在 Geopandas / Shapely 中识别独特的多边形分组

Question

假设我有两个不相交的多边形组/“岛屿”（想想两个不相邻县的人口普查区）。我的数据可能如下所示：

>>> p1=Polygon([(0,0),(10,0),(10,10),(0,10)])
>>> p2=Polygon([(10,10),(20,10),(20,20),(10,20)])
>>> p3=Polygon([(10,10),(10,20),(0,10)])
>>> 
>>> p4=Polygon([(40,40),(50,40),(50,30),(40,30)])
>>> p5=Polygon([(40,40),(50,40),(50,50),(40,50)])
>>> p6=Polygon([(40,40),(40,50),(30,50)])
>>> 
>>> df=gpd.GeoDataFrame(geometry=[p1,p2,p3,p4,p5,p6])
>>> df
                                        geometry
0        POLYGON ((0 0, 10 0, 10 10, 0 10, 0 0))
1  POLYGON ((10 10, 20 10, 20 20, 10 20, 10 10))
2          POLYGON ((10 10, 10 20, 0 10, 10 10))
3  POLYGON ((40 40, 50 40, 50 30, 40 30, 40 40))
4  POLYGON ((40 40, 50 40, 50 50, 40 50, 40 40))
5         POLYGON ((40 40, 40 50, 30 50, 40 40))
>>> 
>>> df.plot()

我希望每个岛屿内的多边形采用代表其组的 ID（可以是任意的）。例如，左下角的 3 个多边形的 IslandID = 1，右上角的 3 个多边形的 IslandID=2。

我已经开发出一种方法来做到这一点，但我想知道这是否是最好/最有效的方法。我执行以下操作：

1) 创建一个 GeoDataFrame，其几何形状等于多面体一元联合中的多边形。这给了我两个多边形，每个“岛”一个。

>>> SepIslands=gpd.GeoDataFrame(geometry=list(df.unary_union))
>>> SepIslands.plot()

2) 为每个组创建一个 ID。

>>> SepIslands['IslandID']=SepIslands.index+1

3) 将岛屿空间连接到原始多边形，因此每个多边形都有相应的岛屿 ID。

>>> Final=gpd.tools.sjoin(df, SepIslands, how='left').drop('index_right',1)
>>> Final
                                        geometry  IslandID
0        POLYGON ((0 0, 10 0, 10 10, 0 10, 0 0))         1
1  POLYGON ((10 10, 20 10, 20 20, 10 20, 10 10))         1
2          POLYGON ((10 10, 10 20, 0 10, 10 10))         1
3  POLYGON ((40 40, 50 40, 50 30, 40 30, 40 40))         2
4  POLYGON ((40 40, 50 40, 50 50, 40 50, 40 40))         2
5         POLYGON ((40 40, 40 50, 30 50, 40 40))         2

这确实是最好/最有效的方法吗？

Answer 1

如果每个组之间的差距相当大，另一种选择是sklearn.cluster.DBSCAN 对多边形的质心进行聚类并将它们标记为聚类。

DBSCAN 代表具有噪声的应用程序的基于密度的空间聚类，它可以将紧密堆积在一起的点分组。在我们的例子中，一个岛上的多边形将聚集在同一个簇中。

这也适用于两个以上的岛屿。

import geopandas as gpd
import pandas as pd
from shapely.geometry import Polygon
from sklearn.cluster import DBSCAN

# Note, EPS_DISTANCE = 20 is a magic number and it needs to be
# * smaller than the gap between any two islands
# * large enough to cluster polygons in one island in same cluster
EPS_DISTANCE = 20
MIN_SAMPLE_POLYGONS = 1

p1=Polygon([(0,0),(10,0),(10,10),(0,10)])
p2=Polygon([(10,10),(20,10),(20,20),(10,20)])
p3=Polygon([(10,10),(10,20),(0,10)])
p4=Polygon([(40,40),(50,40),(50,30),(40,30)])
p5=Polygon([(40,40),(50,40),(50,50),(40,50)])
p6=Polygon([(40,40),(40,50),(30,50)])
df = gpd.GeoDataFrame(geometry=[p1, p2, p3, p4, p5, p6])

# preparation for dbscan
df['x'] = df['geometry'].centroid.x
df['y'] = df['geometry'].centroid.y
coords = df.as_matrix(columns=['x', 'y'])

# dbscan
dbscan = DBSCAN(eps=EPS_DISTANCE, min_samples=MIN_SAMPLE_POLYGONS)
clusters = dbscan.fit(coords)

# add labels back to dataframe
labels = pd.Series(clusters.labels_).rename('IslandID')
df = pd.concat([df, labels], axis=1)

> df
                                        geometry  ...  IslandID
0        POLYGON ((0 0, 10 0, 10 10, 0 10, 0 0))  ...         0
1  POLYGON ((10 10, 20 10, 20 20, 10 20, 10 10))  ...         0
2          POLYGON ((10 10, 10 20, 0 10, 10 10))  ...         0
3  POLYGON ((40 40, 50 40, 50 30, 40 30, 40 40))  ...         1
4  POLYGON ((40 40, 50 40, 50 50, 40 50, 40 40))  ...         1
5         POLYGON ((40 40, 40 50, 30 50, 40 40))  ...         1
[6 rows x 4 columns]