Criando JSON hierárquico de resultados do MySQL e PHP para árvore D3.js?

Isso não parece um design decente para dados hierárquicos. Considere outra abordagem como lista de adjacências .

Solução nº 1 - Suporte a MySQL 8 JSON:

Com o MySQL 8 você pode usar JSON_ARRAYAGG() e JSON_OBJECT() para obter o resultado JSON apenas com SQL:

select json_object(
  'name', l1.level_1_name,
  'children', json_arrayagg(json_object('name', l2.level_2_name, 'children', l2.children))
) as json
from level_1 l1
left join (
  select l2.level_2_name
       , l2.level_1_fk
       , json_arrayagg(json_object('name', l3.level_3_name)) as children
  from level_2 l2
  left join level_3 l3 on l3.level_2_fk = l2.level_2_pk
  group by l2.level_2_pk
) l2 on l2.level_1_fk = l1.level_1_pk
group by level_1_pk

O resultado é:

{"name": "Bob", "children": [{"name": "Ted", "children": [{"name": "Fred"}]}, {"name": "Carol", "children": [{"name": "Harry"}]}, {"name": "Alice", "children": [{"name": "Mary"}]}]}

demonstração do db-fiddle

Formatado:

{
    "name": "Bob",
    "children": [
        {
            "name": "Ted",
            "children": [
                {
                    "name": "Fred"
                }
            ]
        },
        {
            "name": "Carol",
            "children": [
                {
                    "name": "Harry"
                }
            ]
        },
        {
            "name": "Alice",
            "children": [
                {
                    "name": "Mary"
                }
            ]
        }
    ]
}

Solução nº 2 - Construindo JSON com GROUP_CONCAT():

Se os nomes não contiverem caracteres de aspas, você poderá construir manualmente a string JSON em versões mais antigas usando GROUP_CONCAT() :

$query = <<<MySQL
    select concat('{',
      '"name": ', '"', l1.level_1_name, '", ',
      '"children": ', '[', group_concat(
        '{',
        '"name": ', '"', l2.level_2_name, '", ',
        '"children": ', '[', l2.children, ']',
        '}'
      separator ', '), ']'        
    '}') as json
    from level_1 l1
    left join (
      select l2.level_2_name
           , l2.level_1_fk
           , group_concat('{', '"name": ', '"',  l3.level_3_name, '"', '}') as children
      from level_2 l2
      left join level_3 l3 on l3.level_2_fk = l2.level_2_pk
      group by l2.level_2_pk
    ) l2 on l2.level_1_fk = l1.level_1_pk
    group by level_1_pk
MySQL;

O resultado seria o mesmo (veja demonstração )

Solução #3 - Construindo uma estrutura nestet com objetos PHP:

Você também pode escrever uma consulta SQL mais simples e construir a estrutura aninhada em PHP:

$result = $connection->query("
    select level_1_name as name, null as parent
    from level_1
    union all
    select l2.level_2_name as name, l1.level_1_name as parent
    from level_2 l2
    join level_1 l1 on l1.level_1_pk = l2.level_1_fk
    union all
    select l3.level_3_name as name, l2.level_2_name as parent
    from level_3 l3
    join level_2 l2 on l2.level_2_pk = l3.level_2_fk
");

O resultado é

name    | parent
----------------
Bob     | null
Ted     | Bob
Carol   | Bob
Alice   | Bob
Fred    | Ted
Harry   | Carol
Mary    | Alice

demonstração

Observação:o nome deve ser exclusivo em todas as tabelas. Mas não sei qual resultado você esperaria, se duplicatas fossem possíveis.

Agora salve as linhas como objetos em um array indexado pelo nome:

$data = []
while ($row = $result->fetch_object()) {
    $data[$row->name] = $row;
}

$data agora conterá

[
    'Bob'   => (object)['name' => 'Bob',   'parent' => NULL],
    'Ted'   => (object)['name' => 'Ted',   'parent' => 'Bob'],
    'Carol' => (object)['name' => 'Carol', 'parent' => 'Bob'],
    'Alice' => (object)['name' => 'Alice', 'parent' => 'Bob'],
    'Fred'  => (object)['name' => 'Fred',  'parent' => 'Ted'],
    'Harry' => (object)['name' => 'Harry', 'parent' => 'Carol'],
    'Mary'  => (object)['name' => 'Mary',  'parent' => 'Alice'],
]

Agora podemos vincular os nós em um único loop:

$roots = [];
foreach ($data as $row) {
    if ($row->parent === null) {
        $roots[] = $row;
    } else {
        $data[$row->parent]->children[] = $row;
    }
    unset($row->parent);
}

echo json_encode($roots[0], JSON_PRETTY_PRINT);

O resultado:

{
    "name": "Bob",
    "children": [
        {
            "name": "Ted",
            "children": [
                {
                    "name": "Fred"
                }
            ]
        },
        {
            "name": "Carol",
            "children": [
                {
                    "name": "Harry"
                }
            ]
        },
        {
            "name": "Alice",
            "children": [
                {
                    "name": "Mary"
                }
            ]
        }
    ]
}

demonstração

Se vários nós raiz forem possíveis (várias linhas em level_1_name ), então use

json_encode($roots);