基于PostGIS的高级应用(3)–线性参考
目录
一 线性参考干啥用的
如果直接写个“高大上”的定义结果往往是一脸懵逼的，也不知道为什么要定义这么一个概念。其实线性参考技术在我们生活中是非常常见的，比如打开高德，百度地图的App，查看实时路况，道路被不同路况的颜色动态分段显示了；高速中发生交通事故，电视广播中常常对地点描述为“距离xx高速入口xx公里处”，地图是能非常精确的定位到这个地点的。生活中的两个例子的说明，其实他们的规律都是针对图形数据为线（LineString）的一种GIS应用。
线性参考一定要有线，线上一定要有权重值（也叫测量值M），上一段路况的测量值M就是路段上的传感器发送回来的车流通行速度，交通事故的测量值就是道路的实际距离。不同的测量值能做不同的事，如下图所示：
在不改变道路数据前提下，使用不同的维度（测量值M），分段展示不同的业务场景。
二 线性参考核心要素
转回严肃的工程技术范畴，我个人对线性参考总结包括以下几个要素：
- 线性数据：道路，河流，电网等一些列线性的业务基础数据。
- 测量值/M值：不同的业务部门，将自己的业务数据（路况啊，道路质量啊）叠加到线性基础数据上的过程，就是被称作“addMeasure”。
- 应用方法：一种是动态分段，一种是事件定位。
本质：不改变线性基础数据情况下，将业务测量值/M值数据动态赋予到了每个线性数据上，应用的时候，依据测量值，动态分段展示或者进行突然事件的快速定位。如下例子：
沿线距离.png道路数据建立了完整测量值M后，用户想定位12公里处，就能快速提取出这个点的位置，用户想找到18-26公里处的区间，也能快速提取出这个线段。
三 PostGIS中的线性参考
以PostGIS2.4.0版本说明，通过查看API，可以发现对线性参考核心三要素是全部支持的，本章节具体阐述。
3.1 线性数据
PostGIS支持LineString，MultiLineString类型，可以将路网，河网，电网等各种LineString数据导入数据库。完全支持。
3.2 测量值/M值
ST_AddMeasure:用于对线性数添加测量值。
函数定义：
geometry ST_AddMeasure(geometry geom_mline, float8 measure_start, float8 measure_end);
参数说明：传入一个线图形，设置其起点测量值，终点测量值，返回一个建立了测量值的图形。
使用示例：
SELECT ST_AsText(ST_AddMeasure(ST_GeomFromText('LINESTRING(1 0, 2 0, 4 0)'),10,40)) As ewelev;;
ewelev
----------------------------------------
LINESTRINGM(1 0 10,2 0 20,4 0 40)
3.3 动态分段，事件定位
PostGIS提供了ST_LocateBetween与ST_LocateBetweenElevations方式对带测量值的线进行动态分段提取，其中ST_LocateBetweenElevations是支持三维，四维数据的，简单的就以ST_LocateBetween（这个是用于对二维进行动态分段的）函数说明。
ST_LocateBetween：二维线动态分段函数。
函数定义：
geometry ST_LocateBetween(geometry geomA, float8 measure_start, float8 measure_end, float8 offset);
参数说明：传入一个已建立测量值的线图形，选择一个起始测量M值与一个终点测量M值，返回测量值在这个区间内的动态截取线段图形。
至于offset，看了官网说明，也不知道是干嘛用的，请熟悉的朋友留言指点。
使用示例:
SELECT ST_AsText(the_geom)
FROM
(SELECT ST_LocateBetween(
ST_GeomFromText('MULTILINESTRING M ((1 2 3, 3 4 2, 9 4 3),
(1 2 3, 5 4 5))'),1.5, 3) As the_geom) As foo;
------------------------------------------------------------------------------------
GEOMETRYCOLLECTION M (LINESTRING M (1 2 3,3 4 2,9 4 3),POINT M (1 2 3))
要求截取M值在1.5到3之间的图形，上图中(1 2 3, 3 4 2, 9 4 3)都满足，(1 2 3, 5 4 5)只有起点满足，所以输出结果符合预期。
ST_LocateAlong：事件定位函数，已知测量值，计算线性数据上的几何定位。
函数定义:
geometry ST_LocateAlong(geometry ageom_with_measure, float8 a_measure, float8 offset);
参数说明：传入一个已建立测量值的线图形，任意设置一个测量M值，返回该M值对应在线性数据上的几何位置。（如前文高速事故以这种事件点形式描述）。
使用说明：
SELECT ST_AsText((ST_Dump(the_geom)).geom)
FROM
(SELECT ST_LocateAlong(
ST_GeomFromText('MULTILINESTRINGM((1 2 3, 3 4 2, 9 4 3),
(1 2 3, 5 4 5))'),2.5) As the_geom) As foo;
st_asewkt
---------------
POINT M (2 3 2.5)
POINT M (6 4 2.5)
ST_InterpolatePoint：与ST_LocateAlong函数相反，计算线性数据上任意一点位置的测量M值。
函数定义：
float8 ST_InterpolatePoint(geometry line, geometry point);
参数说明：输入建立测量值M的line与已知线上的一点point，返回这个point点对应的测量值M的value。
使用说明：
SELECT ST_InterpolatePoint('LINESTRING M (0 0 0, 10 0 20)', 'POINT(5 5)');
st_interpolatepoint
---------------------
10
以上几个函数，是线性参考应用场景中所必需的，主要解决如何给线性数据添加测量值，如何定位，如何反算，如何动态获取。PostGIS线性参考章节剩余几个函数都是纯图形计算的。
ST_LineInterpolatePoint：geometry ST_LineInterpolatePoint(geometry a_linestring, float8 a_fraction)
说明：输入LineString图形与一个分割百分比数，返回LineString从起点到终点之间任意一个0-1之间的百分比数a_fraction所处的点图形。
示例：
route=# select ST_AsText(ST_LineInterpolatePoint(ST_GeomFromText('LineString(0 0,10 10)'),0.5));
st_astext
------------
POINT(5 5)
(1 行记录)
route=# select ST_AsText(ST_LineInterpolatePoint(ST_GeomFromText('LineString(0 0,10 10)'),0.3));
st_astext
------------
POINT(3 3)
(1 行记录)
ST_LineLocatePoint: float8 ST_LineLocatePoint(geometry a_linestring, geometry a_point)
说明：输入LineString图形与线上任意一个Point（并非线的node节点，而是这个点肯定与线相交（intersects）），返回LineString从起点到终点之间任意一个0-1之间的百分比数a_fraction。
示例：
route=# select ST_LineLocatePoint(ST_GeomFromText('LineString(0 0,10 10)'),ST_GeomFromText('Point(5 5)'));
st_linelocatepoint
--------------------
0.5
(1 行记录)
ST_LineSubstring：geometry ST_LineSubstring(geometry a_linestring, float8 startfraction, float8 endfraction);
说明:输入LineString图形与起点停靠值s_f与终点停靠值e_f，返回停靠值之间的线段，如果s_f是0，e_f是1，结果就是完整的线的本身。
示例：
select ST_AsText(ST_LineSubstring(ST_GeomFromText('LINESTRING(0 0, 10 10)'),0.5,1));
----------------------------------------------------
LINESTRING(5 5,10 10)
四 线性参考实际案例
本章节我制作了一批测试数据模拟一些实际应用。场景模拟是：武汉军运会重点保障线路之一的“武汉火车站–江夏运动员村“，相关部门为了加强掌握道路通行情况，在该条线路上安装了很多rfid监控传感设备，实时上传该路段的道路通行速度。监管部门设置速度区间，如35-45区间路段是红色，45-55区间路段显示黄色，55-75区间路段是绿色。
数据处理步骤方案是：
- 1 以rfid_monitor点将完整的线路打断，拆分成监控点两两组成的区间子路段。
- 2 使用ST_AddMeasure方法，对拆分的子路段建立线性参考。
- 3 建立线性参考后，根据动态分段的红黄绿动态分区，可视化显示即可。
以下数据处理脚本，根据监控点对路段进行了切割打断，每一个segment路段，起点终点都是一个传感器的位置，在建立线性参考的时候，只需要把segment的起点终点测量值M设置为对应的传感器的speed即可。
do language plpgsql $$
DECLARE
rec record;
route_line geometry;
initinfo boolean:=true;
start_fraction float;
end_fraction float;
line geometry;
speed_s numeric;
speed_e numeric;
BEGIN
--提取出重点线路的图形
select geom from routes limit 1 into route_line;
initinfo:=true;
for rec in select t1.gid,t1.speed,t1.geom from rfid_monitor t1 order by t1.gid loop
if(initinfo=true) then
initinfo:=false;
--起点百分比
start_fraction:=ST_LineLocatePoint(route_line,rec.geom);
end_fraction:=start_fraction;
speed_s:=rec.speed;
speed_e:=rec.speed;
else
speed_s:=speed_e;
speed_e:=rec.speed;
start_fraction:=end_fraction;
end_fraction:=ST_LineLocatePoint(route_line,rec.geom);
line:=ST_LineSubstring(route_line,start_fraction,end_fraction);
--子路段提取，建立线性参考
insert into substring_road(seg,geom) values(rec.gid,ST_AddMeasure(line,speed_s,speed_e));
end if;
end loop;
end;
$$;
查询下子路段数据并可视化下：
到这这一步，数据都处理完了，都建立了M值了。应用系统根据配置，动态显示就可以使用了。
根据速度动态分段：
select ST_LocateBetween(geom,35,45) geom,'红色' as color from substring_road union
select ST_LocateBetween(geom,45,55) geom,'黄色' as color from substring_road union
select ST_LocateBetween(geom,55,75) geom,'绿色' as color from substring_road;
查询结果可视化如下：
[ArcGIS线性参考帮助文档][1]
[1]: http://desktop.arcgis.com/zh-cn/arcmap/10.3/guide-books/linear-referencing/what-is-linear-referencing.htm
[PostGIS线性参考开发文档][2]
[2]: http://postgis.net/docs/manual-2.4/reference.html#Linear_Referencing
