如何利用 Spring Data MongoDB 进行地理位置相关的查询？

以下是如何使用 Spring Data MongoDB 进行地理位置相关查询的步骤和示例：

核心概念：

1. GeoJSON 对象: MongoDB 推荐使用 GeoJSON 格式来存储地理位置数据。Spring Data MongoDB 提供了相应的 GeoJSON 类型，如 GeoJsonPoint, GeoJsonPolygon, GeoJsonLineString 等。
   • GeoJsonPoint: 表示一个点，例如 [longitude, latitude]。
2. 地理空间索引 (Geospatial Index): 为了高效地执行地理位置查询，必须在存储位置数据的字段上创建地理空间索引。
   • 2dsphere: 支持球面几何计算，适用于地球表面的经纬度数据（推荐）。
   • 2d: 支持平面几何计算，适用于二维平面上的点。
3. 查询操作符: MongoDB 提供了多种地理位置查询操作符：
   • $near / $nearSphere: 查找靠近某个点的文档，并按距离排序。
   • $geoWithin: 查找几何形状（如多边形、圆形）内的文档。
   • $geoIntersects: 查找与指定 GeoJSON 对象相交的文档。
   • $centerSphere (与 $geoWithin 结合使用): 定义一个球心和半径的圆形区域进行查询。

步骤详解：

步骤 1: 添加依赖

确保你的 pom.xml (Maven) 或 build.gradle (Gradle) 文件中包含 Spring Data MongoDB 的依赖：

<!-- pom.xml (Maven) -->
<dependency><groupId>org.springframework.boot</groupId><artifactId>spring-boot-starter-data-mongodb</artifactId>
</dependency>

步骤 2: 定义实体 (Entity)

在你的实体类中，使用 org.springframework.data.mongodb.core.geo.GeoJsonPoint (或其他 GeoJSON 类型) 来存储位置信息。

import org.springframework.data.annotation.Id;
import org.springframework.data.mongodb.core.geo.GeoJsonPoint;
import org.springframework.data.mongodb.core.index.GeoSpatialIndexType;
import org.springframework.data.mongodb.core.index.GeoSpatialIndexed;
import org.springframework.data.mongodb.core.mapping.Document;@Document(collection = "locations")
public class LocationEntity {@Idprivate String id;private String name;// 存储经纬度信息，并创建 2dsphere 索引@GeoSpatialIndexed(type = GeoSpatialIndexType.GEO_2DSPHERE)private GeoJsonPoint location; // [longitude, latitude]public LocationEntity() {}public LocationEntity(String name, GeoJsonPoint location) {this.name = name;this.location = location;}// Getters and Setterspublic String getId() {return id;}public void setId(String id) {this.id = id;}public String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}public GeoJsonPoint getLocation() {return location;}public void setLocation(GeoJsonPoint location) {this.location = location;}@Overridepublic String toString() {return "LocationEntity{" +"id='" + id + '\'' +", name='" + name + '\'' +", location=" + (location != null ? location.getCoordinates() : null) +'}';}
}

注意:

• @GeoSpatialIndexed(type = GeoSpatialIndexType.GEO_2DSPHERE) 注解会自动在 location 字段上创建 2dsphere 索引。这是进行地理位置查询的关键。
• GeoJSON 点的坐标顺序是 [longitude, latitude] (经度在前，纬度在后)。

步骤 3: 创建 Repository 接口

Spring Data MongoDB 可以通过方法名派生查询，或者使用 @Query 注解自定义查询。

import org.springframework.data.geo.Distance;
import org.springframework.data.geo.Point;
import org.springframework.data.geo.Polygon;
import org.springframework.data.mongodb.repository.MongoRepository;
import java.util.List;public interface LocationRepository extends MongoRepository<LocationEntity, String> {// 1. 查找靠近某个点的文档 (使用 $nearSphere)// Spring Data 会自动使用 $nearSphere 因为索引是 2dsphere// Point 来自 org.springframework.data.geo.Point (x=longitude, y=latitude)// Distance 来自 org.springframework.data.geo.DistanceList<LocationEntity> findByLocationNear(Point point, Distance distance);// 也可以只按点查找，不限制距离 (结果按距离排序)List<LocationEntity> findByLocationNear(Point point);// 2. 查找在指定多边形内的文档 (使用 $geoWithin)// Polygon 来自 org.springframework.data.geo.PolygonList<LocationEntity> findByLocationWithin(Polygon polygon);// 3. 查找在指定圆形区域内的文档 (使用 $geoWithin 和 $centerSphere)// Circle 来自 org.springframework.data.geo.Circle// Spring Data 会将其转换为 $geoWithin 与 $centerSphereList<LocationEntity> findByLocationWithin(org.springframework.data.geo.Circle circle);// 4. 查找与指定 GeoJSON 几何图形相交的文档 (使用 $geoIntersects)// 需要使用 MongoTemplate 或 @Query 来实现更复杂的 GeoJSON 相交查询，// 因为派生查询对 $geoIntersects 的支持有限，尤其是对于复杂的 GeoJSON 输入。// 但简单的 Point 相交可以。// 对于更复杂的 GeoJSON (如 Polygon)，通常使用 MongoTemplate 或 @Query// List<LocationEntity> findByLocationIntersects(GeoJson geometry); // 示例，可能需要自定义实现}

使用的 Spring Data Geo 类型:

• org.springframework.data.geo.Point: 用于查询参数，表示一个点 (x 对应经度, y 对应纬度)。
• org.springframework.data.geo.Distance: 用于指定距离，可以包含单位 (如 Metrics.KILOMETERS)。
• org.springframework.data.geo.Polygon: 用于查询参数，表示一个多边形。
• org.springframework.data.geo.Circle: 用于查询参数，表示一个圆形。
• org.springframework.data.geo.Box: 用于查询参数，表示一个矩形。

步骤 4: 使用 Repository 或 MongoTemplate 进行查询

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.data.geo.*;
import org.springframework.data.mongodb.core.MongoTemplate;
import org.springframework.data.mongodb.core.geo.GeoJsonPoint;
import org.springframework.data.mongodb.core.geo.GeoJsonPolygon;
import org.springframework.data.mongodb.core.query.Criteria;
import org.springframework.data.mongodb.core.query.Query;
import org.springframework.stereotype.Service;import jakarta.annotation.PostConstruct;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;@Service
public class LocationService {@Autowiredprivate LocationRepository locationRepository;@Autowiredprivate MongoTemplate mongoTemplate;@PostConstructpublic void init() {locationRepository.deleteAll(); // 清理旧数据// 插入一些示例数据// 故宫 (116.403963, 39.915119)locationRepository.save(new LocationEntity("Forbidden City", new GeoJsonPoint(116.403963, 39.915119)));// 天安门广场 (116.3912757, 39.9037078)locationRepository.save(new LocationEntity("Tiananmen Square", new GeoJsonPoint(116.3912757, 39.9037078)));// 颐和园 (116.275136, 39.999077)locationRepository.save(new LocationEntity("Summer Palace", new GeoJsonPoint(116.275136, 39.999077)));// 东方明珠 (121.499718, 31.239703)locationRepository.save(new LocationEntity("Oriental Pearl Tower", new GeoJsonPoint(121.499718, 31.239703)));}public void performGeoQueries() {System.out.println("--- Performing Geo Queries ---");// 中心点: 北京市中心附近 (例如王府井 116.417427, 39.913904)Point centerPoint = new Point(116.417427, 39.913904); // longitude, latitude// 1. 查找王府井附近 5 公里内的地点Distance fiveKilometers = new Distance(5, Metrics.KILOMETERS);List<LocationEntity> nearWangfujing = locationRepository.findByLocationNear(centerPoint, fiveKilometers);System.out.println("\nLocations near Wangfujing (5km):");nearWangfujing.forEach(System.out::println); // 应该包含故宫和天安门// 2. 查找在指定多边形内的地点 (大致覆盖北京二环内)// 注意：多边形的点必须形成闭合环路，且第一个点和最后一个点相同Polygon beijingRing2 = new Polygon(new Point(116.30, 39.85), //西南new Point(116.50, 39.85), //东南new Point(116.50, 39.95), //东北new Point(116.30, 39.95), //西北new Point(116.30, 39.85)  //闭合);List<LocationEntity> withinBeijingRing2 = locationRepository.findByLocationWithin(beijingRing2);System.out.println("\nLocations within Beijing Ring 2 (approx):");withinBeijingRing2.forEach(System.out::println); // 应该包含故宫和天安门// 3. 查找在指定圆形区域内的地点 (以故宫为圆心，2公里为半径)Point forbiddenCityCoords = new Point(116.403963, 39.915119);Distance twoKilometers = new Distance(2, Metrics.KILOMETERS);// 对于2dsphere索引, Circle的距离单位会被正确处理 (例如转换为弧度)Circle aroundForbiddenCity = new Circle(forbiddenCityCoords, twoKilometers);List<LocationEntity> withinCircle = locationRepository.findByLocationWithin(aroundForbiddenCity);System.out.println("\nLocations within 2km of Forbidden City:");withinCircle.forEach(System.out::println); // 应该包含故宫和天安门// 4. 使用 MongoTemplate 进行 $geoIntersects 查询// 定义一个 GeoJsonPolygon (注意点顺序，逆时针为外部，顺时针为内部，但通常简单多边形即可)// 这里用和上面一样的多边形，但用 GeoJsonPolygonGeoJsonPolygon queryPolygon = new GeoJsonPolygon(new Point(116.30, 39.85),new Point(116.50, 39.85),new Point(116.50, 39.95),new Point(116.30, 39.95),new Point(116.30, 39.85));Query intersectsQuery = new Query(Criteria.where("location").intersects(queryPolygon));List<LocationEntity> intersectingLocations = mongoTemplate.find(intersectsQuery, LocationEntity.class);System.out.println("\nLocations intersecting with query polygon (MongoTemplate):");intersectingLocations.forEach(System.out::println);// 5. 使用 MongoTemplate 进行 $nearSphere 查询，并指定最小和最大距离Query nearQueryWithMinMax = new Query(Criteria.where("location").nearSphere(centerPoint) // 使用 Spring Data Point.minDistance(1000 / 6378137.0) // 最小距离1公里 (转换为弧度，MongoDB $nearSphere 需要弧度或米)// 或者直接用米: .minDistance(1000) 如果MongoDB版本支持.maxDistance(5000 / 6378137.0) // 最大距离5公里// 或者直接用米: .maxDistance(5000));// 如果MongoDB 4.0+ 且 Spring Data MongoDB 2.2+, 可以直接用米// Query nearQueryWithMinMaxMeters = new Query(// Criteria.where("location")// .nearSphere(centerPoint)// .minDistance(1000.0) // 1000 meters// .maxDistance(5000.0) // 5000 meters// );// List<LocationEntity> nearWithMinMax = mongoTemplate.find(nearQueryWithMinMaxMeters, LocationEntity.class);// System.out.println("\nLocations near Wangfujing (1km-5km, MongoTemplate):");// nearWithMinMax.forEach(System.out::println);// 对于 $nearSphere，Spring Data 的 Repository 方法中的 Distance 对象会自动处理单位转换。// 使用 MongoTemplate 时，对于 $minDistance / $maxDistance:// - 如果是 `2dsphere` 索引，MongoDB 期望距离单位是米。// - 如果是 `2d` 索引，MongoDB 期望距离单位是索引坐标系的单位。// Spring Data MongoDB 3.0+ 配合 MongoDB 4.0+，`nearSphere` 可以直接接受米为单位的 `minDistance`/`maxDistance`。// 如果使用较旧版本，可能需要将距离转换为弧度（如示例中除以地球半径）。// 简单的 findByLocationNear(Point, Distance) 通常是更方便的选择。}
}

运行示例 (在一个 Spring Boot 应用中):

import org.springframework.boot.CommandLineRunner;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.context.annotation.Bean;@SpringBootApplication
public class MongoGeoApplication {public static void main(String[] args) {SpringApplication.run(MongoGeoApplication.class, args);}@BeanCommandLineRunner runner(LocationService locationService) {return args -> {locationService.performGeoQueries();};}
}

总结与要点：

1. 实体定义: 使用 GeoJsonPoint (或其他 GeoJson* 类型) 存储位置，并用 @GeoSpatialIndexed 创建 2dsphere 索引。
2. 坐标顺序: 始终记住 GeoJSON 使用 [longitude, latitude]。Spring Data 的 Point 对象构造函数 new Point(x, y) 中 x 是经度，y 是纬度。
3. Repository 查询: Spring Data Repositories 为常见的地理位置查询（如 Near, Within）提供了便捷的方法名派生。
4. MongoTemplate: 对于更复杂或自定义的地理位置查询（如 $geoIntersects 配合复杂 GeoJSON 对象，或需要更精细控制 $nearSphere 的 $minDistance/$maxDistance），可以使用 MongoTemplate。
5. 单位:
   • org.springframework.data.geo.Distance: 允许你指定单位 (如 Metrics.KILOMETERS, Metrics.MILES)。Spring Data 会在与 MongoDB 交互时处理转换。
   • MongoDB 的 $nearSphere 和 $centerSphere (用于 2dsphere 索引) 默认使用米作为距离单位。
   • 当使用 MongoTemplate 时，需要注意 minDistance/maxDistance 的单位，较新版本的 MongoDB (4.0+) 和 Spring Data MongoDB (2.2+/3.0+) 可以直接使用米。
6. 性能: 地理空间索引对于查询性能至关重要。确保索引已正确创建。