基于Python的地理空間數(shù)據(jù)可視化探究

胡 楠，孟憲偉，王彥超

(遼寧科技學(xué)院 曙光大數(shù)據(jù)學(xué)院，遼寧 本溪 117004)

1 OpenStreetMap地理空間數(shù)據(jù)

1.1 數(shù)據(jù)下載

開(kāi)放地圖包含了豐富的地理數(shù)據(jù)，其目標(biāo)是向所有人提供地理數(shù)據(jù)使用及分享[1]，用戶只需在OpenStreetMap官網(wǎng)的首頁(yè)“Geofabrik下載”鏈接下載所需的世界各個(gè)國(guó)家地區(qū)的地理數(shù)據(jù)壓縮文件。

1.2 數(shù)據(jù)描述

每個(gè)數(shù)據(jù)包的主文件為ESRI(美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所公司)開(kāi)發(fā)的一種空間數(shù)據(jù)開(kāi)放格式數(shù)據(jù)文件，地理數(shù)據(jù)一般比較通用的格式是shp(Shapefile)文件；可以存儲(chǔ)井、河流、湖泊等空間對(duì)象的幾何位置，主要包括描述空間對(duì)象對(duì)應(yīng)的幾何體的點(diǎn)、折線與多邊形的空間數(shù)據(jù)。

2 Python數(shù)據(jù)可視化

2.1 繪制多邊形

1)地理坐標(biāo)系(Geographic Coordinate System)

地理坐標(biāo)系使用三維球面來(lái)定義地球表面的任何一個(gè)地標(biāo)的位置，并在地球表面的所有的地標(biāo)點(diǎn)位應(yīng)用經(jīng)緯度坐標(biāo)系來(lái)標(biāo)注的方法，在球面系統(tǒng)中，水平線為緯線、垂直線為經(jīng)線。

2)多邊形類型(Polygon和MultiPolygon)

任何一個(gè)區(qū)域、國(guó)家和省份都對(duì)應(yīng)一個(gè)多邊形，每個(gè)多邊形是由一系列邊線上的點(diǎn)組成的，而點(diǎn)的坐標(biāo)分別為該點(diǎn)在球面系統(tǒng)的緯線和經(jīng)線值，每一行為多邊形邊線上一個(gè)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。多邊形又分為Polygon和MultiPolygon，二者的區(qū)別如下：

(1)Polygon：為單面封閉多邊形，且其中第一行數(shù)據(jù)與最后一行數(shù)據(jù)相同，即第一個(gè)點(diǎn)與最后一個(gè)點(diǎn)重疊，這樣才能保證多邊形的封閉。Shapefile數(shù)據(jù)文件，為我們繪制地理空間圖形提供的數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)格式如圖1(a)所示，該數(shù)據(jù)是某個(gè)行政區(qū)域的多邊形的shapely.geometry.polygon.Polygon類的對(duì)象。

(a)Polygon數(shù)據(jù)格式

(2)MultiPolygon：MultiPolygon為多面封閉多邊形，MultiPolygon類型數(shù)據(jù)特征是一個(gè)MultiPolygon可能存在多個(gè)Polygon單面多邊形數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式如圖1(b)所示，第一個(gè)Polygon代表這個(gè)整體的MultiPolygon對(duì)象的整體外部輪廓，而后續(xù)的每個(gè)Polygon對(duì)象是前一個(gè)Polygon對(duì)象的內(nèi)部空洞或內(nèi)部線條。

3)Python繪制多邊形

本文分為兩種情況探討繪制多邊形方法。

(1)如果繪制單面封閉多邊形，只需將Polygon對(duì)象轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的每一行數(shù)據(jù)拆分成每個(gè)點(diǎn)的經(jīng)緯度值，并分別構(gòu)造列表為lats和lons，使用matplotlib.pyplot.plot(lats,lons)函數(shù)來(lái)繪制一個(gè)封閉多邊形，如圖2(a)所示。

(2)如果是繪制多面封閉多邊形，先需將MultiPolygon對(duì)象轉(zhuǎn)換為Polygon對(duì)象，具體可以使用遞歸的方法，依次將每個(gè)Polygon對(duì)象依次轉(zhuǎn)換為兩個(gè)列表lats和lons，再使用列表的list.extend()函數(shù)把后Polygon對(duì)象對(duì)應(yīng)列表追加到前一個(gè)列表末尾，構(gòu)造出包含外部多邊形和內(nèi)部空洞多邊形或內(nèi)部線條總的經(jīng)緯度列表lats和lons，然后再繪制多邊形，如圖2(b)所示。

(a)Polygon多邊形圖形

(b) MultiPolygon多邊形圖形

2.2 地理數(shù)據(jù)信息注記

1)注記信息的目的和意義

隨著地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)的廣泛應(yīng)用, 有效準(zhǔn)確的地圖信息標(biāo)注是GIS的基本功能也是重要的研究問(wèn)題，更是備受社會(huì)各界關(guān)注的問(wèn)題，因?yàn)闊o(wú)論應(yīng)用在哪個(gè)具體的行業(yè)， GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接影響到所要建立的地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,并直接影響到基于該空間地理數(shù)據(jù)信息的應(yīng)用、分析、決策的準(zhǔn)確性和可信度。

2)注記信息的屬性

注記一個(gè)區(qū)域文本信息的意義要遠(yuǎn)大于繪制多邊形的邊線，由于地理空間數(shù)據(jù)可視化不僅包括每個(gè)封閉區(qū)域邊線的繪制，還需要每個(gè)區(qū)域文本信息的標(biāo)注，而確定信息注記位置也是實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)可視化的關(guān)鍵點(diǎn)和重要組成部分，注記標(biāo)簽中的文字是要素的某個(gè)字段屬性，且標(biāo)記文本具有自己地理位置(文本的注記經(jīng)緯度)和屬性(文本要素的顯示字樣)，注記文本應(yīng)有自己的顯示模式和風(fēng)格，但是地理空間數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)注記文本的注記位置并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)。

3)注記信息的位置

中心點(diǎn)是2012年公布的地理信息系統(tǒng)名詞，本文使用地理區(qū)域中心點(diǎn)來(lái)標(biāo)注該區(qū)域文本信息[2]。Python的geopandas.geodataframe.GeoDataFrame. representative_point(GeoDataFrame)函數(shù)返回每個(gè)區(qū)域多邊形的中心點(diǎn)；每個(gè)多邊形的中心點(diǎn)為Python的geopandas.geoseries.GeoSeries對(duì)象，其數(shù)據(jù)格式為Point類對(duì)象，即該點(diǎn)的經(jīng)緯度值。

4)帶注記信息的地理區(qū)域繪圖

實(shí)現(xiàn)封閉區(qū)域多邊形繪制，其核心理念是將繪圖與數(shù)據(jù)分離，且按圖層疊加的方法進(jìn)行作圖。最底層是地理區(qū)域的地理空間數(shù)據(jù)；然后依次疊加使用底層數(shù)據(jù)的邊界繪圖(包括區(qū)域填充和線條顏色等樣式設(shè)置)；再次疊加封閉區(qū)域內(nèi)散點(diǎn)標(biāo)注；最后疊加對(duì)應(yīng)區(qū)域文本信息的注記，如圖3所示。

圖3 帶地理數(shù)據(jù)信息注記的區(qū)域圖

3 基于shapely+genpandas+plotnine地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)

3.1 shapely

shapely是用來(lái)表示地理空間數(shù)據(jù)的Python第三方庫(kù)，它的確定性空間分析是解決農(nóng)業(yè)、交通、流行病、行政區(qū)域劃分和許多其他領(lǐng)域相關(guān)問(wèn)題的計(jì)算方法的重要組成部分。 shapely對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型的三要素為：點(diǎn)(Point)、線(LineString)和面(Polygons)。每個(gè)平面中都包含這點(diǎn)、線和面組合的有限或無(wú)限的點(diǎn)關(guān)聯(lián)。這三個(gè)要素的內(nèi)部、邊界和外部集是相互排斥的，但是三者的并集與整個(gè)平面重合。

3.2 genpandas

geopandas是用來(lái)處理地理空間數(shù)據(jù)的Python第三方庫(kù), geopandas使得Python處理地理空間數(shù)據(jù)更為簡(jiǎn)潔和準(zhǔn)確，geopandas沿用了pandas的數(shù)據(jù)類型，Series和DataFrame，geopandas中也有兩種數(shù)據(jù)類型，GeoSeries和GeoDataFrame，它們繼承了pandas數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的大部分方法,且結(jié)合了pandas和shapely的功能，還提供了操作地理空間數(shù)據(jù)的高級(jí)接口，使得在Python中進(jìn)行GIS操作變成可能[3]。

3.3 plotnine

plotnine是用來(lái)實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)可視化的Python第三方庫(kù), plotnine的圖形語(yǔ)法把繪圖過(guò)程分為三部分：Plot(圖)= data(數(shù)據(jù)集，主要是GeoDataFrame數(shù)據(jù))+ Aesthetics(映射，變量映射給x,y軸坐標(biāo)，或映射給大小、形狀和顏色等圖形屬性)+ Geometry(幾何對(duì)象，柱形圖、直方圖、散點(diǎn)圖和線圖等)，且通過(guò)“+”對(duì)相關(guān)圖形語(yǔ)法進(jìn)行疊加，且各圖層之間的逐級(jí)靠“+”號(hào)疊加越后面圖層的層級(jí)越高，從而使得繁瑣的繪圖過(guò)程邏輯清晰。

3.4 地理空間數(shù)據(jù)可視化

Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)可視化的主要依據(jù)shapely的點(diǎn)、線和面的互斥和合并平面的原理，結(jié)合plotnine的“+”號(hào)逐級(jí)疊加的方法，實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)可視化步驟如下：

(1)Python使用GeoPandas讀取地理空間數(shù)據(jù)文件(.shp),并返回GeoDataFrame格式數(shù)據(jù)。

(2)使用plotnine的ggplot(df)函數(shù)作為開(kāi)始(ggplot類生成一個(gè)圖形數(shù)據(jù)集)。

(3)geom_map(aes(fill= ' ID_1'))函數(shù)進(jìn)行映射和繪制地圖(aes()函數(shù)實(shí)現(xiàn)”ID_1”字段到顏色或樣式的映射)。

(4)geom_point(aes(x='lat',y='lon'),shape='o',colour='k',size=2,fill='r',alpha=0.4)函數(shù)繪制點(diǎn)圖(aes()實(shí)現(xiàn)散點(diǎn)x和y軸位置到數(shù)據(jù)源字段的映射，其他參數(shù)實(shí)現(xiàn)映射給大小、形狀、顏色和透明度等圖形屬性)。

(5)geom_text(aes(x='lat',y='lon',label='NAME_1'),size=5)函數(shù)繪制文本。

(6)scale_fill_gradient2(low='red',mid='white', high='blue', midpoint=df.ID_1.mean())函數(shù)實(shí)現(xiàn)三色梯度，順序由低到高，參數(shù)low、mid和high 用于控制此梯度顏色，參數(shù)midpoint 設(shè)定中點(diǎn)值。

基于OSM的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)源，Python的geopandas.GeoDataFrame的靈活數(shù)據(jù)格式，plotnine的優(yōu)質(zhì)的圖層疊加技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)多層baseplot數(shù)據(jù)對(duì)象的可視化，本文充分結(jié)合三者的優(yōu)勢(shì)，對(duì)不同類型封閉區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行格式的歸一化和數(shù)據(jù)內(nèi)容的整理，從而實(shí)現(xiàn)任何一個(gè)地域的河流、公路交通、鐵路交通、疫情防控等數(shù)據(jù)分布圖的繪制和信息注記。

4 結(jié)語(yǔ)

地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)的迅猛增長(zhǎng), 加之地理大數(shù)據(jù)自身的多元性和豐富性的特點(diǎn)，地理信息大數(shù)據(jù)的應(yīng)用已經(jīng)逐步滲透到人們生活的各個(gè)方面。本文使用了豐富完備的地理空間數(shù)據(jù)，依據(jù)完備的地理空間數(shù)據(jù)的處理與分析，使用Python功能強(qiáng)大的圖形拼接組合方法和地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)策略，以單個(gè)地理空間區(qū)域?yàn)槠瘘c(diǎn)，通過(guò)把每個(gè)區(qū)域的點(diǎn)線面的整合和合并，設(shè)計(jì)了合理的地理空間數(shù)據(jù)的可視化方案。本文從地理大數(shù)據(jù)的特性出發(fā)，強(qiáng)調(diào)地理空間大數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)規(guī)律和趨勢(shì)預(yù)測(cè)的能力，展示出地理信息可視化效果，體現(xiàn)了地理信息標(biāo)注的重要作用，為各行各業(yè)的用戶提供輔助決策支持。