MongoDB06 - MongoDB 地理空間

一：地理空間數據基礎

1：地理數據表示方式

MongoDB 支持兩種主要的地理空間數據表示方式： GeoJSON 格式 & 傳統坐標對[經度，緯度]

• 經度在前：GeoJSON 規定坐標順序為 [經度, 緯度]
• 有效范圍：經度：-180 到 180 & 緯度：-90 到 90

1.1：GeoJSON 格式

GeoJSON支持如下的類型：

Point - 點

{ type: "Point", coordinates: [longitude, latitude] 
}

LineString - 線

{ type: "LineString", coordinates: [[lon1,lat1], [lon2,lat2], ...] 
}

Polygon - 多邊形（閉合環）

{ type: "Polygon", coordinates: [[[lon1,lat1], [lon2,lat2], ..., [lon1,lat1]] // 外環// 可以有多個內環（洞）
]}

還有一些不太常用的：MultiPoint、MultiLineString、MultiPolygon、GeometryCollection

1.2：傳統坐標對

簡單數組格式：[longitude, latitude] -> 僅適用于 2d 索引，不支持復雜幾何形狀

{loc: [longitude, latitude]
}

2：地理空間索引

2.1：2dsphere 索引

地球球面幾何計算，支持所有的 GeoJSON 類型，計算球面距離

支持 $nearSphere、$geoWithin、$geoIntersects 等操作

db.collection.createIndex({ <locationField>: "2dsphere" } // 創建索引
)

2.2：2d索引

平面幾何計算，僅支持點數據（坐標對），計算平面距離（不考慮地球曲率）。·性能更高但精度較低

db.collection.createIndex({ <locationField>: "2d" }
)

2.3：混合索引

可以組合地理空間索引與其他字段：

db.places.createIndex({ location: "2dsphere", name: 1 }
)

二：地理空間查詢和聚合

1：完全包含于幾何圖形

$geoWithin -> 查找完全包含在指定幾何圖形內的文檔

• 使用 GeoJSON：$geometry
• 使用傳統坐標：$box、$polygon、$center、$centerSphere

db.places.find({location: {$geoWithin: {// 返回在如下多邊形中的文檔$geometry: {type: "Polygon",coordinates: [[ [0,0], [3,6], [6,1], [0,0] ]}}}
})

2：與指定幾何圖形相交

$geoIntersects -> 查找與指定幾何圖形相交的文檔

db.places.find({location: {$geoIntersects: {// 返回和這條線相交的文檔$geometry: {type: "LineString",coordinates: [[0,0], [5,5]]}}}
})

3：找附近點并按距離排序

$near -> 找附近點并按距離排序

db.places.find({location: {$near: {// 找到舉例給定中心點附近的點，最小距離100m，最大距離500m$geometry: {type: "Point",coordinates: [-73.9667, 40.78]},$maxDistance: 500,  // 米（2dsphere）$minDistance: 100}}
})

4：地理空間的聚合操作

使用$geoNear是基于距離的管道聚合，對于$geoNear有如下的說明：

• 必須是管道的第一階段
• 自動按距離排序
• 可返回計算的距離值

db.places.aggregate([{$geoNear: {// near：參考點// distanceField：存儲距離的字段// maxDistance/minDistance：距離范圍// spherical：是否使用球面計算// query：附加查詢條件// $geoWithin 可在聚合中使用// 結合 $project 計算自定義地理空間數據near: { type: "Point", coordinates: [-73.9667, 40.78] },distanceField: "distance",maxDistance: 2000,spherical: true,query: { category: "Park" }}}
])

5：地理空間計算函數

$geoDistance：計算兩點間距離

{$project: {distance: {$geoDistance: {// 起點是文檔中的location字段start: "$location",// 終點是GeoJson的坐標點end: { type: "Point", coordinates: [-73.98, 40.77] },distanceMultiplier: 0.001 // 轉換為公里}}}
}

三：實際應用示例

1：附近地點搜索

db.places.find({location: {$nearSphere: {// 在給定點1km之內的文檔$geometry: {type: "Point",coordinates: [currentLng, currentLat]},$maxDistance: 1000 // 1公里內}},category: "restaurant"
}).limit(20)

2：地理圍欄檢查

// 檢查點是否在配送區域內
db.deliveryZones.find({area: {$geoIntersects: {$geometry: {type: "Point",coordinates: [orderLng, orderLat]}}}
})

3：多點距離計算

db.stores.aggregate([{$geoNear: {// 指定參考點near: { type: "Point", coordinates: [userLng, userLat] },// 指定輸出字段名，用于存儲計算的距離值distanceField: "distance",// 使用球面spherical: true}},// 結果過濾，只要5km內的{ $match: { distance: { $lte: 5000 } } }, // 5公里內// 按照距離正序排序{ $sort: { distance: 1 } }
])

四：Spring Boot Data整合

1：依賴和配置

<dependencies><!-- Spring Boot Starter Data MongoDB --><dependency><groupId>org.springframework.boot</groupId><artifactId>spring-boot-starter-data-mongodb</artifactId></dependency><!-- 其他必要依賴 --><dependency><groupId>org.springframework.boot</groupId><artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId></dependency><!-- Lombok (可選) --><dependency><groupId>org.projectlombok</groupId><artifactId>lombok</artifactId><optional>true</optional></dependency>
</dependencies>

# application.properties
spring:data:mongodb:host: localhostport: 27017database: geo_db

2：數據模型定義

創建地理空間實體

import org.springframework.data.annotation.Id;
import org.springframework.data.mongodb.core.geo.GeoJsonPoint;
import org.springframework.data.mongodb.core.mapping.Document;
import lombok.Data;@Data
@Document(collection = "places")
public class Place {@Idprivate String id;private String name;private String category;private GeoJsonPoint location;  // 使用GeoJsonPoint存儲地理坐標// 構造方法、getter/setter等// Lombok的@Data注解會自動生成這些
}

地理空間索引配置

import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.data.mongodb.core.index.GeoSpatialIndexType;
import org.springframework.data.mongodb.core.index.GeoSpatialIndexed;
import org.springframework.data.mongodb.core.index.IndexDefinition;
import org.springframework.data.mongodb.core.index.IndexOperations;
import org.springframework.data.mongodb.core.mapping.event.AbstractMongoEventListener;
import org.springframework.data.mongodb.core.mapping.event.BeforeConvertEvent;@Configuration
public class MongoConfig {// 添加監聽器@Beanpublic BeforeConvertListener beforeConvertListener() {return new BeforeConvertListener();}// 定義監聽器，繼承地理事件監聽器public static class BeforeConvertListener extends AbstractMongoEventListener<Place> {@Overridepublic void onBeforeConvert(BeforeConvertEvent<Place> event) {// 說明要進行索引操作了IndexOperations indexOps = event.getCollection().getIndexOperations();// 定義索引// 確保location字段有2dsphere索引IndexDefinition indexDef = new GeoSpatialIndexDefinition("location").typed(GeoSpatialIndexType.GEO_2DSPHERE);// 添加索引indexOps.ensureIndex(indexDef);}}
}

3：Repository 層

import org.springframework.data.mongodb.repository.MongoRepository;
import org.springframework.data.geo.Distance;
import org.springframework.data.geo.Point;
import org.springframework.data.mongodb.repository.Query;
import java.util.List;public interface PlaceRepository extends MongoRepository<Place, String> {// 查找附近的點（按距離排序）List<Place> findByLocationNear(Point point, Distance distance);// 查找指定類別附近的點List<Place> findByCategoryAndLocationNear(String category, Point point, Distance distance);// 使用GeoJSON多邊形查詢@Query("{ 'location' : { $geoWithin : { $geometry : { type : 'Polygon', coordinates : ?0 } } }")List<Place> findWithinPolygon(List<List<Double[]>> polygonCoordinates);// 查找與指定線相交的地點@Query("{ 'location' : { $geoIntersects : { $geometry : { type : 'LineString', coordinates : ?0 } } }")List<Place> findIntersectingLine(List<Double[]> lineCoordinates);// 如果是聚合查詢@Aggregation(pipeline = {"{ $geoNear: { " +"  near: { type: 'Point', coordinates: [ ?0, ?1 ] }, " +"  distanceField: 'distance', " +"  maxDistance: ?2, " +"  spherical: true " +"} }","{ $match: { category: ?3 } }","{ $sort: { distance: 1 } }","{ $limit: ?4 }"})List<Place> findNearbyPlacesWithAggregation(double longitude, double latitude, double maxDistanceInMeters,String category,int limit);
}

4：服務Service層

import org.springframework.data.geo.Distance;
import org.springframework.data.geo.Metrics;
import org.springframework.data.geo.Point;
import org.springframework.stereotype.Service;
import java.util.List;@Service
public class GeoService {private final PlaceRepository placeRepository;public GeoService(PlaceRepository placeRepository) {this.placeRepository = placeRepository;}/*** 查找附近的地點* @param longitude 經度* @param latitude 緯度* @param distance 距離（公里）* @return 附近的地點列表*/public List<Place> findNearbyPlaces(double longitude, double latitude, double distance) {Point point = new Point(longitude, latitude);Distance radius = new Distance(distance, Metrics.KILOMETERS);return placeRepository.findByLocationNear(point, radius);}/*** 查找特定類別附近的地點*/public List<Place> findNearbyPlacesByCategory(double longitude, double latitude, double distance, String category) {Point point = new Point(longitude, latitude);Distance radius = new Distance(distance, Metrics.KILOMETERS);return placeRepository.findByCategoryAndLocationNear(category, point, radius);}/*** 多邊形區域查詢*/public List<Place> findWithinPolygon(List<List<Double[]>> polygonCoordinates) {return placeRepository.findWithinPolygon(polygonCoordinates);}/*** 與線相交的地點查詢*/public List<Place> findIntersectingLine(List<Double[]> lineCoordinates) {return placeRepository.findIntersectingLine(lineCoordinates);}// 使用 GeoJson 對象public List<Place> findWithinGeoJsonPolygon(GeoJsonPolygon polygon) {return mongoTemplate.find(Query.query(Criteria.where("location").within(polygon)), Place.class);
}

5：控制Controller層

import org.springframework.web.bind.annotation.*;
import org.springframework.data.geo.Point;
import java.util.List;@RestController
@RequestMapping("/api/places")
public class PlaceController {private final GeoService geoService;public PlaceController(GeoService geoService) {this.geoService = geoService;}@GetMapping("/nearby")public List<Place> getNearbyPlaces(@RequestParam double longitude,@RequestParam double latitude,@RequestParam(defaultValue = "5") double distance) {return geoService.findNearbyPlaces(longitude, latitude, distance);}@GetMapping("/nearby/{category}")public List<Place> getNearbyPlacesByCategory(@PathVariable String category,@RequestParam double longitude,@RequestParam double latitude,@RequestParam(defaultValue = "5") double distance) {return geoService.findNearbyPlacesByCategory(longitude, latitude, distance, category);}@PostMapping("/within-polygon")public List<Place> getPlacesWithinPolygon(@RequestBody List<List<Double[]>> polygonCoordinates) {return geoService.findWithinPolygon(polygonCoordinates);}@PostMapping("/intersecting-line")public List<Place> getPlacesIntersectingLine(@RequestBody List<Double[]> lineCoordinates) {return geoService.findIntersectingLine(lineCoordinates);}
}