Spatial Search(Query) - 공간 검색

용어

• OpenGIS

  • WKT, WKB 같은 지리 정보 데이터를 표기하는 방법과 저장하는 방법, SRID와 같은 표준을 포함합니다.

• SRS (Spatial Reference System)

  • SRS는 공간 참조 시스템 정도로 번역할 수 있는데, 그냥 좌표계(Coordinate System)라고 이해하고 SRS는 GCS, PCS로 구분됩니다.

  • 동일 지점이라고 하더라도 어느 공간 좌표계(SRS)를 사용하느냐에 따라 표시 방법이 달라집니다. 예를들어 위도, 경도를 좌표라고 해도 참조하는 공간 좌표계(GCS vs PCS)가 달라지면 실제 위치는 달라집니다.

• GCS (Geographic Coordinate System)

  • GCS는 지구 구체상의 특정 위치나 공간을 표현하는 좌표계를 의미하는데, 흔히위도(Latitude)와 경도(Longitude)와 같이 각도(Angular unit) 단위의 숫자로 표시합니다.

• PCS (Projected Coordinate System)

  • PCS는 구체 형태의 지구를 종이 지도와 같은 평면으로 투영시킨 좌표를 의미합니다. 주로 meter와 같은 선형적인 단위로 표시합니다.

  • GCS와 달리 목적 자체가 다릅니다. GCS는 구체 표면에서 특정 위치를 정의하지만 PCS는 GCS 위치 데이터를 2차원 평면 종이에 어떻게 표현할지를 정의합니다. GCS는 위치(Where)가 관심사이고, PCS는 어떻게(How) 표현할지가 관심사 중 하나입니다. PCS 좌표에는 GCS 좌표도 같이 포함됩니다.

• SRID와 SRS-ID

  • SRID는 “Spatial Reference ID”의 줄임말로서, 특정 SRS를 지칭하는 고유 번호를 의미합니다. SRS-ID와 SRID는 동의어이며, MySQL 서버에서는 SRS 고유 번호를 저장하는 컬럼 이름을 SRS_ID로 사용하고 함수의 인자나 식별자는 SRID를 사용합니다.

• WKT, WKB

  • WKT는 OpenGIS에서 명시한 위치 좌표의 표현 방법이며 사람의 눈으로 쉽게 확인할 수 있는 텍스트 포맷입니다.

  • WKB는 컴퓨터에 저장할 수 있는 이진 포맷의 저장 표준입니다.

    • POINT(15 20) 또는 LINESTRING(0 0, 10 10, 20 25, 50 60) 등과 같이 점이나 도형의 위치 정보를 정의하는 표준입니다.

  • MySQL 서버는 내부적으로 WKT나 WKB 포맷으로 저장하지 않으며, 저장하는 이진 데이터 포맷은 WKB 포맷과 흡사하지만 동일하지는 않습니다.

• R-TREE

  • MBR들의 포함 관계를 가지고 만든 인덱스입니다. 즉, MBR의 계층적 포함 관계를 이용한 인덱스로, 공간 데이터 검색을 위해 B-Tree 형태로 구현되었습니다.

SRS(Spatial Reference System)

MySQL에서 지원하는 SRS는 500여 개가 넘으며 다음 명령을 통해 확인할 수 있습니다.

mysql> DESC information_schema.ST_SPATIAL_REFERENCE_SYSTEMS
+---------------------------+
| Field                     |
+---------------------------+
| SRS_NAME                  |
| SRS_ID                    |
| ORGANIZATION              |
| ORGANIZATION_COORDSYS_ID  |
| DEFINITION                |
| DESCRIPTION               |
+---------------------------+

1. SRS_NAME: 공간 참조 시스템의 이름 (고유값)

2. SRS_ID: 공간 참조 시스템의 숫자 ID (고유값).

   • DB에서 공간 데이터를 처리할 때 어떤 좌표계를 사용할지 결정하는 핵심 값이며, 공간 데이터를 저장하거나 조작할 때 반드시 참조되며, DB가 공간 연산을 정확하게 수행하기 위해 필요한 정보를 찾는 key로 사용됩니다.

3. ORGANIZATION: 좌표 시스템을 정의한 조직의 이름

4. ORGANIZATION_COORDSYS_ID: 해당 조직이 공간 참조 시스템에 부여한 숫자 ID

5. DEFINITION: WKT(Well-Known Text) 형식으로 된 공간 참조 시스템 정의

   • 공간 데이터의 좌표를 해석하고 다른 좌표계로 변환하는 계산을 수행합니다.

   • SRID 0은 특별한 경우로, definition이 비어있다. SRID 0이 지리적 시스템이나 투영법으로 표현될 수 없기 때문입니다.

6. DESCRIPTION: 공간 참조 시스템에 대한 설명

테이블에서 중요한 컬럼은 SRS_ID와 DEFINITION입니다. 그 이유는 공간 데이터의 정확한 위치 참조와 다양한 좌표계 간의 변환을 가능하게 하는 핵심 요소이기 때문입니다.

SRS_ID = 4326인, GPS가 사용하는 좌표계 테이블 정보

mysql> select * from information_schema.ST_SPATIAL_REFERENCE_SYSTEMS 
			 WHERE SRS_ID=4326 \G
			 
 *************************** 1. row ***************************
SRS_NAME: WGS 84
SRS_ID: 4326
ORGANIZATION: EPSG
ORGANIZATION_COORDSYS_ID: 4326
DEFINITION: 
	GEOGCS["WGS 84",
	    DATUM["World Geodetic System 1984", 
	        SPHEROID["WGS 84", 6378137, 298.257223563, AUTHORITY["EPSG", "7030"]],
	        AUTHORITY["EPSG", "6326"]
	    ],
	    PRIMEM["Greenwich", 0, AUTHORITY["EPSG", "8901"]],
	    UNIT["degree", 0.017453292519943278, AUTHORITY["EPSG", "9122"]],
	    AXIS["Lat", NORTH],
	    AXIS["Lon", EAST],
	    AUTHORITY["EPSG", "4326"]
	]
DESCRIPTION: NULL

1. SRS_NAME: WGS 84

2. SRS_ID: 4326

3. ORGANIZATION:

4. ORGANIZATION_COORDSYS_ID:

5. DEFINITION:

   • DEFINITION 컬럼은 항상 “GEOGCS” 또는 “PROJCS”로 시작하는데, 이는 지리 좌표게(GCS)와 투영 좌표계(PCS)를 의미합니다. 지리 좌표계는 대략 483개, 투영 좌표계는 4668개입니다.

   • 중요한 필드인 AXIS는 위도와 경도 순서로 나열되어 있습니다.

   • 그래서 WGS 84 좌표계를 사용하는 위치 정보에서 위치를 표시할 때는 “POINT(위도 경도)”로 표현해야 합니다. ST_X() 함수는 위도, ST_Y() 함수는 경도 값을 반환합니다.

mysql> select ST_X(ST_PointFromText('POINT(37.544738 127.039074)', 4326))
		   as coord_x;
		   
 mysql> select ST_Latitude(ST_PointFromText('POINT(37.544738 127.039074)', 4326))
 			 as coord_latitude;
+-----------+-----------------+
| coord_x   | coord_latitude  |
+-----------+-----------------+
| 37.544738 |     37.544738   |
+-----------+-----------------+
 
위도 경도를 사용하는 SRS에서는 위와 같이 두 함수를 사용할 수 있습니다.
하지만 SRID = 0인 POINT 데이터의 경우에는 ST_Latitue(), ST_Longitude()를 사용할 수 없습니다.
 
mysql> select ST_Latitude(ST_PointFromText('POINT(10 20)', 0)) as coord_latitude;
ERROR 3726 (22S00): Function st_latitude is only defined for geographic spatial reference systems,
but one of its arguments is in SRID 0, which is not geographic.

SRS_ID = 3857인 투영 좌표계 테이블 정보

이 좌표계는 입력되는 값의 단위(UNIT)가 미터(meter)입니다. 투영 좌표계는 웹 페이지에서 지도를 보여주기 위해 사용되며, Google과 Open Street Map, 다수의 웹 기반 지도 프로젝트에서 사용됩니다.

SRID = 4326과는 반대로 AXIS에서 ‘POINT(경도 위도)’ 순서입니다.

MySQL에서 공간 데이터를 저장할 때 SRID를 지정하지 않으면 0인 평면 좌표계로 자동 인식됩니다.

이는 단위가 없는 추상 좌표계를 나타내며, 좌표값의 해석 방식을 결정하기 때문에 상황에 따라 지정하는 것은 중요한 의미를 갖습니다.

SRS_ID(SRS)가 거리 계산에 미치는 영향

다음 예시를 보겠습니다.

// 평면 좌표계 SRID=0을 사용하는 공간 데이터
select ST_Distance(
            ST_PointFromText('POINT(0 0)', 0),
            ST_PointFromText('POINT(1 1)', 0)
) as distance;
+----------------+
| distance       |
+----------------+
| 1.4142135623709|
+----------------+

// 웹 기반 지도 좌표계 SRID=3857
select ST_Distance(
            ST_PointFromText('POINT(0 0)', 3857),
            ST_PointFromText('POINT(1 1)', 3857)
) as distance;
+----------------+
| distance       |
+----------------+
| 1.4142135623709|
+----------------+

// GPS 좌표계 SRID=4326
select ST_Distance(
            ST_PointFromText('POINT(0 0)', 4326),
            ST_PointFromText('POINT(1 1)', 4326)
) as distance;
+----------------+
| distance       |
+----------------+
| 156897.79947260|
+----------------+

1. SRID=0 (평면 좌표계):

   • 결과값 1.4142135623709는 피타고라스 정리를 적용한 유클리드 거리입니다. 이는 단위가 없는 추상적인 평면 좌표계에서의 직선 거리를 의미합니다.

   • 단순히 수학적인 좌표 간 거리를 계산합니다.

2. SRID=3857 (웹 메르카토르 투영 좌표계):

   • 결과값이 SRID=0과 동일합니다. SRID=3857이 미터 단위의 평면 투영 좌표계이기 때문에 웹 메르카토르 투영은 평면 좌표계로 취급되어 유클리드 거리 계산 방식을 사용합니다.

3. SRID=4326 (WGS84 지리 좌표계):

   • 이는 SRID=4326이 지리 좌표계(위도/경도)이기 때문에 결과 값이 다릅니다.

   • 계산된 거리는 지구 표면을 따라 측정된 두 지점 간의 실제 거리입니다.

이 결과는 SRID 값이 단순한 식별자가 아니라 좌표의 해석 방식과 거리 계산 알고리즘을 결정하는 중요한 요소임을 보여줍니다. 동일한 좌표값이라도 SRID에 따라 완전히 다른 물리적 위치와 거리를 나타낼 수 있습니다. 따라서 정확한 값을 얻기 위해 SRID를 설정하지 않는다면 기대하는 값을 계산하지 못할 수 있습니다.

SRID=0으로 지정한 공간 데이터라고 해서 실제 거리(km, meter)를 계산하지 못하는 것이 아니다. 여기서 얘기하는 것은 MySQL 서버가 자동으로 필요한 값을 계산하지 못한다는 것이다.

따라서 SRID = 0인 경우 수동으로 데이터를 WGS84 좌표계로 변환해서 거리 계산을 하거나 별도의 환산 작업을 통해 실제 거리를 계산할 수 있다.

또한, 많은 공간 함수들이 SRID = 0인 경우에만 작동하여, 일부 함수만 WGS84 좌표계 데이터를 처리할 수도 있다. 응용 프로그램에서 사용하는 공간 함수들이 어떤 SRID를 지원하는지 먼저 검토하고 그에 맞는 공간 좌표계 사용을 권한다고 한다.