python包介绍:GeoPandas(初识)
1 GeoPandas介绍
GeoPandas是一个开源项目,可以更轻松地使用python处理地理空间数据。
GeoPandas扩展了Pandas中使用的数据类型DataFrame,允许对几何类型进行空间操作。
GeoPandas的目标是使在python中使用地理空间数据更容易。它结合了Pandas和Shapely的能力,提供了Pandas的地理空间操作和多种Shapely的高级接口。GeoPandas可以让您轻松地在python中进行操作,否则将需要空间数据库,如PostGIS。
1.1 GeoPandas 概念
GeoPandas 的核心是 geopandas.GeoDataFrame,
pandas.DataFrame的一个子类。这个GeoDataFrame可以存储几何列并执行空间操作。
几何图形由
geopandas.GeoSeries处理。它是panda.series的一个子类。
GeoDataFrame 是一组Series的组合(可以是数字、文本、布尔变量等等),同时GeoDataFrame也包括了带有几何图形信息的geopandas.GeoSeries(点、多边形等)
每个GeoSeries可以包含任何几何类型,并具有一个GeoSeries.crs属性,它存储关于投影的信息(crs代表坐标参考系统 Coordinate Reference System)。因此,GeoDataFrame中的每个GeoSeries可以在不同的投影中,例如,允许您拥有相同几何图形的多个版本(不同投影)。
GeoDataFrame中只有一个GeoSeries被认为是活跃的几何图形,这意味着应用于GeoDataFrame的所有几何操作都是在这个活动列上操作的。
2读取和写文件
2.1 读文件
假设我们有一个文件,这个文件同时有数据和几何信息(比如,GeoPackage, GeoJSON,Shapefile等),我们可以用geopandas.read_file来读取它。这个操作可以自动探测文件属性,并创建一个GeoDataFrame。
比如我们使用’nybb‘数据集,这个数据集是纽约各区地图,GeoPandas安装的一部分。
import geopandaspath_to_data = geopandas.datasets.get_path("nybb") gdf = geopandas.read_file(path_to_data)gdf
2.2 写文件
写文件直接用GeoDataFrame.to_file即可
默认的文件格式是Shapefile,但是你也可以用driver来赋值给
3 简单的方法
现在我们有了GeoDataFrame,可以开始处理它的几何属性了。
因为我们只从文件中读取了一个几何列,它被自动视为活跃几何属性。GeoDataFrame上定义的方法将应用到“几何”列。
3.1 测量面积
计算一个多边形的面积,我们可以使用GeoDataFrame.area属性,他会返回一个 pandas.Series。
注意
GeoDataFrame.area只会应用于活跃的几何列
gdf = gdf.set_index("BoroName")
gdf
gdf["area"] = gdf.area
gdf
3.2 得到多边形的边界
GeoDataFrame.boundary
.
3.3 得到多边形的质心
3.4 测量距离
我们还可以测量每个质心与第一个质心的距离。
这里我们先设定一个 Point作为我们的基准点,然后对某一列进行求距离的操作
求得的结果是一个DataFrame,所以我们可以在地理空间数据集上使用所有的pandas功能,并使用属性和几何信息一起做数据操作。
3.5 制作地图
GeoPandas还可以绘制地图,这样我们就可以检查我们的几何图形在空间中的样子。
方法就是GeoDataFrame.plot()
在下面的例子中,我们对gdf画图
3.5.1 首先我们查看当前的活跃几何列
3.5.2 然后绘图
(这个相当于底图)
我们用当前的活跃几何列描绘某一列GeoSeries
3.5.3 切换活跃列
我们切换活跃列(set_geometry),出来的就是不一样的东西
3.5.4 叠加GeoSeries
我们也可以将两个GeoSeries叠加在一起。我们只需要用一个图作为另一个图的轴axis。
gdf["centroid"]是在ax之上画成的,所以ax是“最底层”。
因而右边的图,ax交换之后,就显示不出黑点了,因为gdf["centroid"]被 gdf["geometry"]覆盖住了
4 创建几何图形
在我们已经有的几何图形的基础上,我们可以创建新的图形
4.1 凸包 convex hull
GeoDataFrame.convex_hull
.
4.2 缓冲 buffer
在某些情况下,我们可能需要使用GeoDataFrame.buffer()缓冲几何图形。
GeoDataFrame.buffer()方法会自动应用于活跃的几何列,但我们也可以直接应用于任何GeoSeries。
让我们缓冲 区和它们的中心,并把它们画在一起。
缓冲活跃几何列10000英尺
gdf["buffered"] = gdf.buffer(10000)
缓冲质心几何列10 000英尺
gdf["buffered_centroid"] = gdf["centroid"].buffer(10000)
做图可视化
ax = gdf["buffered"].plot(alpha=.5,figsize=(15,15)) gdf["buffered_centroid"].plot(ax=ax, color="red", alpha=.5) gdf["bound"].plot(ax=ax, color="white", linewidth=.5)
5 几何相关性
我们也可以去研究不同几何列的空间关系。利用上面的几何图形,我们可以检查哪些缓冲区与布鲁克林的原始几何体相交,也就是说,距离布鲁克林10000英尺以内的区域。
首先我们先找到布鲁克林区的多边形
gdf.loc["Brooklyn", "geometry"]
5.1 相交
然后我们可以看哪些 gdf["buffered"]
里面的几何体和布鲁克林区相交
5.2 在原始多边形内
我们可以检查哪些缓冲质心是完全在原多边形内的。
画图认证:
gdf = gdf.set_geometry("buffered_centroid") ax = gdf.plot("within", legend=True, categorical=True, legend_kwds={'loc': "upper left"}) # using categorical plot and setting the position of the legend gdf["bound"].plot(ax=ax, color="black", linewidth=.5) # passing the first plot and setting linewitdth to 0.5
6 投影
每一个GeoSeries 都有一个坐标参考系 Coordinate Reference System (CRS),GeoSeries.crs
CRS告诉GeoPandas几何图形的坐标在地球上的位置。
在某些情况下,CRS是地理坐标,这意味着坐标以纬度和经度表示。在这些情况下,其CRS是WGS84,其授权代码是EPSG:4326。
让我们看看纽约区GeoDataFrame的投影
使用英尺坐标的几何图形的授权代码是
EPSG:2263。我们可以通过
GeoSeries.to_crs()将GeoSeries投影到别的授权编码上gdf = gdf.set_geometry("geometry") boroughs_4326 = gdf.to_crs("EPSG:4326") boroughs_4326.crs
两个编码的区别在于,我们之前两个点的举例是 120 000 - 280 000 (feet),现在是 40.5 - 40.9 (degrees)
参考资料:Introduction to GeoPandas — GeoPandas 0.9.0 documentation
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