本文作者：smallyang，騰訊 IEG 開發工程師

什么是geohash？它的原理是什么？它幫助我們解決了哪些痛點，本文為你娓娓道來。

本文包含以下內容，閱讀完需要約10分鐘：

• 我們日常生活中遇到哪些定位的場景

• 簡單復習一下經緯度

• geohash原理解析

• geohash存在的邊界問題

• 如何解決邊界問題

• 計算兩點距離的計算

• geohash 在redis中的實現

我們日常生活中遇到哪些定位的場景

我們上下班經常會用APP打車和共享單車，下面2張圖，應該都很熟悉，打開定位，查找我附近的車，那么，這個是怎么實現的呢？

我腦海中第一個實現方式是：實時上報經緯度。在數據庫里，把經緯度都標記為索引，通過查找對比經緯度的值，來找到附近1km的車子，但是這種做法第一是索引比較多，數值比較大，二是需要循環遍歷經緯度，查詢會很慢，效率很低。

那么，這些APP是怎么做到，既能精準定位，又能快速查找呢？答案就是 geohash

geohash通過算法將1個定位的經度和緯度2個數值，轉換成1個hash字符串。如果2個地方距離越近，那么他們的hash值的前綴越相同。然后通過數據庫中like操作符 “ like wtw366%” 快速查找到附近的車。

比如上海騰訊大廈的經緯度是：（31.1688749, 121.3975184），那么轉換成geohash就是 wtw366ngz5qt，我們想找附近的車子，可以用：

select?*?from?cart?where?geohash?like?'wtw366%'?;select?*?from?cart?where?LEFT(geohash,?6)?=?'wtw366';

簡單復習一下經緯度

在大致了解什么是geohash之后，我們先來復習一下什么是經緯度（高中學的，可能已經忘記光了（逃）），這對于理解geohash有很大的幫助。

我們將地球鋪平開來，會得到下面這個平面圖。

地球鋪平面圖

以赤道和本初子午線為界，將地球分為經度和緯度。赤道是在0度，本初子午線也在0度。以赤道作為經度X橫坐標，以本初子午線作為緯度 Y 豎坐標。

經緯度圖
經度（longitude）`和`緯度（latitude）`簡稱?`lng`?和?`lat

其中，從本初子午線向東劃分180度稱為東經，用”E”表示：（0, 180]；向西劃分180度為西經,用“W”表示：[-180, 0）

以赤道為0度,向南北各分出90度，南北極的讀數均是90度，北緯用“N”表示 :（0, 90] ，南緯用“S”表示: [-90, 0）

緯線和緯線是角度數值，并不是米。

所以，我們常用十字坐標法來表示經緯度坐標圖：

十字坐標法

我們一般讀“經緯度”，其實，表示一個定位的書面經緯度是 “（緯度，經度）”。

比如上海騰訊大廈的定位就是：(31.1688749, 121.3975184）表示的是：緯度=31.1688749，經度=121.3975184

上海騰訊大廈經緯度圖

geohash原理解析

在了解什么是經緯度之后，現在我們就可以開始來說下geohash的原理了，geohash通過以下步驟，實現了將一個經緯度數子串，轉換成1個hash字符串。

指定一個位置的經緯度坐標值。

根據十字坐標圖和二分法，將緯度和經度劃分成1和0的二進制數字串。

按照“偶數位放經度，奇數位放緯度”算法，合并經度和緯度這2個二進制數字串。

合并后的二進制數字串，按照從前往后，每隔5位，換算成十進制數字，最后不足5位的用0補齊。

十進制數字，對應base32字符串算法的所在位置，一一匹配，得到了最后的字符串結果。

按照進度劃分截取，得到最終的geohash值。

我們按照這個順序，結合實際的例子，依次計算操作一下。

1. 找出一個位置的經緯度

我們可以用各種地圖和定位工具，比如依靠Google地圖，通過定位或者搜索一個地點，就容易找出經緯度。

騰訊大廈的經緯度

這樣，我們就找出了上海騰訊大廈的經緯度是 （31.1688749, 121.3975184）

2. 將經緯度按照二分算法變成01二進制

上海騰訊大廈的經緯度是 （31.1688749, 121.3975184）

將緯度范圍(-90, 90)平分成兩個區間(-90, 0)、(0, 90)， 如果目標緯度位于前一個區間，則編碼為0，否則編碼為1。

由于31.1688749屬于(0, 90)，所以取編碼為1。

然后再將(0, 90)分成 (0, 45), (45, 90)兩個區間，而31.1688749位于(0, 45)，所以編碼為0。

然后再將(0, 45)分成 (0, 22.5), (22.5, 45)兩個區間，而31.1688749位于(22.5, 45)，所以編碼為1。

依次類推可得上海騰訊大廈緯度編碼為：

101011000101010000111101101101

經度也用同樣的算法，對(-180, 180)依次細分，(-180，0)、(0,180) ，得出編碼為：

110101100101001110111110011010

我們用php代碼來具體實現一下這個算法：

//緯度 $minLat?=?-90; $maxLat?=?90;//經度 $minLng?=?-180; $maxLng?=?180;//2分查找計算，將經緯度轉換成二進制數字串 $latLength?=?$lngLength?=?0; $latList?=?$lngList?=?[];//$precision?精度最大是12,代表12個字符，1個字符由5個二進制組成，也就是?12?*?5?=?60 //精度和緯度對半開，得除以2，也就是最大長度為30個二進制。$originPrecision?=?30;//緯度 while?($latLength?<?$originPrecision)?{//大于中間值，則為右區間，值為1?，反之，則為0if?($lat?>=?$middle?=?($minLat?+?$maxLat)?/?2)?{$latList[]?=?1;$minLat?=?$middle;}?else?{$latList[]?=?0;$maxLat?=?$middle;}$latLength++; }//經度 while?($lngLength?<?$originPrecision)?{//大于中間值，則為右區間，值為1?，反之，則為0if?($lng?>=?$middle?=?($minLng?+?$maxLng)?/?2)?{$lngList[]?=?1;$minLng?=?$middle;}?else?{$lngList[]?=?0;$maxLng?=?$middle;}$lngLength++; }var_dump(implode("",?$latList),?implode("",?$lngList));die;

3. 偶數位放經度，奇數位放緯度

通過二分算法，我們得到了騰訊大廈的緯度和經度的二級制串為：

string(30)?"101011000101010000111101101101" string(30)?"110101100101001110111110011010"

現在需要按照”偶數位放經度，奇數位放緯度”，將這2個數字串，合二為一。那么這個到底怎么理解呢？我剛開始不理解到底怎么操作，后來經過一系列的思考，可以如下操作：

偶數位放經度，奇數位放緯度

由于無法用文字表述，我截了個操作圖，如圖上的箭頭操作順序所示，就是把緯度往右移動一個位置，然后依次串起來。

用php代碼實現，或許看起來更好理解：

//偶數位放經度，奇數位放緯度 $stringList?=?'';for?($i?=?0;?$i?<?30;?$i++)?{$stringList?.=?$lngList[$i];$stringList?.=?$latList[$i]; } var_dump($stringList);die;

這樣，合并之后，我們得了一個60個字符長度的的二進制數字串：

string(60)?"111001100111100000110011000110101000111111111001011011011001"

4. 二進制轉換成十進制

我們把這個60位的二進制，按照從左往右，每5位劃分成1個組，最后一組如果不足5位就用0補齊到5位。劃分后如下所示：

11100?11001?11100?00011?00110?00110?10100?01111?11111?00101?10110?11001

然后，把分好的二進制，轉換成十進制：

?28?25?28?3?6?6?20?15?31?5?22?25

用php實現也很簡單：

$stringList?=?"111001100111100000110011000110101000111111111001011011011001";//二進制轉成十進制,5個一組 $stringListLen?=?strlen($stringList)?/?5; $code?=?[]; for?($i?=?0;?$i?<?$stringListLen;?$i++)?{$code[]?=?bindec(substr($stringList,?5?*?$i,?5)); }var_dump(implode("?",$code));die;

5. 匹配對應base32表算法的所在位置

base32表是用0-9、b-z（去掉a, i, l, o）這32個字母進行組合的編碼集合，base-32如下所示：

0123456789bcdefghjkmnpqrstuvwxyz

為了更好理解和一一對應，我們把base32各個字符的位置信息和它的字符串用表對應起來：

所以， 28 25 28 3 6 6 20 15 31 5 22 25 對應上面的表的位置就得到了，是：

wtw366ngz5qt

同樣，我們也用php算法來實現一下：

//base32?映射 $base32Code?=?"0123456789bcdefghjkmnpqrstuvwxyz"; $encodeString?=?''; foreach?($code?as?$value)?{$encodeString?.=?$base32Code{$value}; }var_dump($encodeString);die;

這樣，最后我們得到了，上海騰訊大廈的經緯度（31.1688749, 121.3975184） 對應的 geohash 為 wtw366ngz5qt

geohash 的精度問題

geohash其實表示的是一個矩形的塊狀區間，它總共分成最大12個字符串，也就是表示從 1-12 級。字符數越大，塊區間就越小，那么定位就越精準。

我們剛才計算上海騰訊大廈的geohash采用的是12級，基本計算出來的位置就是毫秒級別了，可以說是非常的精準了。

上面是geohash字符串長度對應的區間精度，我們可以看到，當geohash為12位時，表示是37毫米范圍的區間，已經是非常的精準了。當geohash為6位時，表示為1.2k米范圍內的矩形位置。

所以，當2個定位的geohash 前7位是一樣的時，表示他們在附近1.2km的范圍內。

那我們還是用騰訊大廈的geohash值，分別截取經度為前7，6，5位看看，在地圖上是怎么樣的：

精度為7，153m范圍內
精度為6，1.22km范圍內
精度為5， 4.89km范圍內

所以，根據上面的圖，隨著字符越來越少，精度越來越小，這個矩形也越來越大，這一整塊區間都共用一個geohash來表示。在實際應用中，我們就可以動態的調整精度，實現更大或者更小范圍內的搜索，既能精準定位，又可以隱藏住一個地點的具區位信息。

geohash存在的邊界問題

由于geohash表示的是一個區塊信息，在同一個區塊里的2個位置，它會認為是最近的，然而，其實更近的位置可能剛好在另一個區間，這樣就造成了不匹配的問題。這就存在一個邊界問題。

我們用實際例子來看。我們想找騰大附近1.5km范圍內的便利店，我們選取geohash精度為6。園區有2家 A 和 B。B距離我們更近一點，但是，由于A 和騰大在一個hash區塊內，所以，就得出了A是最佳的選擇。這就是邊界的問題。

邊界問題

如何解決邊界問題

那么如何解決這個邊界問題，給出最近最優的算法方案呢？答案就是：把定位附近的8個方向的geohash都算出來。最后分別計算這些點和自己的距離（由于范圍很小，點的數量就也很少，計算量就很少）過濾掉不滿足條件的點就ok了。

8個geohash都算出來

計算兩點距離的計算

通過余弦定理以及弧度計算方法，最終推導出來的算式A為：

$s?=?acos(cos($radLat1)?*?cos($radLat2)?*?cos($radLng1?-?$radLng2)?+?sin($radLat1)?*?sin($radLat2))?*?$R;

目前大多使用的是Google公開的距離計算公司，推導算式B為：

$s?=?2*asin(sqrt(pow(sin(($radLat1-$radLat2)/2),2)+cos($radLat1)*cos($radLat2)*pow(sin(($radLng1-$radLng2)/2),2)))*$R;

其中 :?

• $radLat1、$radLng1，$radLat2，$``radLng2 為弧度

• $R為地球半徑

用PHP實現一下：

function?getDistance($lat1,?$lng1,?$lat2,?$lng2)?{//地球半徑$R?=?6378137;//將角度轉為狐度$radLat1?=?deg2rad($lat1);$radLat2?=?deg2rad($lat2);$radLng1?=?deg2rad($lng1);$radLng2?=?deg2rad($lng2);//結果$s?=?acos(cos($radLat1)*cos($radLat2)*cos($radLng1-$radLng2)+sin($radLat1)*sin($radLat2))*$R;//精度$s?=?round($s*?10000)/10000;return??round($s); }/**求兩個已知經緯度之間的距離,單位為米*?@param?lat1,lat2?緯度*?@param?lng1,lng2?經度*?@return?float?距離，單位米 */ function?getDistanceByGoogle($lat1,?$lng1,?$lat2,?$lng2) {//地球半徑$R?=?6378137;//deg2rad()函數將角度轉換為弧度$radLat1?=?deg2rad($lat1);$radLat2?=?deg2rad($lat2);$radLng1?=?deg2rad($lng1);$radLng2?=?deg2rad($lng2);$a?=?$radLat1?-?$radLat2;$b?=?$radLng1?-?$radLng2;$s?=?2?*?asin(sqrt(pow(sin($a?/?2),?2)?+?cos($radLat1)?*?cos($radLat2)?*?pow(sin($b?/?2),?2)))?*?$R;return?$s; }

geohash 在redis中的實現

redis在 3.2.0中加入了geo相關的命令，對geohash的支持。

redis中經緯度使用52位的整數進行編碼，放進zset中，zset的value元素是key，score是GeoHash的52位整數值。在使用redis進行Geo查詢時，其內部對應的操作其實只是zset(skiplist)的操作。通過zset的score進行排序就可以得到坐標附近的其它元素，通過將score還原成坐標值就可以得到元素的原始坐標

redis中處理這些地理位置坐標點的思想是: 二維平面坐標點 —> 一維整數編碼值 —> zset(score為編碼值) —> zrangebyrank(獲取score相近的元素)、zrangebyscore —> 通過score(整數編碼值)反解坐標點 —> 附近點的地理位置坐標。

redis 中有6個命令，對地理位置的算法支持，可以去redis官網具體查看其用法 : https://redis.io/commands#geo

GEOADD

其他資料

• geohash在線換算: http://geohash.co/

• 換算+地圖定位: https://www.movable-type.co.uk/scripts/geohash.html

更多內容可以戳我們的「騰訊技術」知乎專欄：

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的是什么能让 APP 快速精准定位到我们的位置？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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