sf项目中的POLYGON FULL功能解析与实现

sf项目中的POLYGON FULL功能解析与实现

【免费下载链接】sf Simple Features for R 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/sf/sf

背景介绍

在空间数据处理中，处理全球范围的多边形是一个常见需求。传统的简单要素标准(Simple Feature Standard)并未定义"完整多边形"(full polygon)的概念，但在处理地理坐标(geodetic coordinates)时，这一概念变得尤为重要。sf包作为R语言中处理空间数据的重要工具，近期实现了对"POLYGON FULL"的支持，使得用户能够更方便地处理全球范围的空间数据。

POLYGON FULL的实现原理

在sf包中，"POLYGON FULL"被实现为一个特殊的几何对象，代表整个地球表面。其内部实现使用了POLYGON((0 -90,0 -90))这种形式，这种表示方法虽然不够直观，但在计算面积等操作时能够正确返回地球表面积(约5.100661×10¹⁴平方米)。

st_as_sfc("POLYGON((0 -90,0 -90))", crs = 4326) |> st_area()
# 5.100661e+14 [m^2]

为了提高用户体验，sf包现在允许直接使用"POLYGON FULL"语法创建全球多边形，特别是在未指定坐标参考系统(CRS)或明确使用地理坐标系统(如WGS84)时。

功能特性与使用示例

基本创建与操作

library(sf)
x = st_as_sfc(c("POINT(0 1)", "POLYGON FULL"), crs = 'OGC:CRS84')
x
# Geometry set for 2 features 
# Geometry type: GEOMETRY
# Dimension:     XY
# Bounding box:  xmin: 0 ymin: -90 xmax: 0 ymax: 1
# Geodetic CRS:  WGS 84 (CRS84)
# POINT (0 1)
# POLYGON FULL

st_area(x)
# Units: [m^2]
# [1] 0.000000e+00 5.100661e+14

与其他几何类型的交互

"POLYGON FULL"可以与其他几何类型混合使用，并支持各种空间操作：

f = st_as_sfc(c("POLYGON FULL", "POLYGON((0 0,1 0,1 1,0 1,0 0))", "POINT(0 1)"), crs = 'OGC:CRS84')
st_is_valid(f)
# [1] TRUE TRUE TRUE

st_make_valid(f)
# Geometry set for 3 features 
# Geometry type: GEOMETRY
# Dimension:     XY
# Bounding box:  xmin: -180 ymin: -90 xmax: 180 ymax: 90
# Geodetic CRS:  WGS 84 (CRS84)
# POLYGON FULL
# POLYGON ((0 0, 1 0, 1 1, 0 1, 0 0))
# POINT (0 1)

技术细节与注意事项

1. CRS要求：虽然"POLYGON FULL"在没有指定CRS时也能创建，但在进行空间操作时，建议明确设置地理坐标系统(如'OGC:CRS84')，以确保计算结果的准确性。

2. s2几何引擎：该功能依赖于s2几何引擎，当关闭s2时(sf_use_s2(FALSE))，尝试创建"POLYGON FULL"会导致错误。

3. 边界框处理：对于"POLYGON FULL"，边界框(st_bbox)会返回全球范围(-180,-90,180,90)。

4. 有效性检查：在没有设置CRS时，全局多边形的有效性检查会返回NA，因为无法确定坐标系统是否为地理坐标。

实际应用案例

在mapme.biodiversity等处理全球数据的包中，"POLYGON FULL"功能特别有用。例如，检查一个区域是否与全球范围相交：

x <- st_as_sfc(st_bbox(read_sf(system.file("shape/nc.shp", package="sf"))))
tile <- st_as_sf(st_as_sfc(st_bbox(c(xmin = -180.0, ymin = -90.0, xmax = 180.0, ymax = 90.0), crs = st_crs(x))))
st_intersects(x, tile, sparse = FALSE)
#      [,1]
# [1,] TRUE

未来发展方向

1. MULTIPOLYGON支持：目前讨论是否需要支持"MULTIPOLYGON FULL"表示形式。

2. 方向性控制：通过options(s2_oriented=TRUE)可以控制多边形的方向处理，未来可能增加更精细的控制选项。

3. 非全球范围处理：对于接近但不完全覆盖全球的多边形(如南纬60度以北的区域)，需要更精确的处理方法。

总结

sf包中"POLYGON FULL"的实现为处理全球范围的空间数据提供了便利。这一功能特别适合处理地理坐标系统下的全球数据集，简化了许多空间分析操作。用户在使用时应注意坐标系统的设置，并了解其在s2几何引擎下的特殊行为。随着空间数据分析需求的增长，这一功能将继续完善，为全球尺度的空间分析提供更强大的支持。

【免费下载链接】sf Simple Features for R 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/sf/sf