基于Python的開源GIS應(yīng)用開發(fā)

林旻 徐志

（1.南京審計(jì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心 江蘇省南京市 211800 2.江蘇省南京市江寧區(qū)審計(jì)局 江蘇省南京市 211100）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，Python 作為一種腳本語言在目前已經(jīng)有了十分廣泛的應(yīng)用，其擁有的強(qiáng)大功能使其得到了許多行業(yè)領(lǐng)域得認(rèn)同，它不像其他語言一樣需要使用編譯器，同時(shí)還擁有十分豐富的函數(shù)庫，人們能夠通過Python 語言高效地開發(fā)出新的應(yīng)用程序。GIS 即是指地理信息系統(tǒng)，對地理分布、空間分布等數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、存儲(chǔ)、查詢以及分析和顯示等操作，將這些數(shù)據(jù)變成地圖并使其視覺化，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于許多不同的領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，我國的地理信息技術(shù)也在發(fā)生質(zhì)的改變，同時(shí)也需要不斷利用新的技術(shù)手段促進(jìn)其持續(xù)發(fā)展。而如果利用Python進(jìn)行GIS 的開發(fā)和應(yīng)用、利用Python 調(diào)用ArcPy 集成ArcGIS 空間分析，那么過程必然會(huì)變得更加簡便，本文就利用Python 語言及其函數(shù)庫對GIS 應(yīng)用的開發(fā)進(jìn)行了具體的研究。

1 Python與GIS

眾所周知Python 是一種擁有強(qiáng)大函數(shù)庫的語言，而其函數(shù)庫又可分為第三方函數(shù)庫和標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫兩大類，其中第三方函數(shù)庫指的是在原有基礎(chǔ)上開發(fā)而來的，是Python 區(qū)別于其他眾多語言之處。而標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫則是指Python 本身就有的函數(shù)庫，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、字符、系統(tǒng)等基礎(chǔ)性的操作控制，Python 中有超過200 個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)庫[1-2]。而如果要在Python 的基礎(chǔ)上進(jìn)行GIS 的應(yīng)用開發(fā)，那么必然就需要使用到第三方函數(shù)庫，以下便是幾個(gè)在GIS 應(yīng)用開發(fā)中常用的Python 第三方函數(shù)庫的簡單介紹。

1.1 Arcpy

ArcGIS 適用于地理處理操作，能夠完成空間分析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、地圖模型制作等任務(wù)，它支持多種腳本語言，但自從ArcGIS10 的出現(xiàn)，其默認(rèn)安裝程序已經(jīng)不再是VBA 了，近幾年主要以Python作為其替代，而Arcpy 作為ArcGIS10.X 的原有程序窗口，主要被應(yīng)用于地理數(shù)據(jù)的交互處理。首先，程序語言編輯器也被稱作了集成開發(fā)環(huán)境，開源軟件、商業(yè)軟件均是市場上常見的程序語言編輯器，Arcpy 的常用語言編輯器有spyder、Python Shell 等。而Arcpy在spyder2.7 編輯器中的編輯和運(yùn)行，則需要按照一定的步驟進(jìn)行。ArcGIS 在Arcpy 中的開發(fā)應(yīng)用還需要很好地掌握ModelBulider，從而才能更好地發(fā)揮Python 的腳本作用。ArcGIS 的處理框架包括了ArcToolbox、ModelBulider、Python 三大部分。在ArcToolbox 中主要有三種工具箱，腳本工具箱、內(nèi)置工具箱和模型工具箱，其中腳本工具箱是執(zhí)行、處理相關(guān)腳本文件的，內(nèi)置工具箱則可實(shí)現(xiàn)對某一命令的批處理，模型工具箱則是由ModelBulider 創(chuàng)建的。ModelBulider 包括了連接器、值變量、數(shù)據(jù)變量以及工具四種類型[3-4]。對于已經(jīng)構(gòu)建好的模型流程圖可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)镻ython 代碼，按照順序單擊Model--Export--To Python Script 就能夠完成對其的轉(zhuǎn)變了。運(yùn)用ArcGIS 的空間分析功能，將土地利用現(xiàn)狀調(diào)查成果、南京天地圖數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像ENVI 識(shí)別數(shù)據(jù)的建設(shè)和占用，與飲用水水源保護(hù)紅線區(qū)域作疊置分析，并且借助model-builder 固化相關(guān)審計(jì)模型[5]。

1.2 Geopandas

Geopandas 是建立在pandas 基礎(chǔ)上的第三方函數(shù)庫，主要用于地理空間數(shù)據(jù)的處理，在繼承了pandas 的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還為地理空間數(shù)據(jù)的操作提供了高級接口，從而賦予Python 進(jìn)行GIS 的相關(guān)操作的可能性。Geopandas 中包括了geodataframe、geoseris 兩種數(shù)據(jù)類型，分別是pandas 和dataframe 的子類，這兩種類型的數(shù)據(jù)也可以被理解為空間數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存器，能夠記錄空間對象的幾何位置、屬性等。而shapefile、geodataframe 作為兩種不同格式的文件是可以實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化的。通過Geopandas，我們可以制作平面的、曲面等多種幾何形狀的地圖信息，還能進(jìn)行標(biāo)點(diǎn)、著色等，能夠?qū)崿F(xiàn)批量化的GIS 操作。Geopandas 有點(diǎn)/點(diǎn)集合、線/線集合、多邊形/多邊形集合三個(gè)基本類的幾何對象，通過Geopandas，我們可以實(shí)現(xiàn)讀取空間數(shù)據(jù)、寫入空間數(shù)據(jù)等操作。Geopandas 可以讀取shapefile、GeoJSON 文件等格式的命令，使用“GeoDataFrame.to_file（）”這一方法則可導(dǎo)出多種不同的標(biāo)準(zhǔn)格式，從而寫入空間數(shù)據(jù)。matplotlib 庫作為用于地圖的制作的高級接口，其操作十分簡便。而地理信息有時(shí)也需要進(jìn)行投影，投影又包括了設(shè)置投影和重新投影兩種操作，如果使用了“from_file（）”命令加載的數(shù)據(jù)那么一般都會(huì)有投影信息，而如果沒有獲得投影信息，那么就需要設(shè)置CRS 以設(shè)置投影[6-7]。

1.3 GDAL/OGR

GDAL/OGR 文庫主要被應(yīng)用于GIS 格式和擴(kuò)展之間的轉(zhuǎn)換，其目前能夠支持上百個(gè)光柵驅(qū)動(dòng)盤以及矢量，有著十分廣泛的應(yīng)用，例如ArcGIS、GRASS GIS、ERDAS 等絕大部分的GIS 軟件都需要使用 GDAL/OGR 進(jìn)行翻譯，通過 GDAL/OGR 庫，能夠?qū)崿F(xiàn)對地理空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的柵格文件數(shù)據(jù)和矢量的支持。GDAL 對于數(shù)據(jù)的解析需要使用到抽象數(shù)據(jù)模型，而抽象數(shù)據(jù)模型又包括了坐標(biāo)系統(tǒng)、dataset、colortable 等。GDAL 包括了GDALMajorObject類和GDALDriver 類，前者是帶有元數(shù)據(jù)的對象，后者則是對文件進(jìn)行格式分類管理的。OGR 可分為Geometry、Spatial Reference、Feature 以及Feature Definition 等共七部分，其中Geometry 可實(shí)現(xiàn)幾何操作、格式轉(zhuǎn)換、空間投影等，Spatial Reference 能夠?qū)崿F(xiàn)投影和基準(zhǔn)面的定義，F(xiàn)eature 則容納了geometry 和geometry 的雙重屬性[8-9]。

1.4 RSGISLib

RSGISLib 庫能夠?qū)D像進(jìn)行詳細(xì)的分類、過濾、統(tǒng)計(jì)，是遙感工具光柵處理和分析的函數(shù)庫。

1.5 PyProj

PyProj 庫能夠進(jìn)行各種地理參考系統(tǒng)投影和坐標(biāo)的變換，也能夠利用特定的基準(zhǔn)對地面、距離進(jìn)行測量和計(jì)算。PyProj 作為一個(gè)開源項(xiàng)目，也能夠被其他語言進(jìn)行調(diào)用，其包括了Proj 和Geod 兩大類，其中Geod 主要被應(yīng)用于兩個(gè)不同位置點(diǎn)之間的距離、相對的方位等，而且也能在兩點(diǎn)間插入不同要求的點(diǎn)，其主要包括了fwd（）、inv（）、npts（）三個(gè)函數(shù)，第一個(gè)函數(shù)是正轉(zhuǎn)換函數(shù)，輸入前方位角和后方位角，能夠得出經(jīng)緯度；第二個(gè)函數(shù)是反轉(zhuǎn)換函數(shù)，輸入經(jīng)緯度，然后就能得出前方位角、后方位角和距離；第三個(gè)函數(shù)中輸入起始點(diǎn)及終點(diǎn)的坐標(biāo)、等分點(diǎn)數(shù)目，就能得出等分點(diǎn)之間的球面距離。其中Proj 的主要功能是實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯度和地圖投影坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換的過程中，需要使用到“transform（）”函數(shù)，才能實(shí)現(xiàn)制圖的有效轉(zhuǎn)換。transform（）函數(shù)就相當(dāng)于Proj中的子程序，其用法為：x2,y2,z2=transform(p1,p2,x,y,z=None,radians=False)，再輸入x,y,z 的時(shí)候，可以分別是數(shù)組或序列的某一種形式[10]。

2 基于Python的開源GIS應(yīng)用開發(fā)

本文以Arcpy 作為開源GIS 應(yīng)用開發(fā)基本的函數(shù)庫，對具體的操作進(jìn)行了簡要的講解，具體如下。

在進(jìn)行ArcGIS 地理處理前，需要將Arcpy 站包點(diǎn)導(dǎo)入，并對Arcpy 當(dāng)前工作空間進(jìn)行設(shè)置，具體代碼如下：

Import arcpy

from arcpy import env

env.workspace=“c:/data/data.gdb”

這就是對工作環(huán)境的基本設(shè)置，完成后我們需要使用到Analysis Tools 中的Buffer，雙擊打開工具后將相關(guān)的參數(shù)填入，然后即可關(guān)閉并執(zhí)行Buffer 工具，可以使用右側(cè)的工具幫助或代碼自動(dòng)補(bǔ)全功能進(jìn)行操作，具體代碼如下：

Import arcpy

arcpy.Buffer_analysis("Streams","Stream_Buff","X Meters")

然后便會(huì)出現(xiàn)X 米的多邊形圖層，這時(shí)我們可以使用pan 和zoom 工具進(jìn)行平移或縮放，以便于看清輸出要素。此時(shí)，一個(gè)非常簡單的地理圖像信息就構(gòu)建完成了。但使用Arcpy 進(jìn)行GIS 應(yīng)用開發(fā)是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，由于篇幅限制本文不再做更加詳細(xì)的講解了，需要者可從其他渠道學(xué)習(xí)更為全面、更為深入的操作技能。

3 結(jié)語

Python 作為一種編程語言，有著可伸縮度高、可跨平臺(tái)、可嵌入以及穩(wěn)定成熟和免費(fèi)開源等優(yōu)勢，因而其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。數(shù)年前人們早已將Python 應(yīng)用于GIS 的開發(fā)上，使開源GIS 的應(yīng)用開發(fā)變得更加簡便。在Python 的基礎(chǔ)上進(jìn)行開源GIS 的應(yīng)用開發(fā)，能夠較好地對復(fù)雜的地理信息系統(tǒng)進(jìn)行處理，從而大幅提高GIS 的處理效率。而隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，Python 的第三方庫也在不斷擴(kuò)大，為GIS 的開發(fā)提供了更加多樣化的選擇。以上就是本文對于基于Python 的開源GIS 應(yīng)用開發(fā)進(jìn)行了詳細(xì)的討論，在對幾個(gè)常用的第三方函數(shù)庫進(jìn)行簡單介紹的基礎(chǔ)上進(jìn)行了開源GIS 應(yīng)用開發(fā)的舉例，以期對相關(guān)學(xué)習(xí)者、使用者提供一些參考。