30分钟学会shapely空间几何分析
Python与算法之美
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2021-03-15 20:17
shapely是python中开源的空间几何对象库，支持Point(点)，LineString(线)， Polygon(面)等几何对象及相关空间操作。
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实践证明，它的以下一些功能特性非常常用：
几何对象可以和numpy.array互相转换。
可以轻松求线的长度(length)，面的面积（area)，对象之间的距离(distance),最小最大距离(hausdorff_distance)。
可以轻松求几何对象之间的关系：相交(intersect)，包含(contain)，求相交区域(intersection)等。
可以轻松对几何对象求几何中心(centroid),缓冲区(buffer),最小旋转外接矩形(minimum_rotated_rectangle)等。
可以求线的插值点(interpolate),可以求点投影到线的距离(project),可以求几何对象之间对应的最近点(nearestPoint)
可以轻松对几何对象进行旋转(rotate)和缩放(scale)。
#安装shapely
!pip install shapely
from shapely import geometry as geo
from shapely import wkt
from shapely import ops
import numpy as np
一，Point对象
# 创建Point对象
pt1 = geo.Point([0,0])
print(pt1)
coord = np.array([0,1])
pt2 = geo.Point(coord)
print(pt2)
pt3 = wkt.loads("POINT(1 1)")
print(pt3)
#批量可视化
geo.GeometryCollection([pt1,pt2,pt3])
# 常用属性
print(pt1.x)
print(pt1.y)
print(list(pt1.coords))
print(np.array(pt1)) #可以和np.array互转
# 常用方法
d = pt2.distance(pt1)
print(d)
二, LineString对象
# 创建LineString对象
line1 = geo.LineString([(0,0),(1,-0.1),(2,0.1),(3,-0.1),(5,0.1),(7,0)])
line1
arr = np.array([(2,2),(3,2),(4,3)])
line2 = geo.LineString(arr)
line2
line3 = wkt.loads("LineString(-2 -2,4 4)")
line3
# 常用属性
print(line2.length)
print(list(line2.coords))
print(np.array(line2)) #可以和np.array互转
print(line2.bounds) #坐标范围
center = line2.centroid #几何中心
geo.GeometryCollection([line2,center])
bbox = line2.envelope #最小外接矩形
geo.GeometryCollection([line2,bbox])
rect = line2.minimum_rotated_rectangle #最小旋转外接矩形
geo.GeometryCollection([line2,rect])
# 常用方法
d1 = line1.distance(line2) #线线距离
print(d1)
d2 = line1.distance(geo.Point([-1,0])) #线点距离
print(d2)
d3 = line1.hausdorff_distance(line2) #最小最大距离
print(d3)
pt_half = line1.interpolate(0.5,normalized=True) #插值
geo.GeometryCollection([line1,pt_half])
ratio = line1.project(pt_half,normalized=True) #投影
print(ratio)
line1_simplify = line1.simplify(0.5) #化简 DouglasPucker算法
print(line1)
print(line1_simplify)
line1_simplify
buffer_with_circle = line2.buffer(0.2) #端点按照半圆扩展
geo.GeometryCollection([line2,buffer_with_circle])
buffer_without_circle = line2.buffer(0.2,cap_style=2) #端点不扩展
geo.GeometryCollection([line2,buffer_without_circle])
buffer_with_square = line2.buffer(0.2,cap_style=3) #端点按照方形扩展
geo.GeometryCollection([line2,buffer_with_square])
buffer_round_join = line2.buffer(0.2,join_style=1) #圆弧连接
geo.GeometryCollection([line2,buffer_round_join])
buffer_angle_join = line2.buffer(0.2,join_style=2) #折角连接
geo.GeometryCollection([line2,buffer_angle_join])
print(line2.intersects(line3)) #线线关系，是否相交
print(line2.intersection(line3)) #线线交点
print(line2.contains(geo.Point(2.5,2))) #点线关系
三，Polygon对象
# 创建Polygon对象
poly1 = geo.Polygon([(0,0),(1,0),(1,1),(0,1),(0,0)]) #起点和终点相同
poly1
coords = np.array([(0,0),(1,0.1),(2,0),(1,2),(0,0)])
poly2 = geo.Polygon(coords)
poly2
#第一个括号是外部坐标，后面的是内部空洞坐标
poly3 = wkt.loads("POLYGON((0 0,2 0,2 2,0 2,0 0),(0.5 0.5,1.5 0.5,1.5 1.5,0.5 1.5,0.5 0.5))")
poly3
#创建bbox对象
poly4 = geo.Polygon.from_bounds(xmin=0,ymin=0,xmax=20,ymax=20)
poly4
#常用属性
print(poly1.area) #面积
print(poly1.length) #周长
print(np.array(poly1.exterior)) #外围坐标点
print(poly3.bounds) #坐标范围
center = poly3.centroid #几何中心
geo.GeometryCollection([center,poly3])
poly3.boundary #边缘
rect = poly2.minimum_rotated_rectangle #最小外接矩形
geo.GeometryCollection([rect,poly2])
# 常用方法
r1 = poly2.contains(geo.Point(0,0)) #面点关系
print(r1)
r2 = poly2.intersects(geo.LineString([(0,0),(5,5)])) #面线关系
print(r2)
r3 = poly2.intersects(poly3) #面面关系
print(r3)
geo.GeometryCollection([poly1,line3])
inter = poly1.intersection(line3) #面线交集
geo.GeometryCollection([poly1,inter])
geo.GeometryCollection([poly1,poly2])
poly1.intersection(poly2) #面面交集
poly1.union(poly2) #面面并集
poly2.difference(poly1) #面面补集
poly2.simplify(0.5) #简化
print(poly2.area)
poly2_bigger = poly2.buffer(0.2) #外扩面积变大
print(poly2_bigger.area)
poly2_smaller = poly2.buffer(-0.2) #内扩面积变小
print(poly2_smaller.area)
poly2_smaller
四，其他几何对象
# MultiPoint 多点
x = np.linspace(0,2*np.pi,10)
y = np.sin(x)
points = [geo.Point(i,j) for i,j in zip(x,y)]
multipoints = geo.MultiPoint(points )
multipoints
hull = multipoints.convex_hull #凸包
geo.GeometryCollection([hull,multipoints])
# MultiLineString 多线
multilines = geo.MultiLineString([line1,line2])
multilines
# MultiPolygon 多面
multipolys = geo.MultiPolygon([poly1,poly2])
multipolys
# GeometryCollection 对象集合
geoms = [pt1,pt2,pt3,line3,poly3]
geo.GeometryCollection(geoms) #方便在jupyter 中对多个几何对象可视化
五，进阶操作
以下是一些非常有用但是不属于某个类的方法的函数。
ops.nearest_points 求最近点
ops.split 分割线
ops.substring 求子串
affinity.rotate 旋转几何体
affinity.scale 缩放几何体
affinity.translate 平移几何体
from shapely import ops,affinity
poly1 = geo.Polygon([(0,0),(2,0),(1,1),(0,0)])
poly2 = geo.Polygon([(4,0),(6,0),(6,2),(4,2),(4,0)])
p1,p2 = ops.nearest_points(poly1,poly2)
geo.GeometryCollection([poly1,poly2,p1,p2])
poly1_rot30 = affinity.rotate(poly1,30,origin = "centroid")
geo.GeometryCollection([poly1,poly1_rot30])
poly1_scale = affinity.scale(poly1,xfact=2.0,yfact=2.0)
geo.GeometryCollection([poly1,poly1_scale])
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