) as endpoint from singleriver )s
left join distinctpoint p
on s.endpoint=p.point) tt
where q.gid=tt.gid

至此，河流拓撲資料處理完成

PG分析處理函式

1.函式編寫

CREATE OR REPLACE FUNCTION "public"."pgr_shortest_river"(IN "startx" float8, IN "starty" float8, IN "endx" float8, IN "endy" float8, OUT "river_name" varchar, OUT "v_shpath" varchar, OUT "cost" float8)
  RETURNS SETOF "pg_catalog"."record" AS $BODY$ 
declare 
v_startLine geometry;--離起點最近的線 
v_endLine geometry;--離終點最近的線 
v_startTarget integer;--距離起點最近線的終點 
v_endSource integer;--距離終點最近線的起點 
v_statpoint geometry;--在v_startLine上距離起點最近的點 
v_endpoint geometry;--在v_endLine上距離終點最近的點 
v_res geometry;--最短路徑分析結果 
v_perStart float;--v_statpoint在v_res上的百分比 
v_perEnd float;--v_endpoint在v_res上的百分比 
v_rec record; 
first_name varchar;
end_name varchar;
first_cost double precision;
end_cost double precision;
begin 
--查詢離起點最近的線 
execute 'select (st_dump(geom)).geom as geom,target as target,name from singleriver where 
ST_DWithin(geom,ST_Geometryfromtext(''point('|| startx ||' ' || starty||')''),0.01) 
order by ST_Distance(geom,ST_GeometryFromText(''point('|| startx ||' '|| starty ||')'')) limit 1' 
into v_startLine ,v_startTarget,first_name; 
raise notice '起點線段%',v_startLine;
raise notice '起點位置%',v_startTarget;
raise notice '河流名稱%',first_name;
--查詢離終點最近的線 
execute 'select (st_dump(geom)).geom as geom,"source" as source,name from singleriver
where ST_DWithin(geom,ST_Geometryfromtext(''point('|| endx || ' ' || endy ||')''),0.01) 
order by ST_Distance(geom,ST_GeometryFromText(''point('|| endx ||' ' || endy ||')'')) limit 1' 
into v_endLine,v_endSource,end_name; 
--如果沒找到最近的線，就返回null 
if (v_startLine is null) or (v_endLine is null) then 
return; 
end if ; 
select ST_ClosestPoint(v_startLine, ST_Geometryfromtext('point('|| startx ||' ' || starty ||')')) into v_statpoint; 
select ST_ClosestPoint(v_endLine, ST_GeometryFromText('point('|| endx ||' ' || endy ||')')) into v_endpoint; 

--計算距離起點最近線上的點在該線中的位置
select st_linelocatepoint(st_linemerge(v_startLine), v_statpoint) into v_perStart;

select st_linelocatepoint(st_linemerge(v_endLine), v_endpoint) into v_perEnd;

select st_distancesphere(v_statpoint,ST_PointN(ST_GeometryN(v_startLine,1), ST_NumPoints(ST_GeometryN(v_startLine,1)))) into first_cost;

select st_distancesphere(ST_PointN(ST_GeometryN(v_endLine,1),1),v_endpoint) into end_cost; 

if (ST_Intersects(st_geomfromtext('point('|| startx ||' '|| starty ||') '), v_startLine) and ST_Intersects(st_geomfromtext('point('|| endx ||' '|| endy ||') '), v_startLine)) then 
select st_distancesphere(v_statpoint, v_endpoint) into first_cost;

select st_linelocatepoint(st_linemerge(v_startLine), v_endpoint) into v_perEnd;
for v_rec in 
select st_linesubstring(st_linemerge(v_startLine), v_perStart,v_perEnd) as point,COALESCE(end_name,'無名河流') as name,end_cost as cost loop
v_shPath:= ST_AsGeoJSON(v_rec.point);
cost:= v_rec.cost;
river_name:= v_rec.name;
return next;
end loop;
return;
end if;
--最短路徑 
for v_rec in 
(select st_linesubstring(st_linemerge(v_startLine),v_perStart,1) as point,COALESCE(first_name,'無名河流') as name,first_cost as cost
union all
SELECT st_linemerge(b.geom) as point,COALESCE(b.name,'無名河流') as name,st_length(geom, false) as cost
FROM pgr_dijkstra(
'SELECT gid as id, source, target, st_length(geom, false) as cost FROM singleriver
where st_intersects(geom,st_buffer(st_linefromtext(''linestring('||startx||' ' || starty ||','|| endx ||' ' || endy ||')''),0.05))', 
v_startTarget, v_endSource , false 
) a, singleriver b 
WHERE a.edge = b.gid
union all
select st_linesubstring(st_linemerge(v_endLine),0,v_perEnd) as point,COALESCE(end_name,'無名河流') as name,end_cost as cost)
loop
v_shPath:= ST_AsGeoJSON(v_rec.point);
cost:= v_rec.cost;
river_name:= v_rec.name;
return next;
end loop; 
end; 
$BODY$
  LANGUAGE plpgsql VOLATILE STRICT
  COST 100
  ROWS 1000