数据库内核月报 － 2021 / 07

从MySQL4.1开始，MySQL就支持了基本空间数据类型以及一部分的空间对象函数，但是对GIS功能的支持非常有限；随着不断发展，MySQL8对GIS功能的支持已经比较丰富了，本文将基于MySQL8.0.18版本对MySQL的GIS功能进行介绍。PolarDB MySQL8.0最新版本即将支持包含GIS函数的并行查询，可以显著提高GIS查询的性能。

MySQL支持的GIS数据

GIS数据类型

MySQL的GIS功能遵守OGC的OpenGIS Geometry Model，支持其定义的空间数据类型的一个子集，包括以下空间数据类型:

• GEOMETRY：不可实例化的数据类型，但是可以作为一个列的类型，存储任何一种其他类型的数据

• POINT：点

• LINESTRING：线

• POLYGON：多边形，由多条闭合的线构成的图形

• MULTIPOINT：点集合

• MULTILINESTRING：线集合

• MULTIPOLYGON：多边形集合

• GEOMCOLLECTION：空间对象集合

其中GEOEMTRY、POINT、LINESTRING、POLYGON用于保存单个空间数据，并且GEOMETRY可以存储其它任意单个空间数据类型，即如果一个字段定义是GEOMETRY类型，那么该字段可以存储其它类型（不包括集合）的数据，而其它类型必须存储特定类型的数据，例如：

mysql> CREATE TABLE test(a INT primary key, geom GEOMETRY SRID 4326) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;
Query OK, 0 rows affected, 1 warning (0.25 sec)

mysql> INSERT INTO test VALUES(1, ST_SRID(Point(1,1), 4326));
Query OK, 1 row affected (0.02 sec)

mysql> INSERT INTO test VALUES(2, ST_SRID(LineString(Point(1,1), Point(2,2)), 4326));
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

mysql> select a, ST_AsText(geom) from test;
+---+---------------------+
| a | ST_AsText(geom)     |
+---+---------------------+
| 1 | POINT(1 1)          |
| 2 | LINESTRING(1 1,2 2) |
+---+---------------------+

mysql>  CREATE TABLE test(a INT primary key, geom POINT SRID 4326) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;
ERROR 1050 (42S01): Table 'test' already exists
mysql> drop table test;
Query OK, 0 rows affected (0.06 sec)

mysql>  CREATE TABLE test(a INT primary key, geom POINT SRID 4326) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;
Query OK, 0 rows affected, 1 warning (0.22 sec)

mysql> INSERT INTO test VALUES(1, ST_SRID(Point(1,1), 4326));
Query OK, 1 row affected (0.02 sec)

mysql> INSERT INTO test VALUES(2, ST_SRID(LineString(Point(1,1), Point(2,2)), 4326));
ERROR 1416 (22003): Cannot get geometry object from data you send to the GEOMETRY field
mysql> INSERT INTO test VALUES(2, ST_SRID(Point(1,1), 4326));
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)

列geom中的类型为GEOMETRY时插入POINT类型数据和LINESTRING类型数据都可以，而类型为POINT时插入LINESTRING类型数据会失败。 MULTIPOINT、MULTILINESTRING、MULTIPOLYGON、GEOMCOLLECTION用于保存空间数据集合，GEOMCOLLECTION可以存储任意空间数据的集合，即GEOEMTRY类型数据的集合，其他的空间数据集合只能存储特定类型数据的集合。

GIS对象属性

MySQL中每个GIS对象都具有一些属性，MySQL中有一系列函数来获取GIS对象的属性，目前MySQL中GIS对象具有以下属性：

• 类型(type)：每个GIS对象都会有一个类型，表示了该对象是上述八种类型中的哪一种。

• 空间参考标识符(SRID)：每个GIS对象都对应一个SRID，该值标识了当前对象属于哪个空间参考系(SRS)。目前MySQL支持地理和投影两类共5152个空间参考系，MySQL也支持用户自定义空间参考系，可以通过查询表information_schema.st_spatial_reference_systems获取系统中所有空间参考系的详细定义。MySQL中比较常用空间参考系的有SRID 0以及SRID 4326，SRID 0是一个无限大的平面笛卡尔坐标系，如果一个对象没有定义SRID，则默认使用SRID 0；SRID 4326是GPS系统使用的地理空间参考系。在MySQL中对GIS对象进行计算时各个GIS对象必须在同一坐标系中，不在同一参考系的话会报错，如果需要对不同坐标系中的对象计算可以使用MySQL提供的坐标系转换函数在不同的空间坐标系中进行转换。

• 坐标(coordinates)：每一非空对象都会有一个坐标，至少有一对(X,Y)坐标，坐标加上SRID可以定义一个空间对象。需要注意的是如果是在不同的空间参考系中，有相同坐标的对象之间的距离也可能是不一样的。

• 最小边界矩形(MBR, minimum bounding rectangle)：由空间对象最外部顶点为界构造出的矩形，具体定义如下：

((MINX MINY, MAXX MINY, MAXX MAXY, MINX MAXY, MINX MINY))

• 简单(simple)：表示一个对象是否是简单的，只有LineString、MultiPoint、MultiLineString具备这一属性，没有交叉点的线是简单的，没有相同点的点集合是简单的，集合中所有的线都是简单的线集合是简单的。

• 闭合(Closed)：表示一个对象是否是闭合的，只有LineString、MultiLineString有这一属性，Start Point和End Point相同的LineString是闭合的，如果MultiLineString中所有的LineString是闭合的，那么它也是闭合的。

• 边界(boundary)：每一个对象都会在空间中占据一部分位置，对象外部是指对象未占据的空间、对象内部是指占据的空间、而对象边界在两者之间。特别的：点的边界为空，闭合的线的边界为空，非闭合的线的边界为两个端点，点集合的边界也为空，线集合的边界为其中所有奇数次顶点的集合。

• 空(empty)：表示一个对象是否为空，没有任何点的对象就是空的，目前MySQL中只有空的GEOMRTRYCOLLECTION是有效的。

• 维度(dimension)：空间对象的维度，目前MySQL最多只支持二维空间对象，因此该值有-1、0、1、2四种，-1是空对象具有的维度、0是点的维度、1是线的维度、2是多边形的维度，集合的维度和其中元素的最大维度相同。

虽然MySQL支持上述八种空间数据类型，但是在Server层都是使用的Field_geom类来处理空间数据列的，Server层统一的类型是MYSQL_TYPE_GEOMETRY， 在sql/spatial.cc中定义了GIS数据类型及相关操作。目前MySQL支持GIS数据的存储引擎有MyASIM、InnoDB、NDB以及ARCHIVE，其中MyASIM和InnoDB还支持建立空间索引。

GIS数据格式

MySQL中支持WKT以及WKB两种格式来操作GIS数据，同时在内部以另外一种格式存储GIS数据。

WKT

即文本格式，在用户操作GIS类型的数据时可以使用直观的文本进行插入或查询，MySQL支持OpenGIS定义的语法来写WKT数据，示例如下：

• Point：POINT(15 20)

• LineString：LINESTRING(0 0, 10 10, 20 25, 50 60)

• Polygon ：POLYGON((0 0,10 0,10 10,0 10,0 0),(5 5,7 5,7 7,5 7, 5 5))

• MultiPoint：MULTIPOINT(0 0, 20 20, 60 60)

• MultiLineString：MULTILINESTRING((10 10, 20 20), (15 15, 30 15))

• MultiPolygon：MULTIPOLYGON(((0 0,10 0,10 10,0 10,0 0)),((5 5,7 5,7 7,5 7, 5 5)))

• GeometryCollection：GEOMETRYCOLLECTION(POINT(1 -1), POINT(10 10), POINT(30 30), LINESTRING(15 15, 20 20))

在用户进行插入时可以使用ST_GeomFromText等函数来将WKT格式的GIS数据转换成内部格式进行插入，在进行查询时可以使用ST_AsText函数来将内部数据转换为更直观的WKT结果格式。

WKB

该格式时OpenGIS定义的一个格式，使用二进制数据来保存信息，例如平面坐标系下的点(1,-1)的WKB格式为：

0101000000000000000000F03F000000000000F0BF`

其中第一个字节标识了字节序，0是大端，1是小端；紧接着的四个字节表示数据类型，目前MySQL只支持上述七种数据类型（不包括GEOMETRY），因此只使用了1到7来分别标识七种数据；因为点只有x坐标和y坐标，所以紧接着的16字节中前8字节是x坐标，后8字节是y坐标。 在WKB格式中，前五个字节是所有类型的GIS数据都具有的，而后续具体表示数据的内容就因类型而异了，复杂的数据类型有复杂的表达方式，具体可以参考OpenGIS标准。用户可以通过ST_GeomFromWKB等函数来将WKB格式的GIS数据转换为内部格式插入到系统中，在进行查询时可以使用ST_AsWKB等函数将内部数据转换成WKB结果格式。

内部存储格式

MySQL内部存储格式与WKB格式类似，也是使用二进制格式来保存GIS数据，所以MySQL内部存储GIS数据实际上使用的是blob类型。MySQL内部存储的数据格式是四字节的SRID加上WKB格式的数据，同样以平面坐标系下的点(1,-1)为例，点(1,-1)在内部存储的数据为：

000000000101000000000000000000F03F000000000000F0BF

其中前四个字节标识了对象的SRID，例中为SRID 0；接下来的21个字节就是WKB格式表示了，需要注意的是在MySQL中都是按小端序来存储GIS数据的，因此字节序标记一直为1。

GIS函数

MySQL提供了一系列的空间数据分析计算函数，大部分空间数据计算函数是基于Boost.Geometry库实现的，选择Boost的原因可以参考Manyi Lu的博客。空间数据计算函数主要分为空间对象构造、空间数据格式转换、空间对象属性、空间对象关系计算，空间对象生成等等几大类，MySQL中GIS函数的实现定义在sql/item_geofunc*等文件中，其中大部分定义在sql/item_geofunc.h和sql/item_geofunc.cc文件中。

空间对象构造函数

这类函数用于构造空间对象，其中点是由两个坐标构成的，其他的对象都是基于点生成的。

空间数据格式转换函数

这类函数用于将空间对象从一种格式转化成另一种格式，主要是内部格式和WKB、WKT格式的相互转换，可用于空间数据的导入导出。

空间对象属性函数

空间对象关系计算函数

这类函数主要是计算两个空间对象之间的关系，比如包含、相交、距离等等。

空间对象生成函数

这类函数依据某种规则从一个已有的空间对象生成另一个空间对象，比如生成凸包、坐标系转换等等。

其他函数

这类函数主要是一些提供其他操作以提高应用灵活性的函数。

上面是MySQL-8.0.18所支持的所有空间函数的简单介绍，各个GIS函数的详细信息和用法可以通过官方文档了解。在MySQL-8.0.18中常用的空间操作函数都已经支持了，但是还有一些GIS函数并不支持，比如空间聚集函数ST_Collect。

总结

在MySQL8中对GIS功能的支持已经比较完善了，支持了主要的空间数据类型，还在InnoDB引擎上支持了GIS，使得GIS数据支持完整的MVCC和事务特性，并且支持InnoDB上的R树索引，此外还支持了空间投影，支持大量的空间坐标系，这大大扩展了MySQL中GIS功能的应用场景。 下面是MySQL和开源空间数据库插件PostGIS在部分功能上的对比。

MySQL8对GIS的功能已经比较完善了，但是在某些方面还是有缺失，比如MySQL只能支持二维数据，并且支持的空间操作函数也不够完备。总体而言MySQL的GIS功能相比于PostGIS还有差距，但是MySQL的GIS功能是集成在MySQL服务中的，不需要加载插件，使用起来更方便，MySQL也一直在对GIS功能进行改进，已经能够满足基本的应用场景。

参考文档

MySQL · 引擎特性 · 初识 MySQL GIS 及 InnoDB R-TREE

Spatial Data Types

Spatial Function Reference

Why Boost.Geometry in MySQL?

PgSQL · 功能分析 · PostGIS 在 O2O应用中的优势