（转）R空间数据处理与可视化

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前言

很多朋友说在R里没法使用高德地图，这里给出一个基于leaflet包的解决方法。

library(leaflet)# 添加高德地图 m <- leaflet() %>% addTiles( 'http://webrd02.is.autonavi.com/appmaptile?lang=zh_cn&size=1&scale=1&style=8&x={x}&y={y}&z={z}', tileOptions(tileSize=256, minZoom=9, maxZoom=17), attribution = '© <a href="http://ditu.amap.com/">高德地图</a>', ) %>% setView(116.40,39.90, zoom = 10) m

空间数据基础知识

shp文件

空间数据最常用的格式是shp，主要由三个文件组成：shp文件用于存储位置几何信息，dbf文件用于存储attribute，shx用于存储位置几何信息与attribute的对照表。位置几何信息主要有以下几类：points，multipoints，lines，polygons等。

WKT与WKB

WKT(Well-known text)是开放地理空间联盟OGC（Open GIS Consortium ）制定的一种文本标记语言，用于表示矢量几何对象、空间参照系统及空间参照系统之间的转换。举例如下：

点（Point）："POINT(1 1)"
线（Line）："LINESTRING(0 0,1 1,2 2)"
多边形（Polygon）："POLYGON((0 0,3 0,3 3,0 3,0 0),(1 1,2 1,2 2,1 2,1 1))"
WKB(well-known binary) 是WKT的二进制表示形式，解决了WKT表达方式冗余的问题，便于传输和在数据库中存储相同的信息.

R的空间数据处理与可视化

空间数据处理与可视化，需要解决三个问题，一是怎么在R中表示空间数据，二是怎么对空间对象进行计算；三是怎么在R中绘制空间数据/地图。sp用于解决第一个问题，rgeos用于解决第二个问题，leaflet用于解决第二个问题。

sp

sp包的功能是在R中提供对象表示shp文件。SpatialPoints，SpatialMultiPoints，SpatialLines，SpatialPolygons等用于表示位置几何信息。attribute一般以表格形式存在，所以sp包用dataframe对齐进行表示。为前面提到的SpatialXXX添加dataframe后得到诸如SpatialPointsDataFrame，SpatialMutilPointsDataFrame，SpatialLinesDataFrame，SpatialPolygonsDataFrame等类。在这些类中，位置几何信息与attribute的对照关系通过Spatial类的ID与dataframe的rownames进行匹配得到。

SpatialXXDataFrame的结构示意图如下（出处：http://neondataskills.org/R/）：

下面举一个例子，怎么从dataframe数据变为sp对象。

library(splitstackshape) library(sp) library(dplyr) library(tidyr)# 自定义函数 points2spline <- function(df, id_field, lng_field, lat_field){ df <- as.data.frame(df) data <- as.matrix(df[,c(lng_field, lat_field)]) id = df[1, id_field] Lines(list(Line(data)), ID=id) }splines2splinesdf <- function(splines, data, id_field) { ids <- data.frame(names(splines)) colnames(ids) <- id_field join_name <- dplyr::inner_join(ids, data) row.names(join_name ) <- join_name[, id_field] splinesdf <- SpatialLinesDataFrame(splines, data=join_name) proj4string(splinesdf ) <- CRS("+init=epsg:4326") # 设置投影坐标系，leaflet可以不用设置 return(splinesdf) }# 准备数据 link_id <- c("road_one", "road_two") coors <- c("116.44469451904297,39.890071868896484:116.44451141357422,39.891361236572266", "116.44499969482422,39.887630462646484:116.44469451904297,39.890071868896484") status <- c("congest", "uncongest")link_coors <- data.frame(link_id, coors, status) lon_lat_df <- cSplit(link_coors %>% select(link_id, coors), c("coors"), sep=":", direction="long") %>% separate(coors, c("lng", "lat"), sep=",", convert=TRUE)# data.frame转化为sp link_list <- split(lon_lat_df, lon_lat_df$link_id) names(link_list) <- NULL Sl <- SpatialLines(plyr::llply(link_list, points2spline, "link_id", "lng", "lat")) Sldf <- splines2splinesdf(Sl, link_coors, "link_id")str(Sldf)

rgeos

空间处理，主要用来做一些空间运算，比如计算两个空间对象的位置关系：相交，重叠，包含等等。再比如，根据空间对象创建新的空间对象。此外，rgeos还能够完成WKT与sp对象的相互转换。

library(rgeos)# 创建外扩与内缩buffer，演示WKT的读写 dilated_buffer <- gBuffer(Sldf, byid=TRUE, width=0.0002, capStyle="FLAT") dilated_buffer_wkt <- readWKT(writeWKT(dilated_buffer, byid = FALSE)) eroded_buffer <- gBuffer(dilated_buffer, byid=TRUE, width=-0.0001, capStyle="SQUARE")

leaflet

我们继续上面的例子，将空间对象绘制到高德地图上。

library(leaflet) factpal <- colorFactor(c(rgb(1,0,0,1),rgb(0, 1, 0, 1)), domain=c("congest", "uncongest"))m <- leaflet() %>% addTiles( 'http://webrd02.is.autonavi.com/appmaptile?lang=zh_cn&size=1&scale=1&style=8&x={x}&y={y}&z={z}', tileOptions(tileSize=256, minZoom=9, maxZoom=17), attribution = '© <a href="http://ditu.amap.com/">高德地图</a>', group="高德地图" ) %>% setView(116.40,39.90, zoom = 10) %>% addPolylines(color=~factpal(status), weight=3,opacity=1, data=Sldf, group="实时路况") %>% addPolygons(data=dilated_buffer_wkt, group="空间计算") %>% addPolygons(data=eroded_buffer, color="black", group="空间计算") %>% addLayersControl( overlayGroups = c("高德地图", "实时路况", "空间计算"), options = layersControlOptions(collapsed = FALSE) ) %>% addLegend("bottomleft", pal = factpal, values = Sldf@data$status, title = "实时交通", opacity = 1 ) %>% fitBounds(Sldf@bbox["x", "min"] - 0.001, Sldf@bbox["y", "min"] - 0.001, Sldf@bbox["x", "max"] + 0.001, Sldf@bbox["y", "max"] + 0.001 )