CN111475592B - 一种面向矢量图形文件的流域地图制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向矢量图形文件的流域地图制作方法，其以流域地图绘制所需的矢量图形文件作为输入数据，读取其中的区域边界数据；根据获得的区域边界数据，对其进行空间分析从而进行河网裁切和流域地图要素分布的计算；随后对流域地图要素进行可视化，将绘制的流域地图保存到指定路径；将绘制过程封装成类函数，调用该类函数进行流域地图绘制。本发明通过设计面向矢量图形文件可视化类函数，实现对所需要的矢量图形文件进行自动化处理，且在流域地图的绘制过程中，自动计算并进行要素分布位置的分配，无需手动调整，从而实现了流域地图绘制的全流程自动化。

Description

一种面向矢量图形文件的流域地图制作方法

技术领域

本发明涉及地图绘制技术领域，尤其涉及一种面向矢量图形文件的流域地图绘制方法。

背景技术

地图是以一定的数学基础、符号系统、文字标记表示地球的图形或图像，是地理信息的载体。流域地图更是水文气象工作者了解特定流域及其水系分布概况最直接的工具，是深入区域性研究的有效途径。然而，在实际工作中，流域地图的制作通常依赖于各种商业软件，涉及到商业软件的版权问题和复杂的软件操作，地图绘制也需要跨平台操作，其绘制过程的操作复杂，流域地图绘制效率低下。

发明内容

本发明为解决现有的流域地图的绘制过程操作复杂，效率低下且需依赖各种商业软件的问题，提供了一种面向矢量图形文件的流域地图绘制方法。

为实现以上发明目的，而采用的技术手段是：

一种面向矢量图形文件的流域地图绘制方法，包括以下步骤：

S1.文件输入：以流域地图绘制所需的矢量图形文件作为输入数据，读取其中的区域边界数据；

S2.数据处理：根据获得的区域边界数据，对其进行空间分析从而进行河网裁切和流域地图要素分布的计算；

S3.流域地图要素可视化：基于步骤S2的计算结果，对流域地图要素进行可视化，将绘制的流域地图保存到指定路径；

S4.将步骤S1～S3的绘制过程封装成类函数，调用所述类函数进行流域地图绘制。

上述方案中，通过设计面向矢量图形文件可视化类函数，实现对所需要的矢量图形文件进行自动化处理，且在流域地图的绘制过程中，自动计算并进行要素分布位置的分配，无需手动调整，从而实现了流域地图绘制的全流程自动化。

优选的，所述步骤S1具体为：以流域地图绘制所需的矢量图形文件作为输入数据，采用Python第三方库Shapefile中的Reader函数，按照流域地图绘制所需的矢量图形文件的存储路径读取其中的区域边界数据；所述矢量图形文件包括A国国界、A国河网和目标流域边界的矢量图形文件。

优选的，步骤S2所述的根据获得的区域边界数据，对其进行空间分析具体包括：根据获得的区域边界数据，依次从中提取所有不规则图形边界的points数据，并利用Python第三方库Shapely中的geometry.Polygon和geometry.LineString函数构建A国河网和目标流域边界的矢量图形；所述points为不规则图形边界顶点。

优选的，步骤S2所述进行河网裁切的计算包括：

S211.基于构建的A国河网和目标流域边界的矢量图形，采用Python第三方库Shapely中的intersection函数，依次将A国河网中各个矢量图形对象与目标流域边界矢量图形进行重叠分析，辨识出A国河网与目标流域边界的重叠区域：

式中，D_basin为目标流域边界的矢量图形，为A国河网矢量图形的第i个对象，N为A国河网矢量图形中的对象总数，d_i为辨识出来的D_basin与的重叠区域，若无重叠区域，则d_i为空；

S212.在辨识出A国河网与目标流域边界的所有重叠区域后，采用Python第三方库Shapely中的union函数，依次将辨识得到的所有重叠区域d_i合并，则得到目标流域边界内的河网完成对河网裁切的计算；

S213.通过Python第三方库Shapefile中的Writter函数对裁切后的河网进行保存。

优选的，步骤S2所述进行流域地图要素分布的计算包括：

S221.获取目标流域地图的经纬度范围，并存储于列表bbox中；其中流域地图的最小经度、最小纬度、最大经度和最大纬度分别记为lon_min、lat_min、lon_max和lat_max；

S222.根据得到的列表bbox，构建四个矢量图形，所述四个矢量图形分别表示流域地图左上角、右上角、左下角和右下角四个区域，构建的矢量图形的经纬度长度均为流域地图经纬度范围的四分之一：

式中，L_x和L_y分别表示矢量图形的经度和纬度的长度；

S223.根据列表bbox与计算得到的矢量图形经度和纬度的长度L_x和L_y，分别计算出所述四个矢量图形的四个顶点坐标，即每个矢量图形的左上角、右上角、左下角和右下角共四个顶点；

S224.采用Python第三方库Shapely中的geometry.Polygon函数，根据计算得到的顶点坐标依次构建矢量图形，则能够得到左上角、右上角、左下角和右下角四个矢量图形D₁、D₂、D₃和D₄；

S225.采用Python第三方库Shapely中的intersection函数，分别将矢量图形D₁、D₂、D₃和D₄与目标流域边界的矢量图形D_basin进行重叠分析，并计算出重叠区域的面积为A₁、A₂、A₃和A₄；

S226.采用Python第三方库Numpy中的argsort函数，计算得到四个矢量图形与目标流域边界的矢量图形的重叠区域面积A₁、A₂、A₃和A₄从小到大的排序I＝{I₁,I₂,I₃,I₄}，即：

通过以上地图要素分布的计算，可以确定流域地图中哪个部分为空白区域及其面积的大小顺序，可以用于确定添加中国地图、指向标、比例尺和图例的位置。

由于流域地图的绘制除了绘制出必要的流域边界和流域河网外，还需要添加必要的A国地图、比例尺、指向标和图例等要素，而不同的流域形状，需要确定不同的要素分布位置，因此在本优选方案中进行地图要素分布的计算以保证图形清晰完整。

优选的，表示流域地图左上角的矢量图形在所述步骤S223中计算得到的四个顶点坐标为：

式中，P₁、P₂、P₃和P₄分别表示该矢量图形的左上角、右上角、左下角和右下角四个顶点。

优选的，所述步骤S3的具体步骤包括：

S31.采用Python第三方库Matplotlib中的pyplot.figure函数构建流域地图的画布用于流域地图的绘制，所述画布的横纵长度设置为：

当L_x≥L_y时

当L_x＜L_y时

式中，l_横和l_纵分别表示画布的横纵长度；

S32.采用Python第三方库Mpl_toolkits中的Basemap函数，根据列表bbox设置的流域地图的经纬度范围，利用readshapefile函数读取目标流域边界和流域河网矢量图形文件，并绘制目标流域边界和流域河网；

S33.采用Python第三方库Mpl_toolkits中的readshapefile函数读取A国国界和目标流域边界矢量图形文件，绘制A国地图作为小地图；采用drawmapscale函数绘制流域地图比例尺；利用plot函数绘制需要标注的点，用以表示水文站；采用Python第三方库Shapely中的Polygon函数构建指向标的矢量图形，并通过Python第三方库Matplotlib中的add_patch将指向标绘制在流域地图上；通过legend函数添加图例；其中A国地图、指向标、比例尺和图例的位置均由步骤S2中的流域地图要素分布计算确定；

S34.通过Python第三方库Mpl_toolkits中的savefig函数，将绘制的流域地图保存到指定路径。

优选的，所述步骤S4具体为：采用Python中的class()和def()语句，将步骤S1～S3的流域地图绘制过程封装成类函数，并保存为.py格式文件，从而完成类函数的封装；使用import函数调用所述类函数即进行流域地图绘制。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供的面向矢量图形文件的流域地图绘制方法通过设计面向矢量图形文件可视化类函数，实现对所需要的矢量图形文件进行自动化处理，且在流域地图的绘制过程中，自动计算并进行要素分布位置的分配，无需手动调整，从而实现了流域地图绘制的全流程自动化，规避了常用商业软件的复杂操作及版权问题。

附图说明

图1为本发明的技术路线图。

图2为实施例2中地图要素分布的示意图。

图3为实施例2中全国河网的示意图。

图4为实施例2中经过河网裁切后得到的流域河网的示意图。

图5为实施例2中中国国界小地图。

图6为实施例2中流域地图的绘制结果图。

图7为实施例2中开发的类与函数。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

一种面向矢量图形文件的流域地图绘制方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1.文件输入：以流域地图绘制所需的矢量图形文件(.shp)作为输入数据，采用Python第三方库Shapefile中的Reader函数，按照流域地图绘制所需的矢量图形文件的存储路径读取其中的区域边界数据；其中矢量图形文件包括A国国界、A国河网和目标流域边界的矢量图形文件；

S2.数据处理：根据获得的区域边界数据，依次从中提取所有不规则图形边界的points数据，并利用Python第三方库Shapely中的geometry.Polygon和geometry.LineString函数构建A国河网和目标流域边界的矢量图形；所述points为不规则图形边界顶点；从而进行河网裁切和流域地图要素分布的计算；

其中河网裁切的计算包括：

S211.基于构建的A国河网和目标流域边界的矢量图形，采用Python第三方库Shapely中的intersection函数，依次将A国河网中各个矢量图形对象与目标流域边界矢量图形进行重叠分析，辨识出A国河网与目标流域边界的重叠区域：

式中，D_basin为目标流域边界的矢量图形，为A国河网矢量图形的第i个对象，N为A国河网矢量图形中的对象总数，d_i为辨识出来的D_basin与的重叠区域，若无重叠区域，则d_i为空；

S212.在辨识出A国河网与目标流域边界的所有重叠区域后，采用Python第三方库Shapely中的union函数，依次将辨识得到的所有重叠区域d_i合并，则得到目标流域边界内的河网完成对河网裁切的计算；

S213.通过Python第三方库Shapefile中的Writter函数对裁切后的河网进行保存。

其中流域地图要素分布的计算包括：

S221.获取目标流域地图的经纬度范围，并存储于列表bbox中；其中流域地图的最小经度、最小纬度、最大经度和最大纬度分别记为lon_min、lat_min、lon_max和lat_max；

S222.根据得到的列表bbox，构建四个矢量图形，所述四个矢量图形分别表示流域地图左上角、右上角、左下角和右下角四个区域，构建的矢量图形的经纬度长度均为流域地图经纬度范围的四分之一：

式中，L_x和L_y分别表示矢量图形的经度和纬度的长度；

S223.根据列表bbox与计算得到的矢量图形经度和纬度的长度L_x和L_y，分别计算出所述四个矢量图形的四个顶点坐标，即每个矢量图形的左上角、右上角、左下角和右下角共四个顶点；本实施例以流域地图左上角的矢量图形为例进行计算的说明，其计算得到的四个顶点坐标为：

式中，P₁、P₂、P₃和P₄分别表示该矢量图形的左上角、右上角、左下角和右下角四个顶点。

S224.采用Python第三方库Shapely中的geometry.Polygon函数，根据计算得到的顶点坐标依次构建矢量图形，则能够得到左上角、右上角、左下角和右下角四个矢量图形D₁、D₂、D₃和D₄；

S225.采用Python第三方库Shapely中的intersection函数，分别将矢量图形D₁、D₂、D₃和D₄与目标流域边界的矢量图形D_basin进行重叠分析，并计算出重叠区域的面积为A₁、A₂、A₃和A₄；

S226.采用Python第三方库Numpy中的argsort函数，计算得到四个矢量图形与目标流域边界的矢量图形的重叠区域面积A₁、A₂、A₃和A₄从小到大的排序I＝{I₁,I₂,I₃,I₄}，即：

S3.流域地图要素可视化：基于步骤S2的计算结果，对流域地图要素进行可视化，将绘制的流域地图保存到指定路径；具体步骤包括：

S31.采用Python第三方库Matplotlib中的pyplot.figure函数构建流域地图的画布用于流域地图的绘制，所述画布的横纵长度设置为：

当L_x≥L_y时

当L_x＜L_y时

式中，l_横和l_纵分别表示画布的横纵长度；

S32.采用Python第三方库Mpl_toolkits中的Basemap函数，根据列表bbox设置的流域地图的经纬度范围，利用readshapefile函数读取目标流域边界和流域河网矢量图形文件，并绘制目标流域边界和流域河网；

S33.采用Python第三方库Mpl_toolkits中的readshapefile函数读取A国国界和目标流域边界矢量图形文件，绘制A国地图作为小地图；采用drawmapscale函数绘制流域地图比例尺；利用plot函数绘制需要标注的点，用以表示水文站；采用Python第三方库Shapely中的Polygon函数构建指向标的矢量图形，并通过Python第三方库Matplotlib中的add_patch将指向标绘制在流域地图上；通过legend函数添加图例；其中A国地图、指向标、比例尺和图例的位置均由步骤S2中的流域地图要素分布计算确定；

S34.通过Python第三方库Mpl_toolkits中的savefig函数，将绘制的流域地图保存到指定路径；

S4.采用Python中的class()和def()语句，将步骤S1～S3的流域地图绘制过程封装成类函数，并保存为.py格式文件，从而完成类函数的封装；使用import函数调用所述类函数即可进行流域地图绘制。该类函数在不同系统、不同平台上应用。

实施例2

本实施例2基于实施例1所提供的面向矢量图形文件的流域地图绘制方法在中国长江上游流域绘制的应用进行举例说明。

S1.将流域地图绘制所需的中国国界、河网和目标流域边界的矢量图形文件存储在相同的文件夹中，分别定义变量path_China、path_rivernet和path_bssin并存储对应的路径，通过Shapefile中Reader函数读取这些文件。

S2.利用Python第三方库Shapely进行数据处理，包括河网裁切和流域地图要素分布的计算：

①使用Shapely中的geometry.Polygon和geometry.LineString函数构建流域边界和中国河网矢量图形；

②利用Python中的for循坏，依次读取中国河网中的每个矢量图形对象，采用Shapely中的intersection函数与流域边界图形进行重叠分析，辨识出重叠区域，再利用is_empty函数判断重叠区域不为空时，将所有重叠区域利用union函数进行合并，即得到流域河网的矢量图形，用Shapefile中的Writter函数进行保存为矢量图形文件，如图3所示为全国河网，经过裁切，获得了目标流域内的河网，如图4所示；

③读取文件中的经纬度范围数据，经纬度最小值向下取整，最大值向上取整，得到的经纬度范围作为流域地图显示的经纬度范围(使地图显示完整)，按照实施例1步骤S223的公式分别计算需要构建的四个矢量图形的顶点坐标，利用Polygon函数构建矢量图形，并利用intersection函数与流域边界进行重叠分析，计算出其重叠区域的面积，同时分别将面积存储在area的列表中，采用Numpy中的argsort函数即能计算出面积从小到大的索引，存储为index，以此作为地图要素分布的依据。

S3.采用Python第三方库Mpl_toolkits和Matplotlib各个地图要素：

①设置地图的投影方式为墨卡托投影，同时设置投影中心为流域经纬度范围的中心；

②流域边界、流域河网和中国国界均使用Mpl_toolkits中的readshapefile函数绘制，其中流域边界和中国国界color参数设置为k(表示黑色)，绘制流域河网是设置为b(表示蓝色)，设置流域在中国国界中显示的颜色为grey(表示灰色)，小地图的绘制结果如图5；

③采用Polygon函数构建指向标图形后，利用add_patch将指向标添加在地图上，其中color参数设置为k，表示黑色；

④采用Mpl_toolkits中的drawmapscale函数添加比例尺，通过参数barstyle设置比例尺风格为simple；

⑤采用Mpl_toolkits中的plot函数在地图中添加三峡大坝的标注，并用Matplotlib中的legend函数添加图例；

⑥地图要素的分布，则根据步骤S2中计算的index进行设置，0表示左上角，1表示右上角，2表示左下角，3表示右下角，如图2所示；

⑦采用Matplotlib中savefig函数保存流域地图到指定路径，并设置dpi参数为900，保证有较高的分辨率，绘制结果如图6所示。

S4.采用Python中的class()和def()语句，将步骤S1～S3的流域地图绘制过程封装成类函数，并保存为.py格式文件，从而完成类函数的封装；使用import函数调用所述类函数即可进行流域地图绘制。函数功能与函数名称如图7所示。

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向矢量图形文件的流域地图制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.文件输入：以流域地图绘制所需的矢量图形文件作为输入数据，读取其中的区域边界数据；

S2.数据处理：根据获得的区域边界数据，对其进行空间分析从而进行河网裁切和流域地图要素分布的计算；其中，进行河网裁剪的计算包括：

S211.基于构建的A国河网和目标流域边界的矢量图形，采用Python第三方库Shapely中的intersection函数，依次将A国河网中各个矢量图形对象与目标流域边界矢量图形进行重叠分析，辨识出A国河网与目标流域边界的重叠区域：

式中，D_basin为目标流域边界的矢量图形，为A国河网矢量图形的第i个对象，N为A国河网矢量图形中的对象总数，d_i为辨识出来的D_basin与的重叠区域，若无重叠区域，则d_i为空；

S212.在辨识出A国河网与目标流域边界的所有重叠区域后，采用Python第三方库Shapely中的union函数，依次将辨识得到的所有重叠区域d_i合并，则得到目标流域边界内的河网完成对河网裁切的计算；

S213.通过Python第三方库Shapefile中的Writter函数对裁切后的河网进行保存；

进行流域地图要素分布的计算包括：

S221.获取目标流域地图的经纬度范围，并存储于列表bbox中；其中流域地图的最小经度、最小纬度、最大经度和最大纬度分别记为lon_min、lat_min、lon_max和lat_max；

S222.根据得到的列表bbox，构建四个矢量图形，所述四个矢量图形分别表示流域地图左上角、右上角、左下角和右下角四个区域，构建的矢量图形的经纬度长度均为流域地图经纬度范围的四分之一：

式中，L_x和L_y分别表示矢量图形的经度和纬度的长度；

S223.根据列表bbox与计算得到的矢量图形经度和纬度的长度L_x和L_y，分别计算出所述四个矢量图形的四个顶点坐标，即每个矢量图形的左上角、右上角、左下角和右下角共四个顶点；

S224.采用Python第三方库Shapely中的geometry.Polygon函数，根据计算得到的顶点坐标依次构建矢量图形，则能够得到左上角、右上角、左下角和右下角四个矢量图形D₁、D₂、D₃和D₄；

S225.采用Python第三方库Shapely中的intersection函数，分别将矢量图形D₁、D₂、D₃和D₄与目标流域边界的矢量图形D_basin进行重叠分析，并计算出重叠区域的面积为A₁、A₂、A₃和A₄；

S226.采用Python第三方库Numpy中的argsort函数，计算得到四个矢量图形与目标流域边界的矢量图形的重叠区域面积A₁、A₂、A₃和A₄从小到大的排序；

S3.流域地图要素可视化：基于步骤S2的计算结果，对流域地图要素进行可视化，将绘制的流域地图保存到指定路径；

S4.将步骤S1～S3的绘制过程封装成类函数，调用所述类函数进行流域地图绘制。

2.根据权利要求1所述的面向矢量图形文件的流域地图制作方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：以流域地图绘制所需的矢量图形文件作为输入数据，采用Python第三方库Shapefile中的Reader函数，按照流域地图绘制所需的矢量图形文件的存储路径读取其中的区域边界数据；所述矢量图形文件包括A国国界、A国河网和目标流域边界的矢量图形文件。

3.根据权利要求2所述的面向矢量图形文件的流域地图制作方法，其特征在于，步骤S2所述的根据获得的区域边界数据，对其进行空间分析具体包括：根据获得的区域边界数据，依次从中提取所有不规则图形边界的points数据，并利用Python第三方库Shapely中的geometry.Polygon和geometry.LineString函数构建A国河网和目标流域边界的矢量图形；所述points为不规则图形边界顶点。

4.根据权利要求3所述的面向矢量图形文件的流域地图制作方法，其特征在于，表示流域地图左上角、右上角、左下角和右下角四个区域的矢量图形在所述步骤S223中计算得到的顶点坐标为：

式中，P₁、P₂、P₃和P₄分别表示该矢量图形的左上角、右上角、左下角和右下角四个顶点坐标集合。

5.根据权利要求4所述的面向矢量图形文件的流域地图制作方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤包括：

S31.采用Python第三方库Matplotlib中的pyplot.figure函数构建流域地图的画布用于流域地图的绘制，所述画布的横纵长度设置为：

当L_x≥L_y时

当L_x<L_y时

式中，l_横和l_纵分别表示画布的横纵长度；

S32.采用Python第三方库Mpl_toolkits中的Basemap函数，根据列表bbox设置的流域地图的经纬度范围，利用readshapefile函数读取目标流域边界和流域河网矢量图形文件，并绘制目标流域边界和流域河网；

S33.采用Python第三方库Mpl_toolkits中的readshapefile函数读取A国国界和目标流域边界矢量图形文件，绘制A国地图作为小地图；采用drawmapscale函数绘制流域地图比例尺；利用plot函数绘制需要标注的点，用以表示水文站；采用Python第三方库Shapely中的Polygon函数构建指向标的矢量图形，并通过Python第三方库Matplotlib中的add_patch将指向标绘制在流域地图上；通过legend函数添加图例；其中A国地图、指向标、比例尺和图例的位置均由步骤S2中的流域地图要素分布计算确定；

S34.通过Python第三方库Mpl_toolkits中的savefig函数，将绘制的流域地图保存到指定路径。

6.根据权利要求5所述的面向矢量图形文件的流域地图制作方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：采用Python中的class()和def()语句，将步骤S1～S3的流域地图绘制过程封装成类函数，并保存为.py格式文件，从而完成类函数的封装；使用import函数调用所述类函数即进行流域地图绘制。

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