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GIS × Python Tutorial 4.1 ~ shapely ことはじめ Geoemtry の種類 ~

2024/07/11に公開
Python
GIS
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shapely
地理
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はじめに

この記事では python での shapely の使用方法についてを解説していきます。


shapely とは

shapely は幾何学的オブジェクトを操作する python のパッケージです。shapely では面積や距離を計算したり、オブジェクト同士の空間的な関係を簡単に計算する事が出来ます。また、matplotlib を使用して各 Geometry オブジェクトを描画する為のメソッドも用意されています。


コードの実行

cell 1
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
import shapelyfrom shapely.plotting import plot_line
from shapely.plotting import plot_points
from shapely.plotting import plot_polygon
plt.style.use('seaborn-v0_8-whitegrid')

print(f"shapely version: {shapely.__version__}")
output 1
shapely version: 2.0.3


Point Object

Point

shapely.Point のオブジェクトはもっとも単純で、X座標とY座標、Z座標の3つの要素で構成され点を表すオブジェクトを作成します。

cell 2
x = 0
y = 0

# Zは渡さずとも問題ありません
point = shapely.Point(x, y)

MultiPoint

複数の Point を1つのオブジェクトで管理するには shapely.MultiPoint を使用します。

cell 3
np.random.seed(111)
xs = x + np.random.normal(0, 0.1, 10)
ys = y + np.random.normal(0, 0.1, 10)

multi_point = shapely.MultiPoint([
    (_x, _y)
    for _x, _y in zip(xs, ys)
])

Plot points

Point オブジェクトを可視化するにはshapely.plotting.plot_pointsを使用します。このメソッドは matplotlib.axes._axes.Axesを渡す事で matplotlib の他のメソッドも使用する事が出来ます。

cell 4
fig, ax = plt.subplots()
ax.set_title('Point & MultiPoint', fontsize=16)
plot_points(point, color='red', label='Point')
plot_points(multi_point, color='blue', label='MultiPoint')
ax.legend(bbox_to_anchor=(1.3, 1));


Line Object

LineString

線を表現する場合はshapely.LineStringを使用します。LineString に渡す座標データの構造は MultiPoint と同じ構造になります。

cell 5
line_strg = shapely.LineString([
    (0.0, 0.1),
    (0.1, 0.1),
    (0.1, 0.0),
    (0.0, 0.0)
])

MultiLineString

複数のLineStringを一つのオブジェクトとして保持する場合はshapely.MultiLineStringを使用します。

cell 6
multi_line_strg = shapely.MultiLineString([
    [
        (0.1, 0.2),
        (0.2, 0.2),
        (0.2, 0.1),
        (0.1, 0.1)
    ],
    [
        (0.2, 0.3),
        (0.3, 0.3),
        (0.3, 0.2),
        (0.2, 0.2)
    ],
])

LineString を複数渡して MultiLineString を作成する事も可能です。

cell 7
multi_line_strg_ = shapely.MultiLineString([line_strg, line_strg, line_strg])

Plot Lines

LineString オブジェクトを可視化するにはshapely.plotting.plot_lineを使用します。

cell 8
fig, ax = plt.subplots()
ax.set_title('LineString & MultiLineString', fontsize=16)
plot_line(line_strg, color='red', label='LineString')
plot_line(multi_line_strg, color='blue', label='MultiLineString')

ax.legend(bbox_to_anchor=(1, 1));


Polygon Object

Polygon

区画を表現する場合はshapely.Polygonを使用します。Polygon は閉合した線（区画）を表現します Point や LineString よりも複雑で Polygon は shell と holes という引数をとります。

shell は MultiPoint や LineString の様な1つの値を受け取り、外側の線を表現します。

holes は複数の値を受け取り、ドーナツのように区画の穴を表現します。

区画は閉合した形を作成しますが、渡すデータの最初と最後の座標を合わせる必要はありません。

cell 9
poly = shapely.Polygon(
    shell=[
        (0.0, 0.1),
        (0.1, 0.1),
        (0.1, 0.0),
        (0.0, 0.0)
    ],
    holes=[
        [# 1つめの穴
            (0.05, 0.08),
            (0.08, 0.08),
            (0.08, 0.05),
            (0.05, 0.05),
        ][::-1]
    ]
)

doughnut = shapely.Polygon(
    shell=[
        # 外側の区画
        (0.0, 0.1),
        (0.1, 0.1),
        (0.1, 0.0),
        (0.0, 0.0)
    ],
    holes=[
        [# 1つめの穴
            (0.05, 0.08),
            (0.08, 0.08),
            (0.08, 0.05),
            (0.05, 0.05),
        ][::-1],
        [# 2つめの穴
            (0.02, 0.03),
            (0.03, 0.03),
            (0.03, 0.02),
            (0.02, 0.02),
        ][::-1]
    ]
)

MultiPolygon

複数のPolygonを一つのオブジェクトとして保持する場合はshapely.MultiPolygonを使用します。インデントでわかりやすく表現したつもりですが、今まで見た中では一番複雑ですね。

cell 10
multi_poly = shapely.MultiPolygon([
    [# 1つめのPolygon
        [# shell 1
            (0.0, -0.1),
            (-0.1, -0.1),
            (-0.1, -0.0),
            (0.0, 0.0)
        ]
    ],
    [# 2つめのPolygon
        [# shell 2
            (0.0, 0.1),
            (0.1, 0.1),
            (0.1, 0.0),
            (0.0, 0.0)
        ],
        [# holes 2
            [# holes 2-1
                (0.05, 0.08),
                (0.08, 0.08),
                (0.08, 0.05),
                (0.05, 0.05),
            ][::-1],
            [# holes 2-2
                (0.02, 0.03),
                (0.03, 0.03),
                (0.03, 0.02),
                (0.02, 0.02),
            ][::-1]
        ]
    ]
])

Plot Polygons

Polygon オブジェクトを可視化するにはshapely.plotting.plot_polygonを使用します。

cell 11
fig, ax = plt.subplots()
ax.set_title('Polygon', fontsize=16)
plot_polygon(doughnut, label='Polygon')

ax.legend(bbox_to_anchor=(1, 1));

ほかにも shapely.LineRing や shapely.GeometryCollection がありますがあまり使用頻度は高くないと思います。次回以降の記事で登場した際に解説します。


おわりに

今回は shapely で使用する Geometry について解説しました。次回はこの Geometry の持つメソッドについての記事を投稿する予定です。

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