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6. geohash的php 、python、java、C#实现代码
引子
机机是个好动又好学的孩子，平日里就喜欢拿着手机地图点点按按来查询一些好玩的东西。某一天机机到北海公园游玩，肚肚饿了，于是乎打开手机地图，搜索北海公园附近的餐馆，并选了其中一家用餐。
饭饱之后机机开始反思了，地图后台如何根据自己所在位置查询来查询附近餐馆的呢？苦思冥想了半天，机机想出了个方法：计算所在位置P与北京所有餐馆 的距离，然后返回距离<=1000米的餐馆。小得意了一会儿，机机发现北京的餐馆何其多啊，这样计算不得了，于是想了，既然知道经纬度了，那它应该 知道自己在西城区，那应该计算所在位置P与西城区所有餐馆的距离啊，机机运用了递归的思想，想到了西城区也很多餐馆啊，应该计算所在位置P与所在街道所有 餐馆的距离，这样计算量又小了，效率也提升了。
机机的计算思想很朴素，就是通过过滤的方法来减小参与计算的餐馆数目，从某种角度上讲，机机在使用索引技术。
一提到索引，大家脑子里马上浮现出B树索引，因为大量的数据库（如MySQL、oracle、PostgreSQL等）都在使用B树。B树索引本质上是对索引字段进行排序，然后通过类似二分查找的方法进行快速查找，即它要求索引的字段是可排序的，一般而言，可排序的是一维字段，比如时间、年龄、薪水等等。但是对于空间上的一个点（二维，包括经度和纬度），如何排序呢？又如何索引呢？解决的方法很多，下文介绍一种方法来解决这一问题。
思想：如果能通过某种方法将二维的点数据转换成一维的数据，那样不就可以继续使用B树索引了嘛。那这种方法真的存在嘛，答案是肯定的。目前很火的GeoHash算法就是运用了上述思想，下面我们就开始GeoHash之旅吧。
一、感性认识GeoHash
首先来点感性认识，http://openlocation.org/geohash/geohash-js/ 提供了在地图上显示geohash编码的功能。
1）GeoHash将二维的经纬度转换成字符串，比如下图展示了北京9个区域的GeoHash字符串，分别是WX4ER，WX4G2、WX4G3等 等，每一个字符串代表了某一矩形区域。也就是说，这个矩形区域内所有的点（经纬度坐标）都共享相同的GeoHash字符串，这样既可以保护隐私（只表示大 概区域位置而不是具体的点），又比较容易做缓存，比如左上角这个区域内的用户不断发送位置信息请求餐馆数据，由于这些用户的GeoHash字符串都是WX4ER，所以可以把WX4ER当作key，把该区域的餐馆信息当作value来进行缓存，而如果不使用GeoHash的话，由于区域内的用户传来的经纬度是各不相同的，很难做缓存。
2）字符串越长，表示的范围越精确。如图所示，5位的编码能表示10平方千米范围的矩形区域，而6位编码能表示更精细的区域（约0.34平方千米）
3）字符串相似的表示距离相近（特殊情况后文阐述），这样可以利用字符串的前缀匹配来查询附近的POI信息。如下两个图所示，一个在城区，一个在郊 区，城区的GeoHash字符串之间比较相似，郊区的字符串之间也比较相似，而城区和郊区的GeoHash字符串相似程度要低些。
 |
 |
| 城区 | 郊区 |
通过上面的介绍我们知道了GeoHash就是一种将经纬度转换成字符串的方法，并且使得在大部分情况下，字符串前缀匹配越多的距离越近，回到我们的 案例，根据所在位置查询来查询附近餐馆时，只需要将所在位置经纬度转换成GeoHash字符串，并与各个餐馆的GeoHash字符串进行前缀匹配，匹配越 多的距离越近。
二、GeoHash算法的步骤
下面以北海公园为例介绍GeoHash算法的计算步骤
2.1. 根据经纬度计算GeoHash二进制编码
地球纬度区间是[-90,90]， 北海公园的纬度是39.928167，可以通过下面算法对纬度39.928167进行逼近编码:
1）区间[-90,90]进行二分为[-90,0),[0,90]，称为左右区间，可以确定39.928167属于右区间[0,90]，给标记为1；
2）接着将区间[0,90]进行二分为 [0,45),[45,90]，可以确定39.928167属于左区间 [0,45)，给标记为0；
3）递归上述过程39.928167总是属于某个区间[a,b]。随着每次迭代区间[a,b]总在缩小，并越来越逼近39.928167；
4）如果给定的纬度x（39.928167）属于左区间，则记录0，如果属于右区间则记录1，这样随着算法的进行会产生一个序列1011100，序列的长度跟给定的区间划分次数有关。
根据纬度算编码
| bit | min | mid | max |
| 1 | -90.000 | 0.000 | 90.000 |
| 0 | 0.000 | 45.000 | 90.000 |
| 1 | 0.000 | 22.500 | 45.000 |
| 1 | 22.500 | 33.750 | 45.000 |
| 1 | 33.7500 | 39.375 | 45.000 |
| 0 | 39.375 | 42.188 | 45.000 |
| 0 | 39.375 | 40.7815 | 42.188 |
| 0 | 39.375 | 40.07825 | 40.7815 |
| 1 | 39.375 | 39.726625 | 40.07825 |
| 1 | 39.726625 | 39.9024375 | 40.07825 |
同理，地球经度区间是[-180,180]，可以对经度116.389550进行编码。
根据经度算编码
| bit | min | mid | max |
| 1 | -180 | 0.000 | 180 |
| 1 | 0.000 | 90 | 180 |
| 0 | 90 | 135 | 180 |
| 1 | 90 | 112.5 | 135 |
| 0 | 112.5 | 123.75 | 135 |
| 0 | 112.5 | 118.125 | 123.75 |
| 1 | 112.5 | 115.3125 | 118.125 |
| 0 | 115.3125 | 116.71875 | 118.125 |
| 1 | 115.3125 | 116.015625 | 116.71875 |
| 1 | 116.015625 | 116.3671875 | 116.71875 |
2.2. 组码
通过上述计算，纬度产生的编码为10111 00011，经度产生的编码为11010 01011。偶数位放经度，奇数位放纬度，把2串编码组合生成新串：11100 11101 00100 01111。
最后使用用0-9、b-z（去掉a, i, l, o）这32个字母进行base32编码，首先将11100 11101 00100 01111转成十进制，对应着28、29、4、15，十进制对应的编码就是wx4g。同理，将编码转换成经纬度的解码算法与之相反，具体不再赘述。
三、GeoHash Base32编码长度与精度
下表摘自*：http://en.wikipedia.org/wiki/Geohash
可以看出，当geohash base32编码长度为8时，精度在19米左右，而当编码长度为9时，精度在2米左右，编码长度需要根据数据情况进行选择。
四、GeoHash算法
上文讲了GeoHash的计算步骤，仅仅说明是什么而没有说明为什么？为什么分别给经度和维度编码？为什么需要将经纬度两串编码交叉组合成一串编码？本节试图回答这一问题。
如图所示，我们将二进制编码的结果填写到空间中，当将空间划分为四块时候，编码的顺序分别是左下角00，左上角01，右下脚10，右上角11，也就 是类似于Z的曲线，当我们递归的将各个块分解成更小的子块时，编码的顺序是自相似的（分形），每一个子快也形成Z曲线，这种类型的曲线被称为Peano空 间填充曲线。
这种类型的空间填充曲线的优点是将二维空间转换成一维曲线（事实上是分形维），对大部分而言，编码相似的距离也相近， 但Peano空间填充曲线最大的缺点就是突变性，有些编码相邻但距离却相差很远，比如0111与1000，编码是相邻的，但距离相差很大。
除Peano空间填充曲线外，还有很多空间填充曲线，如图所示，其中效果公认较好是Hilbert空间填充曲线，相较于Peano曲线而 言，Hilbert曲线没有较大的突变。为什么GeoHash不选择Hilbert空间填充曲线呢？可能是Peano曲线思路以及计算上比较简单吧，事实 上，Peano曲线就是一种四叉树线性编码方式。
五、使用注意点(曲线突变--8个邻居来解决)
1）由于GeoHash是将区域划分为一个个规则矩形，并对每个矩形进行编码，这样在查询附近POI信息时会导致以下问题，比如红色的点是我们的位 置，绿色的两个点分别是附近的两个餐馆，但是在查询的时候会发现距离较远餐馆的GeoHash编码与我们一样（因为在同一个GeoHash区域块上），而 较近餐馆的GeoHash编码与我们不一致。这个问题往往产生在边界处。
解决的思路很简单，我们查询时，除了使用定位点的GeoHash编码进行匹配外，还使用周围8个区域的GeoHash编码，这样可以避免这个问题。
2）我们已经知道现有的GeoHash算法使用的是Peano空间填充曲线，这种曲线会产生突变，造成了编码虽然相似但距离可能相差很大的问题，因此在查询附近餐馆时候，首先筛选GeoHash编码相似的POI点，然后进行实际距离计算。
具体可以参考文章： Geohash求当前区域周围8个区域编码的一种思路
六、geohash的php 、python、java、C#实现代码
php版本的实现方式：http://blog.dixo.net/downloads/geohash-php-class/ 我下载了一个上传的
php：
geohash.class.php
<?php
/**
* Geohash generation class
* http://blog.dixo.net/downloads/
*
* This file copyright (C) 2008 Paul Dixon (paul@elphin.com)
*
* This program is free software; you can redistribute it and/or
* modify it under the terms of the GNU General Public License
* as published by the Free Software Foundation; either version 3
* of the License, or (at your option) any later version.
*
* This program is distributed in the hope that it will be useful,
* but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
* MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the
* GNU General Public License for more details.
*
* You should have received a copy of the GNU General Public License
* along with this program; if not, write to the Free Software
* Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston, MA 02111-1307, USA.
*/ /**
* Encode and decode geohashes
*
*/
class Geohash
{
private $coding="0123456789bcdefghjkmnpqrstuvwxyz";
private $codingMap=array(); public function Geohash()
{
//build map from encoding char to 0 padded bitfield
for($i=0; $i<32; $i++)
{
$this->codingMap[substr($this->coding,$i,1)]=str_pad(decbin($i), 5, "0", STR_PAD_LEFT);
} } /**
* Decode a geohash and return an array with decimal lat,long in it
*/
public function decode($hash)
{
//decode hash into binary string
$binary="";
$hl=strlen($hash);
for($i=0; $i<$hl; $i++)
{
$binary.=$this->codingMap[substr($hash,$i,1)];
} //split the binary into lat and log binary strings
$bl=strlen($binary);
$blat="";
$blong="";
for ($i=0; $i<$bl; $i++)
{
if ($i%2)
$blat=$blat.substr($binary,$i,1);
else
$blong=$blong.substr($binary,$i,1); } //now concert to decimal
$lat=$this->binDecode($blat,-90,90);
$long=$this->binDecode($blong,-180,180); //figure out how precise the bit count makes this calculation
$latErr=$this->calcError(strlen($blat),-90,90);
$longErr=$this->calcError(strlen($blong),-180,180); //how many decimal places should we use? There's a little art to
//this to ensure I get the same roundings as geohash.org
$latPlaces=max(1, -round(log10($latErr))) - 1;
$longPlaces=max(1, -round(log10($longErr))) - 1; //round it
$lat=round($lat, $latPlaces);
$long=round($long, $longPlaces); return array($lat,$long);
} /**
* Encode a hash from given lat and long
*/
public function encode($lat,$long)
{
//how many bits does latitude need?
$plat=$this->precision($lat);
$latbits=1;
$err=45;
while($err>$plat)
{
$latbits++;
$err/=2;
} //how many bits does longitude need?
$plong=$this->precision($long);
$longbits=1;
$err=90;
while($err>$plong)
{
$longbits++;
$err/=2;
} //bit counts need to be equal
$bits=max($latbits,$longbits); //as the hash create bits in groups of 5, lets not
//waste any bits - lets bulk it up to a multiple of 5
//and favour the longitude for any odd bits
$longbits=$bits;
$latbits=$bits;
$addlong=1;
while (($longbits+$latbits)%5 != 0)
{
$longbits+=$addlong;
$latbits+=!$addlong;
$addlong=!$addlong;
} //encode each as binary string
$blat=$this->binEncode($lat,-90,90, $latbits);
$blong=$this->binEncode($long,-180,180,$longbits); //merge lat and long together
$binary="";
$uselong=1;
while (strlen($blat)+strlen($blong))
{
if ($uselong)
{
$binary=$binary.substr($blong,0,1);
$blong=substr($blong,1);
}
else
{
$binary=$binary.substr($blat,0,1);
$blat=substr($blat,1);
}
$uselong=!$uselong;
} //convert binary string to hash
$hash="";
for ($i=0; $i<strlen($binary); $i+=5)
{
$n=bindec(substr($binary,$i,5));
$hash=$hash.$this->coding[$n];
} return $hash;
} /**
* What's the maximum error for $bits bits covering a range $min to $max
*/
private function calcError($bits,$min,$max)
{
$err=($max-$min)/2;
while ($bits--)
$err/=2;
return $err;
} /*
* returns precision of number
* precision of 42 is 0.5
* precision of 42.4 is 0.05
* precision of 42.41 is 0.005 etc
*/
private function precision($number)
{
$precision=0;
$pt=strpos($number,'.');
if ($pt!==false)
{
$precision=-(strlen($number)-$pt-1);
} return pow(10,$precision)/2;
} /**
* create binary encoding of number as detailed in http://en.wikipedia.org/wiki/Geohash#Example
* removing the tail recursion is left an exercise for the reader
*/
private function binEncode($number, $min, $max, $bitcount)
{
if ($bitcount==0)
return ""; #echo "$bitcount: $min $max<br>"; //this is our mid point - we will produce a bit to say
//whether $number is above or below this mid point
$mid=($min+$max)/2;
if ($number>$mid)
return "1".$this->binEncode($number, $mid, $max,$bitcount-1);
else
return "0".$this->binEncode($number, $min, $mid,$bitcount-1);
} /**
* decodes binary encoding of number as detailed in http://en.wikipedia.org/wiki/Geohash#Example
* removing the tail recursion is left an exercise for the reader
*/
private function binDecode($binary, $min, $max)
{
$mid=($min+$max)/2; if (strlen($binary)==0)
return $mid; $bit=substr($binary,0,1);
$binary=substr($binary,1); if ($bit==1)
return $this->binDecode($binary, $mid, $max);
else
return $this->binDecode($binary, $min, $mid);
}
} ?>
geohash.class.php
python：
python版本的geohash：python-geohash
java：
java版本的geohash,实现：http://code.google.com/p/geospatialweb/source/browse/#svn/trunk/geohash/src
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.util.BitSet;
import java.util.HashMap; public class Geohash { private static int numbits = 6 * 5;
final static char[] digits = { '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' }; final static HashMap<Character, Integer> lookup = new HashMap<Character, Integer>();
static {
int i = 0;
for (char c : digits)
lookup.put(c, i++);
} public static void main(String[] args) throws Exception{ System.out.println(new Geohash().encode(45, 125)); } public double[] decode(String geohash) {
StringBuilder buffer = new StringBuilder();
for (char c : geohash.toCharArray()) { int i = lookup.get(c) + 32;
buffer.append( Integer.toString(i, 2).substring(1) );
} BitSet lonset = new BitSet();
BitSet latset = new BitSet(); //even bits
int j =0;
for (int i=0; i< numbits*2;i+=2) {
boolean isSet = false;
if ( i < buffer.length() )
isSet = buffer.charAt(i) == '1';
lonset.set(j++, isSet);
} //odd bits
j=0;
for (int i=1; i< numbits*2;i+=2) {
boolean isSet = false;
if ( i < buffer.length() )
isSet = buffer.charAt(i) == '1';
latset.set(j++, isSet);
} double lon = decode(lonset, -180, 180);
double lat = decode(latset, -90, 90); return new double[] {lat, lon};
} private double decode(BitSet bs, double floor, double ceiling) {
double mid = 0;
for (int i=0; i<bs.length(); i++) {
mid = (floor + ceiling) / 2;
if (bs.get(i))
floor = mid;
else
ceiling = mid;
}
return mid;
} public String encode(double lat, double lon) {
BitSet latbits = getBits(lat, -90, 90);
BitSet lonbits = getBits(lon, -180, 180);
StringBuilder buffer = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < numbits; i++) {
buffer.append( (lonbits.get(i))?'1':'0');
buffer.append( (latbits.get(i))?'1':'0');
}
return base32(Long.parseLong(buffer.toString(), 2));
} private BitSet getBits(double lat, double floor, double ceiling) {
BitSet buffer = new BitSet(numbits);
for (int i = 0; i < numbits; i++) {
double mid = (floor + ceiling) / 2;
if (lat >= mid) {
buffer.set(i);
floor = mid;
} else {
ceiling = mid;
}
}
return buffer;
} public static String base32(long i) {
char[] buf = new char[65];
int charPos = 64;
boolean negative = (i < 0);
if (!negative)
i = -i;
while (i <= -32) {
buf[charPos--] = digits[(int) (-(i % 32))];
i /= 32;
}
buf[charPos] = digits[(int) (-i)]; if (negative)
buf[--charPos] = '-';
return new String(buf, charPos, (65 - charPos));
} }
Geohash.java
C#：
C#版本的geohash代
using System; namespace sharonjl.utils
{
public static class Geohash
{
#region Direction enum public enum Direction
{
Top = ,
Right = ,
Bottom = ,
Left =
} #endregion private const string Base32 = "0123456789bcdefghjkmnpqrstuvwxyz";
private static readonly int[] Bits = new[] {, , , , }; private static readonly string[][] Neighbors = {
new[]
{
"p0r21436x8zb9dcf5h7kjnmqesgutwvy", // Top
"bc01fg45238967deuvhjyznpkmstqrwx", // Right
"14365h7k9dcfesgujnmqp0r2twvyx8zb", // Bottom
"238967debc01fg45kmstqrwxuvhjyznp", // Left
}, new[]
{
"bc01fg45238967deuvhjyznpkmstqrwx", // Top
"p0r21436x8zb9dcf5h7kjnmqesgutwvy", // Right
"238967debc01fg45kmstqrwxuvhjyznp", // Bottom
"14365h7k9dcfesgujnmqp0r2twvyx8zb", // Left
}
}; private static readonly string[][] Borders = {
new[] {"prxz", "bcfguvyz", "028b", "0145hjnp"},
new[] {"bcfguvyz", "prxz", "0145hjnp", "028b"}
}; public static String CalculateAdjacent(String hash, Direction direction)
{
hash = hash.ToLower(); char lastChr = hash[hash.Length - ];
int type = hash.Length%;
var dir = (int) direction;
string nHash = hash.Substring(, hash.Length - ); if (Borders[type][dir].IndexOf(lastChr) != -)
{
nHash = CalculateAdjacent(nHash, (Direction) dir);
}
return nHash + Base32[Neighbors[type][dir].IndexOf(lastChr)];
} public static void RefineInterval(ref double[] interval, int cd, int mask)
{
if ((cd & mask) != )
{
interval[] = (interval[] + interval[])/;
}
else
{
interval[] = (interval[] + interval[])/;
}
} public static double[] Decode(String geohash)
{
bool even = true;
double[] lat = {-90.0, 90.0};
double[] lon = {-180.0, 180.0}; foreach (char c in geohash)
{
int cd = Base32.IndexOf(c);
for (int j = ; j < ; j++)
{
int mask = Bits[j];
if (even)
{
RefineInterval(ref lon, cd, mask);
}
else
{
RefineInterval(ref lat, cd, mask);
}
even = !even;
}
} return new[] {(lat[] + lat[])/, (lon[] + lon[])/};
} public static String Encode(double latitude, double longitude, int precision = )
{
bool even = true;
int bit = ;
int ch = ;
string geohash = ""; double[] lat = {-90.0, 90.0};
double[] lon = {-180.0, 180.0}; if (precision < || precision > ) precision = ; while (geohash.Length < precision)
{
double mid; if (even)
{
mid = (lon[] + lon[])/;
if (longitude > mid)
{
ch |= Bits[bit];
lon[] = mid;
}
else
lon[] = mid;
}
else
{
mid = (lat[] + lat[])/;
if (latitude > mid)
{
ch |= Bits[bit];
lat[] = mid;
}
else
lat[] = mid;
} even = !even;
if (bit < )
bit++;
else
{
geohash += Base32[ch];
bit = ;
ch = ;
}
}
return geohash;
}
}
} C#代码来自：https://github.com/sharonjl/geohash-net
C# geohash
各种版本下载：打包下载
七. 参考资料
3) *--Geohash