Chapter 4. データ管理

Open Geospatial Consortium (OGC)は、地理空間データのモデルを提供するためにSimple Features Access (SFA)標準を開発しました。これは、ジオメトリ (Geometry)の基本的な空間タイプを、空間解析処理実行のための操作や変換といった演算に沿って定義します。PostGISは空間解析タスクを実現するためにOGCジオメトリモデル値をPostgreSQLデータ型のgeometry、geographyとして実装しています。

ジオメトリは抽象的なタイプです。ジオメトリ値は複数ある具体的なサブタイプの一つに属します。サブタイプは様々な種類の様々な次元のジオメトリの形状を表現するものです。これらには原子的なタイプであるポイント (Point)、ラインストリング (LineString)、リニアリング (LinearRing)、ポリゴン (Polygon)があります。また、コレクション (collection) (訳注: 「マルチ系」と書いている場合があります)タイプのマルチポイント (MultiPoint)、マルチラインストリング (MultiLineString)、マルチポリゴン (MultiPolygon)、ジオメトリコレクション (GeometryCollection)があります。 Simple Features Access - Part 1: Common architecture v1.2.1では多面体サーフェス (PolyhedralSurface)、三角形 (Triangle)、TINが追加されています。

ジオメトリは2次元デカルト平面上の形状をモデル化しています。多面体サーフェス、三角形、TINは3次元空間内の形状を表現することもできます。形状のサイズと位置は座標によって指定されます。それぞれの座標は、平面上で位置を判定するXとYの座標軸値を持っています。形状はポイントと線分から構築され、ポイントは単一の座標で定められ、線分は二つの座標値から定められます。

座標は任意軸ZとMを持つことができます。Z軸はしばしば標高を示すために使われます。M軸は計測値が入りますが、計測値は時間であったり距離であったりします。Z値またはM値はジオメトリ値の中にあり、ジオメトリの各ポイントで定義されているものです。ジオメトリがZ値またはM値を持っている場合には座標次元は三次元です。Z値とM値の両方を持っている場合には四次元です。

ジオメトリ値は、そのジオメトリが組み込まれている座標系を示す空間参照系に関連付けられます。空間参照系はジオメトリのSRID番号で識別されます。X軸とY軸の単位は空間参照系によって決まります。平面参照系では伝統的にX座標値とY座標値が東、北をそれぞれ示します。地理参照系では、経度と緯度を表現しています。SRIDが0の場合には、軸の単位が無い、無限の直交平面を表します。Section 4.5, “空間参照系”を参照して下さい。

ジオメトリの次元は、ジオメトリタイプのプロパティです。ポイントタイプは0次元、ラインタイプは1次元、ポリゴンタイプは2次元、コレクションは要素の次元の最大値、となります。

ジオメトリ値はemptyになることがあります。空値とは、非マルチ系ジオメトリの場合は頂点を持っていないという意味で、コレクションでは要素を持っていないという意味です。

ジオメトリ値の重要なプロパティは範囲 (extent)またはバウンディングボックス (bounding box)です。OGCモデルではエンベロープ (envelope)と呼ばれています。これは、ジオメトリの座標を囲む2次元または3次元のボックスです。ジオメトリの座標空間内の範囲を表現するための、また、二つのジオメトリの相互関係をチェックするための、効率の良い方法です。

ジオメトリモデルでは、Section 5.1.1, “Dimensionally Extended 9-Intersection Model”に示されている通り、トポロジ空間関係を評価することができます。これに対応するために、内部 (interior)、境界 (boundary)、外部 (exterior)の概念が、ジオメトリタイプ毎に定義されます。ジオメトリはトポロジ的に閉じていて、常に境界を持っています。境界の次元はジオメトリの次元より1小さくなります。

OGCジオメトリモデルは、ジオメトリタイプ毎に妥当性規則が定義されています。これらの規則によって、ジオメトリ値が現実的な状況を示すようになります (たとえば、外部に穴を持つポリゴンを指定できますが、ジオメトリ的に無意味であり、よって不正とします)。PostGISは不正なジオメトリ値を格納、操作することができます。これによって、必要なら修正できることになります。Section 4.4, “ジオメトリ検証”を参照して下さい。

POINT (1 2)
POINT Z (1 2 3)
POINT ZM (1 2 3 4)

LINESTRING (1 2, 3 4, 5 6)

LINEARRING (0 0 0, 4 0 0, 4 4 0, 0 4 0, 0 0 0)

POLYGON ((0 0 0,4 0 0,4 4 0,0 4 0,0 0 0),(1 1 0,2 1 0,2 2 0,1 2 0,1 1 0))

MULTIPOINT ( (0 0), (1 2) )

MULTILINESTRING ( (0 0,1 1,1 2), (2 3,3 2,5 4) )

MULTIPOLYGON (((1 5, 5 5, 5 1, 1 1, 1 5)), ((6 5, 9 1, 6 1, 6 5)))

GEOMETRYCOLLECTION ( POINT(2 3), LINESTRING(2 3, 3 4))

POLYHEDRALSURFACE Z (
  ((0 0 0, 0 0 1, 0 1 1, 0 1 0, 0 0 0)),
  ((0 0 0, 0 1 0, 1 1 0, 1 0 0, 0 0 0)),
  ((0 0 0, 1 0 0, 1 0 1, 0 0 1, 0 0 0)),
  ((1 1 0, 1 1 1, 1 0 1, 1 0 0, 1 1 0)),
  ((0 1 0, 0 1 1, 1 1 1, 1 1 0, 0 1 0)),
  ((0 0 1, 1 0 1, 1 1 1, 0 1 1, 0 0 1)) )

TRIANGLE ((0 0, 0 9, 9 0, 0 0))

TIN Z ( ((0 0 0, 0 0 1, 0 1 0, 0 0 0)), ((0 0 0, 0 1 0, 1 1 0, 0 0 0)) )

ISO/IEC 13249-3 SQL Multimedia - Spatial標準 (SQL/MM) は、OGC SFAを拡張して、曲線ジオメトリを含むサブタイプを定義しています。SQL/MMタイプはXYM, XYZ, XYZMに対応します。

	SQL-MM実装での全ての浮動小数点数の比較では、所定の丸め誤差があります。現在は1E-8です。

CIRCULARSTRING(0 0, 1 1, 1 0)

CIRCULARSTRING(0 0, 4 0, 4 4, 0 4, 0 0)

COMPOUNDCURVE( CIRCULARSTRING(0 0, 1 1, 1 0),(1 0, 0 1))

CURVEPOLYGON(
  CIRCULARSTRING(0 0, 4 0, 4 4, 0 4, 0 0),
  (1 1, 3 3, 3 1, 1 1) )

CURVEPOLYGON(
  COMPOUNDCURVE( CIRCULARSTRING(0 0,2 0, 2 1, 2 3, 4 3),
                 (4 3, 4 5, 1 4, 0 0)),
  CIRCULARSTRING(1.7 1, 1.4 0.4, 1.6 0.4, 1.6 0.5, 1.7 1) )

MULTICURVE( (0 0, 5 5), CIRCULARSTRING(4 0, 4 4, 8 4))

MULTISURFACE(
  CURVEPOLYGON(
    CIRCULARSTRING( 0 0, 4 0, 4 4, 0 4, 0 0),
    (1 1, 3 3, 3 1, 1 1)),
  ((10 10, 14 12, 11 10, 10 10), (11 11, 11.5 11, 11 11.5, 11 11)))

OGC SFA仕様では、ジオメトリ値を外部で使用するための表現として二つの標準書式が定義されています。Well-Known Text (WKT)とWell-Known Binary (WKB)です。WKTとWKBは両方ともそのオブジェクトを定義するタイプと座標に関する情報を含んでいます。

Well-Known Text (WKT)で空間データの標準的な文字表現が可能です。空間オブジェクトのWKT表現の例を次に挙げます。

WKTの入出力は関数ST_AsTextとST_GeomFromTextによって提供されます。

text WKT = ST_AsText(geometry);
geometry = ST_GeomFromText(text WKT, SRID);

例えば、WKTとSRIDからの空間オブジェクトの生成と挿入のステートメントは次の通りです。

INSERT INTO geotable ( geom, name )
  VALUES ( ST_GeomFromText('POINT(-126.4 45.32)', 312), 'A Place');

Well-Known Binary (WKB)は、空間データのバイナリデータ (バイト列)で、移植可能かつ正確な表現です。空間オブジェクトのWKB表現を次に挙げます。

WKBの入出力は関数ST_AsBinaryとST_GeomFromWKBが提供されています。次のように使います。

bytea WKB = ST_AsBinary(geometry);
geometry = ST_GeomFromWKB(bytea WKB, SRID);

たとえば、WKBから空間オブジェクトの生成、挿入は次のようにします。

INSERT INTO geotable ( geom, name )
  VALUES ( ST_GeomFromWKB('\x0101000000000000000000f03f000000000000f03f', 312), 'A Place');

OGC SFA仕様は、まず2次元ジオメトリのみに対応しました。また、入出力表現にジオメトリのSRIDは取り入れていまません。OGC SFA仕様 1.2.1 (ISO 19125標準に準拠)では3次元 (XYZ)とM値 (XYMとXYZM)座標に対応するようになりましたが、SIRD値の取り込みは依然行われていません。

これらの制限のため、PostGISでは拡張書式であるEWKBとEWKTを定義しました。3次元 (XYZ, XYM)と4次元 (XYZN)座標系に対応し、SRID情報を取り込めるようにしました。すべてのジオメトリ情報を含めたので、PostGISはEWKBを格納用書式 (DUMPファイル等)として使えるようになりました。

PostGISデータオブジェクトの「カノニカルな形式」のためにEWKBとEWKTを使います。入力では、バイナリデータのカノニカルな形式はEWKB、テキストデータについてはEWKBかEWKTが受け付けられます。これにより、HEXEWKBまたはEWKTのテキスト値から::geometryを使用してキャストを行い、ジオメトリ値が生成できるようになりました。出力では、バイナリのカノニカルな形式はEWKBで、テキストはHEXEWKB (HEXエンコードを施したEWKB)です。

たとえば、この手続きでは、EWKTテキスト値からのキャストでジオメトリを生成して、HEXWKBのカノニカルな形式を使った出力を行います。

SELECT 'SRID=4;POINT(0 0)'::geometry;
  geometry
  ----------------------------------------------------
  01010000200400000000000000000000000000000000000000

PostGIS EWKT出力はOGC WKTと次の通り相違点があります。

EWKTは、次のようにOGC/ISO書式で発生しうる過剰次元と不整合を回避しています。

	PostGISの拡張書式はOGC書式の上位互換であり、全ての妥当なOGC WKB/WKTは妥当なEWKB/EWKTでもあります。しかし、OGCがPostGISの定義と衝突する方法で書式を拡張した場合には、将来的に書式を変更する可能性があります。ゆえに、この互換性に*頼るべきではありません*!

空間オブジェクトのEWKTテキスト表現の例:

これらの書式を使う入出力は次の関数を使うと有効です。

bytea EWKB = ST_AsEWKB(geometry);
text EWKT = ST_AsEWKT(geometry);
geometry = ST_GeomFromEWKB(bytea EWKB);
geometry = ST_GeomFromEWKT(text EWKT);

たとえば、EWKTを使ってPostGISの空間オブジェクトを作成し挿入するステートメントは次の通りです。

INSERT INTO geotable ( geom, name )
  VALUES ( ST_GeomFromEWKT('SRID=312;POINTM(-126.4 45.32 15)'), 'A Place' )

ジオグラフィデータを格納するテーブルは、SQLステートメントCREATE TABLEにgeography型のカラムを付けることで生成することができます。2次元ラインストリングをWGS84地理座標系 (SRID 4326)で保存するジオグラフィカラムを持つテーブルを生成する例を次に示します。

CREATE TABLE global_points (
    id SERIAL PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(64),
    location geography(POINT,4326)
  );

二つの任意の型修飾子に対応するジオグラフィ型:

ジオグラフィカラムを持つテーブルの生成の例を次に挙げます。

ジオグラフィカラムはgeography_columnsシステムビューに登録されます。geography_columnsビューにクエリを出してテーブルを見るには、次の通りにします。

SELECT * FROM geography_columns;

空間インデックスはジオメトリカラムと同じように機能します。PostGISは、カラム型がジオグラフィであると通知したうえで、ジオメトリに使う通常の平面用インデックスでなく、球面を基にした適切なインデックスを生成します。

-- Index the test table with a spherical index
CREATE INDEX global_points_gix ON global_points USING GIST ( location );

ジオメトリと同じ方法でジオグラフィテーブルにデータを挿入できます。ジオメトリデータは、SRID 4326の場合には、ジオグラフィ型に自動キャストされます。EWKTとEWKB書式はジオグラフィ値を指定するために使うことができます。

-- Add some data into the test table
INSERT INTO global_points (name, location) VALUES ('Town', 'SRID=4326;POINT(-110 30)');
INSERT INTO global_points (name, location) VALUES ('Forest', 'SRID=4326;POINT(-109 29)');
INSERT INTO global_points (name, location) VALUES ('London', 'SRID=4326;POINT(0 49)');

spatial_ref_sysテーブルにある地理 (経度/緯度)参照系は、ジオグラフィのSRIDとして指定することができます。非地理座標系を使うとエラーが発生します。

-- NAD 83 lon/lat
SELECT 'SRID=4269;POINT(-123 34)'::geography;
                    geography
----------------------------------------------------
 0101000020AD1000000000000000C05EC00000000000004140

-- NAD27 lon/lat
SELECT 'SRID=4267;POINT(-123 34)'::geography;
                    geography
----------------------------------------------------
 0101000020AB1000000000000000C05EC00000000000004140

-- NAD83 UTM zone meters - gives an error since it is a meter-based planar projection
SELECT 'SRID=26910;POINT(-123 34)'::geography;

ERROR:  Only lon/lat coordinate systems are supported in geography.

クエリと計測関数はメートル単位となります。そのため距離パラメータはメートル (面積の場合は平方メートル)単位となります。

-- A distance query using a 1000km tolerance
SELECT name FROM global_points WHERE ST_DWithin(location, 'SRID=4326;POINT(-110 29)'::geography, 1000000);

シアトルからロンドンへの (LINESTRING(-122.33 47.606, 0.0 51.5))大円航路を行く航空機がレイキャビク (POINT(-21.96 64.15)) にどれだけ近づくかを計算することで、ジオグラフィの力を見ことができます (航路の地図表示)。

ジオグラフィ型は、レイキャビクとシアトル－ロンドン間の大円航路との距離について、球面上で122.235 kmという本当の最短距離を計算します。

-- Distance calculation using GEOGRAPHY
SELECT ST_Distance('LINESTRING(-122.33 47.606, 0.0 51.5)'::geography, 'POINT(-21.96 64.15)'::geography);
   st_distance
-----------------
 122235.23815667

ジオメトリ型では、平面の世界地図上で見て、レイキャビクとシアトル－ロンドン間の直線とのデカルト距離が計算され、意味がありません。計算結果の名目上の単位は「度」ですが、点間の本当の角度差に応じるものではなく、「度」と呼ぶこと自体が不正確です。

-- Distance calculation using GEOMETRY
SELECT ST_Distance('LINESTRING(-122.33 47.606, 0.0 51.5)'::geometry, 'POINT(-21.96 64.15)'::geometry);
      st_distance
--------------------
 13.342271221453624

ジオグラフィ型によって、経度緯度座標でデータを格納できるようになりましたが、ジオグラフィで定義されている関数が、ジオメトリより少ないのと、実行にCPU時間がかかる、というところが犠牲になっています。

選択した型が、期待する領域から出ないことを、ジオメトリ型にして使用する条件とすべきです。使用するデータは地球全体か、大陸か、州か、自治体か?

ジオグラフィとジオメトリ間のサポート状況の比較についてはSection 12.11, “PostGIS関数対応マトリクス”をご覧下さい。ジオグラフィ関数の簡潔なリストと説明についてはSection 12.4, “PostGISジオグラフィ対応関数”をご覧下さい。

単純なジオメトリは、自己交差や自己接触といった異常な幾何学上のポイントを持たないジオメトリです。

POINTは0次元ジオメトリオブジェクトとして常に単純です。

MULTIPOINTは、任意の二つの座標値 (POINT)が同じでないなら単純です。

LINESTRINGは、同じポイントを二回通過しないものが単純です。単純なラインストリングの端点が同一の場合には、閉じているとされ、線形リングと呼ばれます。

(a)と(c)は単純なLINESTRINGです。(b)と(d)は単純ではありません。(c)は閉じた線形リングです。

(a)	(b)
(c)	(d)

MULTILINESTRINGは、要素が全て単純で、かつ、全ての要素同士のインタセクションが要素の境界上でのみ出現する場合には、単純です。

(e)と(f)は単純なMULTILINESTRINGです。(g)は単純ではありません。

(e)

(f)

(g)

POLYGONは線形リングから形成されるので、妥当なポリゴンジオメトリは常に単純です。

ジオメトリが単純かどうかを試すにはST_IsSimple関数を使います。次のようにします。

SELECT
   ST_IsSimple('LINESTRING(0 0, 100 100)') AS straight,
   ST_IsSimple('LINESTRING(0 0, 100 100, 100 0, 0 100)') AS crossing;

 straight | crossing
----------+----------
 t        | f

一般的にPostGIS関数は引数ジオメトリの単純性を求めていません。単純性は主にジオメトリの妥当性を定義するための基礎として用いられます。空間データモデルによっては要件としていることもあります (たとえば、線形ネットワークはしばしばクロスを認めません)。マルチポイントと線形ジオメトリはST_UnaryUnionを使って単純にできます。

ジオメトリの妥当性は主に2次元ジオメトリ (POLYGONとMULTIPOLYGON)に適用されます。妥当性はポリゴンジオメトリが平面領域を明確にモデル化できる規則によって定義されます。

POLYGONは次の条件では妥当です。

(h)と(i)は妥当なPOLYGONです。(j-m)は不正です。(j)は妥当なMULTIPOLYGONとして表すことができます。

(h)	(i)	(j)
(k)	(l)	(m)

MULTIPOLYGONは次の条件では妥当です。

(n)は妥当なMULTIPOLYGONです。(o)と(p)は不正です。

(n)

(o)

(p)

これらの規則は妥当なポリゴンジオメトリも単純であることも示しています。

線ジオメトリについては、LINESTRINGが少なくとも二つのポイントを持ち、長さが0でない (少なくとも二つの異なるポイントを持つことと同じ)、というのが唯一の妥当性規則です。単純でない (自己交差がある)ラインは妥当です。

SELECT
   ST_IsValid('LINESTRING(0 0, 1 1)') AS len_nonzero,
   ST_IsValid('LINESTRING(0 0, 0 0, 0 0)') AS len_zero,
   ST_IsValid('LINESTRING(10 10, 150 150, 180 50, 20 130)') AS self_int;

 len_nonzero | len_zero | self_int
-------------+----------+----------
 t           | f        | t

POINTとMULTIPOINTは妥当性規則を持っていません。

PostGISは妥当なジオメトリも不正なジオメトリも、生成も格納もできます。このため、不正なジオメトリを検出し、フラグを付け、訂正することができます。OGC妥当性規則が求める規則 (長さが0のラインストリングや逆穴を持つポリゴン等)よりも厳格であることもあります。

PostGISが提供する関数の多くは、引数ジオメトリが妥当であるとの仮定によっています。たとえば、ポリゴンの外部に穴があるポリゴンの面積を計算しても意味がありませんし、単純でない境界線からポリゴンを形成するのも意味がありません。妥当なジオメトリ入力を仮定することで、トポロジ的に正しいことを確認する必要がなくなるので、関数がより効率的に動作することができます (例外として、長さ0のラインと反転したポリゴンは一般的に正しく取り扱われます)。また、ほとんどのPostGIS関数は、入力ジオメトリが妥当な場合には、妥当なジオメトリ出力を生成します。これにより、PostGIS関数を安全に連鎖させられます。

PostGIS関数を呼ぶときに予期しないエラーメッセージ ("GEOS Intersection() threw an error!"等)に遭遇する場合には、まず関数の引数が妥当かどうかを確認します。妥当でないなら、次に示す方法のいずれかによる、処理中のデータの妥当性の確認を検討して下さい。

	関数が妥当な入力でエラーを報告する場合には、PostGISまたは使用しているライブラリの一つの中にエラーがあるのを発見することがありますが、その際はPostGISプロジェクトに報告して下さい。PostGIS関数が妥当な入力から不正なジオメトリを返す場合も同様です。

ジオメトリが妥当かをテストするにはST_IsValid関数を使います。次のようにします。

SELECT ST_IsValid('POLYGON ((20 180, 180 180, 180 20, 20 20, 20 180))');
-----------------
 t

ジオメトリの不正性の性質と位置に関する情報はST_IsValidDetail関数で得られます。次のようにします。

SELECT valid, reason, ST_AsText(location) AS location
    FROM ST_IsValidDetail('POLYGON ((20 20, 120 190, 50 190, 170 50, 20 20))') AS t;

 valid |      reason       |                  location
-------+-------------------+---------------------------------------------
 f     | Self-intersection | POINT(91.51162790697674 141.56976744186045)

不正なジオメトリを自動的に訂正することが望ましいような状況があります。その際はST_MakeValid関数を使います (ST_MakeValidは不正な入力を許す特別な関数です)。

複雑なジオメトリの不正性テストには多大なCPU時間を取ることになるため、デフォルトでは、ジオメトリのロード時にPostGISは妥当性の確認をしません。データソースが信用できない場合には、チェック制約を使って、テーブル上で妥当性を強制的に確認することができます。次のようにします。

ALTER TABLE mytable
  ADD CONSTRAINT geometry_valid_check
        CHECK (ST_IsValid(geom));

PostGISが使用するSPATIAL_REF_SYSテーブルは利用可能な空間参照系を定義するOGC準拠のデータベーステーブルです。このテーブルは、数値でSRIDを持ち、文字列で座標系の記述を持っています。

spatial_ref_sysの定義は次の通りです。

CREATE TABLE spatial_ref_sys (
  srid       INTEGER NOT NULL PRIMARY KEY,
  auth_name  VARCHAR(256),
  auth_srid  INTEGER,
  srtext     VARCHAR(2048),
  proj4text  VARCHAR(2048)
)

カラムは次の通りです。

投影変換で空間参照系の定義を使用する場合には、次の戦略を取ります。

PostGISspatial_ref_sysテーブルにはPROJ投影ライブラリで処理される最も一般的な空間参照系定義3000件以上があります。しかし、そこに無い多くの座標系があります。空間参照系に関する必要な情報がある場合は、SRS定義をテーブルに追加できます。PROJに詳しいなら独自の空間参照系を定義することもできます。ほとんどの空間参照系は地域的なものであり、目的の範囲外で使用する場合は意味を持たない点に注意してください。

PostGISのコアセットに入っていない空間参照系を探すための素晴らしい資料がhttp://spatialreference.org/にあります。

一般的に使用される空間参照系には4326 - WGS 84経度緯度、4269 - NAD 83 経度緯度、3395 - WGS 84 メルカトル、2163 - 米国ナショナルアトラス正積図法、60個のWGS84 UTMゾーンがあります。UTMゾーンは計測に最適ですが、6度 (訳注: 経度)の領域のみをカバーします (対象地域に使用するUTMゾーンを決定するにはutmzone PostGIS plpgsql helper functionを参照してください)。

米国の州では、州平面空間参照系 (メートルまたはフィート単位)を使用します。この空間参照系は州ごとに一つか二つ存在します。ほとんどのメートル単位のものはコアのセットに存在しますが、フィート単位の多数のものやESRIが作成したものはspatialreference.orgからロードする必要があります。

地球外の座標系でさえも定義することができます。たとえばMars 2000です。この火星の座標系は非平面 (回転楕円体の度)ですが、geography型で、度でなくメートル単位で長さや近接測定値を取得することができます。

割当外のSRIDとPROJ定義を使って米国中央のランベルト正角円錐図法の独自座標系をロードする例を次に示します。

INSERT INTO spatial_ref_sys (srid, proj4text)
VALUES ( 990000,
  '+proj=lcc  +lon_0=-95 +lat_0=25 +lat_1=25 +lat_2=25 +x_0=0 +y_0=0 +datum=WGS84 +units=m +no_defs'
);

geometry型のカラムを付けたCREATE TABLE SQLステートメントでジオメトリデータを保存するテーブルを生成することができます。次の例では、BC-アルベルス座標系 (SRID 3005)の2次元 (XY)ラインストリングを保存するジオメトリカラムを持つテーブルを生成します。

CREATE TABLE roads (
    id SERIAL PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(64),
    geom geometry(LINESTRING,3005)
  );

geometry型は、次の通り、二つの任意指定型修飾子に対応しています。

ジオグラフィカラムを持つテーブルの生成の例を次に挙げます。

一つのテーブルが一つ以上のジオメトリカラムを持つことができます。テーブル生成時に指定するか、ALTER TABLE SQLステートメントを使って追加するかで実現できます。次に3次元ラインストリングを格納するカラムを追加する例を示します。

ALTER TABLE roads ADD COLUMN geom2 geometry(LINESTRINGZ,4326);

OGC Simple Features Specification for SQLは、ジオメトリテーブル構造を記述するためのGEOMETRY_COLUMNSメタデータテーブルを定義しています。PostGISではgeometry_columnsは、データベースのシステムカタログテーブルから読み取るビューです。これによって、空間メタデータ情報が常に現在定義されているテーブルやビューと矛盾しなくなります。

\d geometry_columns

View "public.geometry_columns"
      Column       |          Type          | Modifiers
-------------------+------------------------+-----------
 f_table_catalog   | character varying(256) |
 f_table_schema    | character varying(256) |
 f_table_name      | character varying(256) |
 f_geometry_column | character varying(256) |
 coord_dimension   | integer                |
 srid              | integer                |
 type              | character varying(30)  |

カラムは次の通りです。

これが必要になる事例に、SQLビューとバルクインサートの二つがあります。バルクインサートの場合には、カラムに制約を与えるか、ALTER TABLEを実行することで、geometry_columnsテーブル内の登録を訂正することができます。ビューの場合には、CAST演算を使用します。カラムが型修飾子に基づく場合には、生成処理によって正しく登録されるので、何も行う必要がありません。ジオメトリに適用する空間関数を持たないビューも、基礎となるテーブルのジオメトリカラムと同じように登録されます。

-- Lets say you have a view created like this
CREATE VIEW public.vwmytablemercator AS
        SELECT gid, ST_Transform(geom, 3395) As geom, f_name
        FROM public.mytable;

-- For it to register correctly
-- You need to cast the geometry
--
DROP VIEW public.vwmytablemercator;
CREATE VIEW  public.vwmytablemercator AS
        SELECT gid, ST_Transform(geom, 3395)::geometry(Geometry, 3395) As geom, f_name
        FROM public.mytable;

-- If you know the geometry type for sure is a 2D POLYGON then you could do
DROP VIEW public.vwmytablemercator;
CREATE VIEW  public.vwmytablemercator AS
        SELECT gid, ST_Transform(geom,3395)::geometry(Polygon, 3395) As geom, f_name
        FROM public.mytable;

--Lets say you created a derivative table by doing a bulk insert
SELECT poi.gid, poi.geom, citybounds.city_name
INTO myschema.my_special_pois
FROM poi INNER JOIN citybounds ON ST_Intersects(citybounds.geom, poi.geom);

-- Create 2D index on new table
CREATE INDEX idx_myschema_myspecialpois_geom_gist
  ON myschema.my_special_pois USING gist(geom);

-- If your points are 3D points or 3M points,
-- then you might want to create an nd index instead of a 2D index
CREATE INDEX my_special_pois_geom_gist_nd
        ON my_special_pois USING gist(geom gist_geometry_ops_nd);

-- To manually register this new table's geometry column in geometry_columns.
-- Note it will also change the underlying structure of the table to
-- to make the column typmod based.
SELECT populate_geometry_columns('myschema.my_special_pois'::regclass);

-- If you are using PostGIS 2.0 and for whatever reason, you
-- you need the constraint based definition behavior
-- (such as case of inherited tables where all children do not have the same type and srid)
-- set optional use_typmod argument to false
SELECT populate_geometry_columns('myschema.my_special_pois'::regclass, false); 

古い制約を基にした手法は現在も対応していますが、制約を基にしたジオメトリカラムで直接的にビューで使われている場合は、型修飾子のようには正しくgeometry_columnsに登録されません。次の例では、型修飾子を使ったカラム定義と、制約に基づくカラムの定義とを行っています。

CREATE TABLE pois_ny(gid SERIAL PRIMARY KEY, poi_name text, cat text, geom geometry(POINT,4326));
SELECT AddGeometryColumn('pois_ny', 'geom_2160', 2160, 'POINT', 2, false);

psqlで次を実行します。

\d pois_ny;

型修飾子と制約に基づくのとでは異なった定義になっているのが見えます。

Table "public.pois_ny"
  Column   |         Type          |                       Modifiers

-----------+-----------------------+------------------------------------------------------
 gid       | integer               | not null default nextval('pois_ny_gid_seq'::regclass)
 poi_name  | text                  |
 cat       | character varying(20) |
 geom      | geometry(Point,4326)  |
 geom_2160 | geometry              |
Indexes:
    "pois_ny_pkey" PRIMARY KEY, btree (gid)
Check constraints:
    "enforce_dims_geom_2160" CHECK (st_ndims(geom_2160) = 2)
    "enforce_geotype_geom_2160" CHECK (geometrytype(geom_2160) = 'POINT'::text
        OR geom_2160 IS NULL)
    "enforce_srid_geom_2160" CHECK (st_srid(geom_2160) = 2160)

geometry_columnsでは、両方とも正しく登録されています。

SELECT f_table_name, f_geometry_column, srid, type
        FROM geometry_columns
        WHERE f_table_name = 'pois_ny';

f_table_name | f_geometry_column | srid | type
-------------+-------------------+------+-------
pois_ny      | geom              | 4326 | POINT
pois_ny      | geom_2160         | 2160 | POINT

しかし、次のようにビューを作ろうとします。

CREATE VIEW vw_pois_ny_parks AS
SELECT *
  FROM pois_ny
  WHERE cat='park';

SELECT f_table_name, f_geometry_column, srid, type
        FROM geometry_columns
        WHERE f_table_name = 'vw_pois_ny_parks';

型修飾子によるgeomのビューカラムは正しく登録されますが、制約に基づくものは正しく登録されません。

f_table_name   | f_geometry_column | srid |   type
------------------+-------------------+------+----------
 vw_pois_ny_parks | geom              | 4326 | POINT
 vw_pois_ny_parks | geom_2160         |    0 | GEOMETRY

これは、将来的にPostGISの版で変更されるかもしれませんが、今のところは、制約に基づくビューカラムを正しく登録させるには、次のようにします。

DROP VIEW vw_pois_ny_parks;
CREATE VIEW vw_pois_ny_parks AS
SELECT gid, poi_name, cat,
  geom,
  geom_2160::geometry(POINT,2160) As geom_2160
  FROM pois_ny
  WHERE cat = 'park';
SELECT f_table_name, f_geometry_column, srid, type
        FROM geometry_columns
        WHERE f_table_name = 'vw_pois_ny_parks';

f_table_name   | f_geometry_column | srid | type
------------------+-------------------+------+-------
 vw_pois_ny_parks | geom              | 4326 | POINT
 vw_pois_ny_parks | geom_2160         | 2160 | POINT

空間データを文字表現 (WKTかWKB)に変換できたら、SQLを使うのがPostGISにデータを持たせる最も簡単です。SQLユーティリティのpsqlを使用して、SQLのINSERTステートメントのテキストファイルをロードすると、データをPostGIS/PostgreSQLに一括読み込みできます。

データアップロードファイル (たとえばroads.sql)は次のようになるでしょう。

BEGIN;
INSERT INTO roads (road_id, roads_geom, road_name)
  VALUES (1,'LINESTRING(191232 243118,191108 243242)','Jeff Rd');
INSERT INTO roads (road_id, roads_geom, road_name)
  VALUES (2,'LINESTRING(189141 244158,189265 244817)','Geordie Rd');
INSERT INTO roads (road_id, roads_geom, road_name)
  VALUES (3,'LINESTRING(192783 228138,192612 229814)','Paul St');
INSERT INTO roads (road_id, roads_geom, road_name)
  VALUES (4,'LINESTRING(189412 252431,189631 259122)','Graeme Ave');
INSERT INTO roads (road_id, roads_geom, road_name)
  VALUES (5,'LINESTRING(190131 224148,190871 228134)','Phil Tce');
INSERT INTO roads (road_id, roads_geom, road_name)
  VALUES (6,'LINESTRING(198231 263418,198213 268322)','Dave Cres');
COMMIT;

SQLファイルのPostgreSQLへのロードはpsqlを使います。次のようにします。

psql -d [database] -f roads.sql

shp2pgsqlデータローダは、ESRIシェープファイルをPostGIS/PostgreSQLデータベースに、ジオメトリまたはジオグラフィとして挿入するための適切なSQLに変換します。ローダには、次に示すコマンドラインフラグによって区別される、いくつかの操作モードがあります。

グラフィカルユーザインタフェースを持つshp2pgsql-guiもあります。コマンドラインローダのオプションのほとんどが使えます。これは、スクリプト化されていない1回限りのロードの場合や、PostGIS初心者がロードする場合に、簡単に使用できます。PgAdminIIIのプラグインとすることもできます。

ローダを使って入力ファイルを生成してアップロードするセッション例は次の通りです。

# shp2pgsql -c -D -s 4269 -i -I shaperoads.shp myschema.roadstable > roads.sql
# psql -d roadsdb -f roads.sql

変換とアップロードはUNIXのパイプを使うと一回で実行できます。

# shp2pgsql shaperoads.shp myschema.roadstable | psql -d roadsdb

データベース外へのデータ抽出の最も簡単な方法は、抽出するデータセットを定義し、SELECT問い合わせを使って、結果カラムを解析可能なテキストファイルにダンプすることです。

db=# SELECT road_id, ST_AsText(road_geom) AS geom, road_name FROM roads;

road_id | geom                                    | road_name
--------+-----------------------------------------+-----------
          1 | LINESTRING(191232 243118,191108 243242) | Jeff Rd
          2 | LINESTRING(189141 244158,189265 244817) | Geordie Rd
          3 | LINESTRING(192783 228138,192612 229814) | Paul St
          4 | LINESTRING(189412 252431,189631 259122) | Graeme Ave
          5 | LINESTRING(190131 224148,190871 228134) | Phil Tce
          6 | LINESTRING(198231 263418,198213 268322) | Dave Cres
          7 | LINESTRING(218421 284121,224123 241231) | Chris Way
(6 rows)

返されるレコードの数を減らすためにある種の制限が必要になる場合があります。属性ベースで制限をかける場合には、非空間テーブルで使うのと同じSQL文を使います。空間に制限をかけるには次の関数を使います。

次に、これらの演算子をクエリで使うことができます。SQLコマンドラインからジオメトリとボックスの指定を行うときは、明示的に文字列表現をジオメトリに変換しなければならないことに注意して下さい。たとえば、次のようになります。ただし312は架空の空間参照系番号で、ここでのデータに合致しています。

SELECT road_id, road_name
  FROM roads
  WHERE roads_geom='SRID=312;LINESTRING(191232 243118,191108 243242)'::geometry;

上のクエリは"ROADS_GEOM"テーブルから、その値と等価である単一のレコードを返します。

道路がポリゴンで定義した面を通過するかどうかをチェックするには次のようにします。

SELECT road_id, road_name
FROM roads
WHERE ST_Intersects(roads_geom, 'SRID=312;POLYGON((...))');

最も一般的な空間クエリは「フレームベース」のクエリでしょう。これは、表示するためのデータの価値のある「マップフレーム」を取得するために、データブラウザやウェブマッパのようなクライアントソフトウェアに使われます。

"&&"演算子を使うとき、比較フィーチャーをBOX3DかGEOMETRYかに指定することができます。ただし、GEOMETRYを指定すると、それのバウンディングボックスが比較に使われます。

次に示すクエリのように、フレームにBOX3Dオブジェクトを使います。

SELECT ST_AsText(roads_geom) AS geom
FROM roads
WHERE
  roads_geom && ST_MakeEnvelope(191232, 243117,191232, 243119,312);

エンベロープの投影を指定するためにSRID 312を使っていることに注意して下さい。

pgsql2shpテーブルダンパは、データベースに直接接続して、テーブル (あるいはクエリによって定義されたもの)をシェープファイルに変換するものです。基本的な文は次の通りです。

pgsql2shp [<options>] <database> [<schema>.]<table>

pgsql2shp [<options>] <database> <query>

コマンドラインオプションは次の通りです。

GiSTは「汎用検索木 (Generalized Search Tree)」の意味で、多次元データのインデックスの一般化された形式です。PostGISはGiST上で実装しているR木インデックスをを空間データのインデックスに使用しています。GiSTは最も一般的に使われ、多目的なインデックス手法で、クエリ能率を非常に良くします。他のGiSTの実装は、通常のB木インデックスに従わない全ての種類の不規則なデータ構造 (整数配列, スペクトラルデータ等)の検索速度を向上させるために使います。詳細情報についてはPostgreSQL manualをご覧ください。

GISデータテーブルが数千行を超えたら、空間検索の速度向上のためインデックスを構築したくなるでしょう (これは属性検索でない場合です。属性でしたら通常のインデックスを属性フィールドに追加します)。

GiSTインデックスをジオメトリカラムに追加するための文は次の通りです。

CREATE INDEX [indexname] ON [tablename] USING GIST ( [geometryfield] ); 

上の文では常に2次元インデックスを構築します。n次元インデックスをジオメトリ型で使うには、次の文でインデックスを生成できます。

CREATE INDEX [indexname] ON [tablename] USING GIST ([geometryfield] gist_geometry_ops_nd);

空間インデックスの構築は、計算量を集中させて行われます。また、この時には、テーブルへの書き込みアクセスがブロックされます。そのため、本番システムではより遅いCONCURRENTLYを選択するかも知れません。次のようにします。

CREATE INDEX CONCURRENTLY [indexname] ON [tablename] USING GIST ( [geometryfield] ); 

インデックス構築後に、時々PostgreSQLにテーブルの統計情報を集めさせると助かります。クエリプランの最適化に使われます。

VACUUM ANALYZE [table_name] [(column_name)];

BRINは"Block Range Index"の略です。PostgreSQL 9.5で導入された汎用インデックス手法です。BRINは不可逆インデックス手法であり、レコードが与えた検索条件に合致することを確認する二番目のチェックが必要であることを意味しています (全ての空間インデックスで言えます)。非常に速いインデックス作成、非常に小さいインデックスサイズで、合理的な読み込み効率を持ちます。主目的は、非常に大きいテーブルのテーブル内の物理位置と関係があるカラムにインデックスを作ることに対応するためです。空間インデックスに加えて、BRINは様々な種類の属性データ構造 (整数、配列等)で速度向上させることができます。詳細情報についてはPostgreSQL manualをご覧ください。

空間テーブルが、ひとたび数千行を超えると、データの空間検索の速度向上にインデックスが必要と感じることになります。GiSTインデックスは、サイズがデータベースで使えるRAM容量を超えず、インデックスのストレージサイズに余裕があり、書き込み時のインデックス更新コストにも余裕があるなら、非常に高いパフォーマンスを発揮します。そうでない場合には、非常に大きなテーブルにおいては、BRINインデックスを代替に考えることができます。

BRINインデックスは、連続するテーブルブロックの集合 (ブロック範囲と言います)の全てのジオメトリを囲むバウンディングボックスを格納します。インデックスを使用した問い合わせを実行する時に、問い合わせ範囲とインタセクトするブロック範囲を見つけるためにスキャンします。これは、データが物理的に整列していて、ブロック範囲のバウンディングボックスのオーバラップが最小である (理想的には相互に排他的である)場合に限って効率的です。結果インデックスは非常に小さいサイズですが、通常、読み込み効率は、同じデータにおけるGiSTインデックスより悪くなります。

BRINインデックスの構築は、はGiSTインデックスと比べて、CPU集中を非常に減らします。BRINインデックスはGiSTインデックスよりも、同じデータに対して10倍速く構築するのが普通です。BRINインデックスはテーブルブロックの範囲ごとに一つのバウンディングボックスしか格納しないので、GiSTインデックスと比べて、ディスクスペースを1000倍少なくできます。

レンジ内で要約するブロック数を選択できます。この数字を減らすと、インデックスは大きくなりますが、効率向上の助けになる可能性があります。

BRINを効果的にするには、テーブルデータをブロック範囲のオーバラップの量を最小にするような物理的オーダーで格納します。データが既に適切に並び替えられているかも知れません (たとえば、既に空間オーダーで並び替えられているデータセットを他のデータベースからロードする場合)。そうでない場合には、一つの空間キーによるデータの並べ替えで実現できます。一つの方法として、ジオメトリ値で並べ替えた新しいテーブルを生成することです (最近のPostGISのバージョンで効果的なヒルベルト曲線オーダーが使われています)。

CREATE TABLE table_sorted AS
   SELECT * FROM table  ORDER BY geom;

もしくは、データは、ジオハッシュを (一時的な)インデックスに使い、そのインデックスでクラスタリングを行うことによって適切に並べ替えることができます。

CREATE INDEX idx_temp_geohash ON table
    USING btree (ST_GeoHash( ST_Transform( geom, 4326 ), 20));
CLUSTER table USING idx_temp_geohash;

BRINインデックスをジオメトリカラムに追加するための文は次の通りです。

CREATE INDEX [indexname] ON [tablename] USING BRIN ( [geome_col] ); 

上の文で2次元インデックスを構築します。3次元インデックスをビルドするには、この文を使います。

CREATE INDEX [indexname] ON [tablename]
    USING BRIN ([geome_col] brin_geometry_inclusion_ops_3d);

また、4次元演算子クラスを使う4次元インデックスを使うこともできます。

CREATE INDEX [indexname] ON [tablename]
    USING BRIN ([geome_col] brin_geometry_inclusion_ops_4d);

上記のコマンドでは、範囲のブロック数はデフォルトの128を使用しています。集計で範囲のブロック数を指定するには、この文を使います。

CREATE INDEX [indexname] ON [tablename]
    USING BRIN ( [geome_col] ) WITH (pages_per_range = [number]); 

また、BRINインデックスは、多数の行で一つのインデックス値を格納することを心に留めておいて下さい。テーブルに違う次元のジオメトリを格納する場合には、インデックスの効率が悪くなります。この効率欠落を回避するには、格納したジオメトリの次元数の最小値となる演算子クラスを選択します。

「ジオグラフィ」型もまたBRINインデックスに対応しています。BRINインデックスを「ジオグラフィ」カラムに構築するための文は次の通りです。

CREATE INDEX [indexname] ON [tablename] USING BRIN ( [geog_col] ); 

上の文では常に回転楕円体面上の地理空間オブジェクトの2次元インデックスを構築します。

現在のところは「包括対応」だけをここで考えています。これは、&&, ~, @の演算子だけが2次元で使われることを意味します (ジオメトリとジオグラフィの両方)。 &&&演算子は3次元ジオメトリで使えます。しばらくはKNN検索に対応しません。

BRINと他のインデックスとの重要な違いは、データベースがインデックスを動的に保守しないことです。テーブルの空間データを変更すると、単純にインデックスの末尾に追加しています。このためインデックス探索の能率が時間とともに低下します。インデックスはVACUUMか空間関数brin_summarize_new_values(regclass)を実行することで更新できます。このため、BRINは読み込み専用か、書き込みがほとんど発生しないよなデータでの利用では最も適切になりえます。詳細情報については、manualをご覧下さい。

空間データにBRINを使用して集計するには:

SP-GiSTは、「空間分割された一般探索木」を表します。四分木、k次元木、基数木 (トライ木)のような分割探索木に対応するインデックスの総称的な形式です。このデータ構造の一般的な機能は、検索空間を反復して分割することですが、分割は等しいサイズである必要はありません。SP-GiSTは、GISインデックスだけでなく、電話回線のルーティングや、IPルーティング、部分文字列検索等といった、様々な種類のデータを探索する速度の向上に使われます。詳細情報についてはPostgreSQL manualをご覧下さい。

GiSTインデックスを利用しているので、空間オブジェクトを覆うバウンディングボックスを保存するという意味で、SP-GiSTインデックスは不可逆です。SP-GiSTインデックスは、GiSTインデックスの代替と考えることができます。

一度GISデータテーブルが数千行を超えると、データの空間探索の速度向上にSP-GiSTインデックスを使うと良いかも知れません。「ジオメトリ」カラムにSP-GiSTインデックスを構築するための文は次の通りです。

CREATE INDEX [indexname] ON [tablename] USING SPGIST ( [geometryfield] ); 

上の文では、2次元インデックスを構築します。ジオメトリ型の3次元インデックスは、次のように、3次元演算子クラスを使用して生成します。

CREATE INDEX [indexname] ON [tablename] USING SPGIST ([geometryfield] spgist_geometry_ops_3d);

空間インデックスの構築は、計算量を集中させて行われます。また、この時には、テーブルへの書き込みアクセスがブロックされます。そのため、本番システムでは、より遅いCONCURRENTLYを選択するかも知れません。次のようにします。

CREATE INDEX CONCURRENTLY [indexname] ON [tablename] USING SPGIST ( [geometryfield] ); 

インデックス構築後に、時々PostgreSQLにテーブルの統計情報を集めさせると助かります。クエリプランの最適化に使われます。

VACUUM ANALYZE [table_name] [(column_name)];

SP-GiSTインデックスは次の演算子を含むクエリの実行速度を向上させられます。

現時点ではkNN探索に対応していません。

通常、インデックスは知らないうちにデータアクセスの速度を向上します。ひとたびインデックスを構築すれば、PostgreSQLクエリプランナは自動的にクエリの能率を向上させるために使うべきかどうかを決定します。しかし、プランナが既存のインデックスを選択せず、遅いシーケンシャルスキャンを使い続ける場合があります。

空間インデックスが使われていないのが分かった場合には、少しの行えることがあります。

詳細情報についてはPostgreSQLマニュアルの問い合わせ計画節をご覧下さい。