Shapely几何对象操作指南：从基础到实践

Shapely几何对象操作指南：从基础到实践

shapely Manipulation and analysis of geometric objects 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/sh/shapely

概述

Shapely是一个强大的Python库，专注于平面几何对象的集合论分析和操作。它基于GEOS库（Java Topology Suite的C++移植版本），为Python开发者提供了处理点、线、面等几何对象的能力，而无需依赖空间数据库系统。

核心概念

空间数据模型

Shapely实现了三种基本几何对象类型：

1. 点(Point)：零维对象，仅包含一个坐标点
2. 线(LineString/LinearRing)：一维对象，由一系列有序点组成
3. 面(Polygon)：二维对象，由外环和可选的内环（孔洞）组成

每种几何对象都有三个互斥的点集：内部(interior)、边界(boundary)和外部(exterior)。

几何关系

Shapely提供了一系列自然语言关系谓词：

• contains：包含
• intersects：相交
• overlaps：重叠
• touches：接触
• 等等

这些关系基于DE-9IM（Dimensionally Extended 9-Intersection Model）矩阵理论实现。

坐标系统

Shapely工作在笛卡尔平面坐标系中，不支持坐标系统转换。所有操作都假设几何对象位于同一平面。

几何对象详解

通用属性和方法

所有几何对象共享一些基本属性和方法：

# 面积（面对象才有非零值）
geom.area  

# 边界框(minx, miny, maxx, maxy)
geom.bounds  

# 长度（线对象才有非零值）
geom.length  

# 几何类型
geom.geom_type  

# 计算到另一几何对象的最小距离
geom.distance(other)  

# 计算Hausdorff距离（1.6.0新增）
geom.hausdorff_distance(other)  

# 获取几何对象内的代表性点
geom.representative_point()  

点(Point)

from shapely import Point

# 创建点对象
p = Point(0.0, 0.0)  

# 访问坐标
p.x  # 0.0
p.y  # 0.0
p.coords  # [(0.0, 0.0)]

线(LineString)

from shapely import LineString

# 创建线对象（至少需要2个点）
line = LineString([(0, 0), (1, 1)])  

# 访问坐标序列
list(line.coords)  # [(0.0, 0.0), (1.0, 1.0)]

环(LinearRing)

from shapely import LinearRing

# 创建环对象（自动闭合）
ring = LinearRing([(0, 0), (1, 1), (1, 0)])  

# 坐标序列自动闭合
list(ring.coords)  # [(0.0, 0.0), (1.0, 1.0), (1.0, 0.0), (0.0, 0.0)]

面(Polygon)

from shapely import Polygon

# 创建简单多边形
poly = Polygon([(0, 0), (1, 1), (1, 0)])  

# 创建带孔洞的多边形
poly_with_hole = Polygon(
    [(0, 0), (0, 10), (10, 10), (10, 0)],  # 外环
    [[(1, 1), (1, 2), (2, 2), (2, 1)]]     # 内环列表
)

# 访问外环和内环
poly.exterior  # 外环LinearRing对象
poly.interiors  # 内环列表

注意事项

1. Z坐标：Shapely会忽略z坐标值，所有计算都在x-y平面进行
2. 几何有效性：Shapely不会自动验证几何对象的有效性
3. 性能考虑：避免在几何对象中包含重复点
4. 环的自相交：虽然可以创建自相交的环，但操作时可能引发异常

实际应用示例

创建矩形多边形

from shapely.geometry import box

# 创建矩形(左下角x,y, 右上角x,y)
rect = box(0, 0, 1, 1)  

计算几何关系

point = Point(0.5, 0.5)
polygon = Polygon([(0, 0), (0, 1), (1, 1), (1, 0)])

# 判断点是否在多边形内
point.within(polygon)  # True

# 计算两个几何对象的交集
line = LineString([(0, 0), (1, 1)])
line.intersection(polygon)  # 返回相交部分的几何对象

总结

Shapely为Python提供了强大的几何计算能力，特别适合需要在不依赖空间数据库的情况下进行空间分析的场景。通过理解其核心概念和对象模型，开发者可以高效地处理各种空间关系计算和几何操作任务。

shapely Manipulation and analysis of geometric objects 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/sh/shapely