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【NetTopologySuite类库】常用功能整理（1）

文章目录

介绍
其他相关
项目环境
常用的API介绍
- IO相关
- - 读取wkt字符串
  - 读取shp文件
  - 生成shp文件
- 几何相关
- 线段上内插点
- - 点集的顺时针或逆时针的判断
- 矢量相关
- - 转角方式介绍
  - 其他
- 算法相关
- - 泰森多边形
  - 道格拉斯普克简化面
- 空间运算相关
- - 线与线相交、相减、对称差、合并
  - 面与面相交、相减、对称差、合并
- 二维几何比较
- - Coordinate
  - LineSegment
- 计算速度粗略比较
- - Coordinate和Point的Distance的比较
  - Polygon包含LineString、Point的速度比较
- 缓冲区
- - 默认的缓冲区参数(圆角)
  - 自定义缓冲区参数(斜角)
  - 补充

介绍

简称NTS，是C#端的GIS相关的拓扑库。Github地址、API文档。

其他相关

关于OGC标准（开放地理空间信息联盟(Open Geospatial Consortium)）

项目环境

本文以VS2019创建的.Net Framework4.7.2 控制台应用为例，对NTS的一些功能使用进行介绍。
右击项目的引用，打开NuGet程序包管理器，搜索NetTopologySuite，安装NetTopologySuite1.14.0版和NetTopologySuite.IO1.14.0.1版本。

如果要看源码，考虑到网速问题，可以去Gitee上（已从Github中迁移过来，访问地址），根据分支中的标签，选择与NuGet中相同版本的源码。

常用的API介绍

IO相关

读取wkt字符串

作用：WKTReader将WKT格式的字符串转化为Geometry的对象。

例子：

using NetTopologySuite.Geometries;
using NetTopologySuite.IO;

namespace NTSRecipes
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            WKTReader reader = new WKTReader();
            var point = reader.Read("Point(0 0)") as Point;
            var line = reader.Read("LineString(1 -1,1 4)") as LineString;
            var polygon = reader.Read("Polygon((0 0,0 1, 1 1,1 0,0 0))") as Polygon;
        }
    }
}

注意：

Read里面字符串中的"Point"、“LineString”、"Polygon"不区分大小写。

读取shp文件

将shp数据读取到FeatureCollection（可以转到定义之处查看常用方法）对象中，再进行后续操作。
NTS1.14.0以上的版本似乎没有FeatureCollection（1.15.0版本中发现没有）。

public static FeatureCollection ReadShpFile(string pathName)
{
    FeatureCollection featureCollection = new FeatureCollection();
    IGeometryFactory gfactory = GeometryFactory.Floating;
    ShapefileDataReader dataReader = new ShapefileDataReader(pathName, gfactory);

    while (dataReader.Read())
    {
        Feature feature = new Feature { Geometry = dataReader.Geometry };
        int length = dataReader.DbaseHeader.NumFields;
        var keys = new string[length];
        for (var i = 0; i < length; i++)
        {
            keys[i] = dataReader.DbaseHeader.Fields[i].Name;
        }
        feature.Attributes = new AttributesTable();
        for (var i = 0; i < length; i++)
        {
            var val = dataReader.GetValue(i);
            string value = val.ToString();
            feature.Attributes.AddAttribute(keys[i], value);
        }
        featureCollection.Add(feature);
    }
    return featureCollection;
}

生成shp文件

private static void OutputShp(string shpPath, List<IGeometry> PolygonList)
{
    //要素集
    FeatureCollection featureCollection = new FeatureCollection();

    //遍历
    string wkt;
    foreach (var polygon in PolygonList)
    {
        //根据wkt制作一个几何
        wkt = polygon.AsText();
        var geometry = wktReader.Read(wkt);

        //创建一个要素
        var feature = new Feature();
        featureCollection.Add(feature);

        //设置几何图形
        feature.Geometry = geometry;

        //设置属性表
        var attrTable = new AttributesTable();
        feature.Attributes = attrTable;//属性表哪怕是空的，也不能缺少
        //默认有两个属性列，至少再多添加一个属性，比如id。
        //这样才能较好地在ArcMap中使用该数据时（比如编辑时不会卡住）
        attrTable.AddAttribute("id", "");
    }

    IGeometryFactory geometryFactory = GeometryFactory.Floating;//Floating起什么作用？
    var dataWriter = new ShapefileDataWriter(shpPath, geometryFactory, Encoding.Default);//设置Encoding编码方式
    dataWriter.Header = ShapefileDataWriter.GetHeader(featureCollection[0], featureCollection.Count);
    dataWriter.Write(featureCollection.Features);
}

几何相关

线段上内插点

点集的顺时针或逆时针的判断

public Coordinate Interpolation(LineSegment segment, double dist)
{
	//按dist距离，从起点开始内插得到一个点，返回这个点
    return segment.PointAlong(dist / segment.Length);
}

Coordinate[] coords = new Coordinate[]
{
    new Coordinate(0,0),
    new Coordinate(10,0),
    new Coordinate(20,0),
    new Coordinate(10,0),
    new Coordinate(10,10),
    new Coordinate(0,10),
    new Coordinate(0,0),//首尾必须完成闭合，才能成功创建线性环
};
var ring = new LinearRing(coords);//线性环
var isCounterClockwise = ring.IsCCW;//true，逆时针。CCW是CounterClockwise的缩写，表示逆时针

矢量相关

转角方式介绍

右手准则
逆时针为正
顺时针为负
单位弧度

Vector2D vec1 = new Vector2D(1, 0);
Vector2D vec2 = new Vector2D(0, -1);

var angle12 = vec1.AngleTo(vec2);
var angle21 = vec2.AngleTo(vec1);

其他

var v2 = vec1 .RotateByQuarterCircle(1);//逆时针旋转一个四分之一圆，即90度
var v3 = vec1 .Rotate(Math.PI / 2);//逆时针旋转90度，必须是弧度
var v3 = v2.Normalize();//获得单位矢量
var v4 = v3.Multiply(2.5);//乘上倍数

var v = new Vector2D(1,0);
var v1 = new Vector2D(1,1);
var v2 = new Vector2D(0,1);
var v3 = new Vector2D(-1,1);
var v4 = new Vector2D(-1,0);
var v5 = new Vector2D(-1,-1);
var v6 = new Vector2D(0, -1);
var v7 = new Vector2D(1,-1);

var c1 = v.AngleTo(v1);//π/4
var c2 = v.AngleTo(v2);//π/2
var c3 = v.AngleTo(v3);//3π/4
var c4 = v.AngleTo(v4);//π
var c5 = v.AngleTo(v5);//-3π/4
var c6 = v.AngleTo(v6);//-π/2
var c7 = v.AngleTo(v7);//-π/4

算法相关

泰森多边形

介绍：

泰森多边形，即Voronoi图。
NTS提供了一个工具类VoronoiDiagramBuilder（API链接）
输入一些点，就可以创建泰森多边形。
返回的Polygon的集合

例子：

//Voronoi图
VoronoiDiagramBuilder vor = new VoronoiDiagramBuilder();

//生成的范围（如果太小，将不起作用，而是默认大小）
var enve = new Envelope(new Coordinate(0, 0), new Coordinate(15, 15));
vor.ClipEnvelope = enve;

//添加点数据
List<Coordinate> pts = new List<Coordinate>()
{
    new Coordinate(0,0),
    new Coordinate(10,0),
    new Coordinate(5,10),
};
vor.SetSites(pts);

//生成结果           
var mp = vor.GetDiagram(GeometryFactory.Floating);

//遍历结果，根据需要处理每一个多边形（Polygon）
List<Polygon> geos = new List<Polygon>();
foreach (var geo in mp.Geometries)
{
    var polygon = geo as Polygon;
    geos.Add(polygon);

    //可以获得该多边形中的点
    //（也就是一开始通过SetSite方法，参与创建多边形的点，获得的点与原数据只是坐标数值相同，不具有相同的引用）
    var coord = geo.UserData as Coordinate;
}

利用前面的生成shp的方法，将得到的List geos ，也就是多边形数据输出shp文件，并在ArcMap软件中浏览（绿色点是额外添加的）：

应用：参考博客实现C#版的多边形中心线的提取。

道格拉斯普克简化面

道格拉斯普克法简化几何图形。

比如简化一个多边形：

var polygonNew = DouglasPeuckerSimplifier.Simplify(polygon, 20);//20为距离容差

空间运算相关

线与线相交、相减、对称差、合并

1. 十字型交点

WKTReader reader = new WKTReader();
var L1 = reader.Read("LineString(0 1,3 1)") as LineString;
var L2 = reader.Read("LineString(1 0,1 3)") as LineString;
var r1 = L1.Intersection(L2);//相交
var r2 = L1.Difference(L2);//相减
var r3 = L1.SymmetricDifference(L2);//对称差
var r4 = L1.Union(L2);//合并

断点处看参数：

Intersection：相交，返回一个点坐标。（交集）
Difference：相减，有先后顺序之别。上面是L1减去L2，即L1减去其与L2的交点，得到两条线段。（单方减去交集）
SymmetricDifference：对称差，L1+L2，再减去两者的交点，得到4条线段。（并集减去交集）
Union：合并，L1+L2，因为有交点，所以分成了4条线段。（并集）

2. L型交点

其余不变，就改一下点坐标：

var L1 = reader.Read("LineString(1 1,3 1)") as LineString;
var L2 = reader.Read("LineString(1 1,1 3)") as LineString;

L型和十字型的结果，所反映的情况分析是一样的：

可以看到Union这个方法并不能将两条线合并为一条，即使它们有共同的邻点。

3. 无交点

继续修改点坐标：

var L1 = reader.Read("LineString(1 1,3 1)") as LineString;
var L2 = reader.Read("LineString(1 2,1 3)") as LineString;

由于没有交点，所以Intersection结果为EMPTY（空）。
相减、对称差、合并则在此空的基础上进行。

面与面相交、相减、对称差、合并

相交
如下图，面S1和面S2相交，交集为S3：

WKTReader reader = new WKTReader();//用于读取wkt格式的几何字符串
var S1 = reader.Read("Polygon((0 0,0 2,4 2,4 0,0 0))") as Polygon;//将字符串解析为几何对象
var S2 = reader.Read("Polygon((1 1,1 3,2 3,2 1,1 1))") as Polygon;
var r1 = S1.Intersection(S2);//相交
var r2 = S1.Difference(S2);//相减：S1-S2，前面的减去后面的
var r3 = S1.SymmetricDifference(S2);
var r4 = S1.Union(S2);

Intersection：相交，得到S3，就是S1与S2的交集。
Difference：相减，S1-S2=S1-S3，就是S1去掉S3变凹的图形。
Symmetric：对称差，交集取反。S1+S2得到一个凸的图形，再减去S3，变成两个图形。
Union：合并，交集，得到一个凸的图形。

2. 相切

修改点坐标：

var S1 = reader.Read("Polygon((0 0,0 2,4 2,4 0,0 0))") as Polygon;
var S2 = reader.Read("Polygon((1 2,1 4,2 4,2 2,1 2))") as Polygon;

S1和S2相切，有一条共边L1。

相交，得到一条交线。
相减，S1-S2=S1-L1=S1，减去交线并不影响S1，结果还是S1。
对称差，S1+S2得到合并后的凸的图形，再减去交线L1，也就没有变化。
合并，S1+S2，和对称差的结果相同。

3. 相离

修改点坐标：

var S1 = reader.Read("Polygon((0 0,0 2,4 2,4 0,0 0))") as Polygon;
var S2 = reader.Read("Polygon((1 3,1 5,2 5,2 3,1 3))") as Polygon;

S1和S2相离：

相交为空。
相减，S1-S2=S1-空=S1，就是S1本身。
对称差，S1+S2-交集=S1+S2-空集=S1+S2，得到两个面，只是简单地放到一个集合中（也就是属于MULTIPOLYGON类型的面），本身无法合并。
合并，S1+S2，得到两个面（也是MULTIPOLYGON类型）。

二维几何比较

Coordinate

Coordinate c1 = new Coordinate(10.01, 1.01);
Coordinate c2 = new Coordinate(10.01, 1.01);

var aa = c1.Equals2D(c2);//true
var bb = c1.Equals(c2);//true
var cc = c1 == c2;//false

LineSegment

// 起点和终点的顺序可以不同
private bool CoordEquals(LineSegment L1, LineSegment L2)
{
    if (L1.P0.Equals2D(L2.P0) && L1.P1.Equals2D(L2.P1))
    {
        return true;
    }
    if (L1.P0.Equals2D(L2.P1) && L1.P1.Equals2D(L2.P0))
    {
        return true;
    }
    return false;
}
private bool CoordEquals(LineSegment L1, Coordinate c1, Coordinate c2)
{
    if (L1.P0.Equals2D(c1) && L1.P1.Equals2D(c2))
    {
        return true;
    }
    if (L1.P0.Equals2D(c2) && L1.P1.Equals2D(c1))
    {
        return true;
    }
    return false;
}

计算速度粗略比较

Coordinate和Point的Distance的比较

Coordinate c1 = new Coordinate(10, 20);
Coordinate c2 = new Coordinate(103, 2333);
Point p1 = new Point(c1);
Point p2 = new Point(c2);

MyTimer.Prepare();
MyTimer.Start();
for (int i = 0; i < 100000; i++)
{
	var a = c1.Distance(c2);
}
MyTimer.PrintDuration();
MyTimer.Start();
for (int i = 0; i < 100000; i++)
{
	var a = p1.Distance(p2);
}
MyTimer.PrintDuration();

打印的结果是：

0.000356
0.0465025

就上述情况而言，用Coordinate对象计算距离更合适。

Polygon包含LineString、Point的速度比较

Coordinate[] coords = new Coordinate[]
{
	new Coordinate(0,0),
	new Coordinate(0,10),
	new Coordinate(10,10),
	new Coordinate(10,7),
	new Coordinate(3,7),
	new Coordinate(3,0),
	new Coordinate(0,0),
};
var ring = new LinearRing(coords);
var polygon2 = new Polygon(ring);

Coordinate c1 = new Coordinate(2, 9);
Coordinate c2 = new Coordinate(6, 8);
Coordinate c3 = new Coordinate(16, 8);
Point p1 = new Point(c1);
Point p2 = new Point(c2);
Point p3 = new Point(c3);

LineString line1 = new LineString(new Coordinate[] { c1, c2 });
LineString line2 = new LineString(new Coordinate[] { c1, c3 });

MyTimer.Prepare();
MyTimer.Start();
for (int i = 0; i < 100000; i++)
{
	polygon2.Contains(p1);
	polygon2.Contains(p2);
	polygon2.Contains(p1);
	polygon2.Contains(p3);
}
MyTimer.PrintDuration();
MyTimer.Start();
for (int i = 0; i < 100000; i++)
{
	polygon2.Contains(line1);
	polygon2.Contains(line2);
}
MyTimer.PrintDuration();

打印结果：

4.9734832
2.5062652

试验的数据量、数据分布情况较简单。就上述情况而言，用LineString被包含在面中反而比它的两个端点Point被包含在面中计算得更快。

缓冲区

默认的缓冲区参数(圆角)

var S = GeoMgr.Read("polygon((0 0,0 5,1 5,1 1,4 1,4 5,5 5,5 0,0 0))") as Polygon;
var T = GeoMgr.Read("polygon((0 -5,0 5,2 5, 3 0, 2 -5,0 -5))") as Polygon;
var L = GeoMgr.Read("linestring(1 5, 4 5)") as LineString;

var S2 = S.Buffer(0.1);
var L2 = L.Buffer(0.1);
var T2 = T.Buffer(0.1);

效果图：

自定义缓冲区参数(斜角)

//数据
var S = GeoMgr.Read("polygon((0 0,0 5,1 5,1 1,4 1,4 5,5 5,5 0,0 0))") as Polygon;
var T = GeoMgr.Read("polygon((0 -5,0 5,2 5, 3 0, 2 -5,0 -5))") as Polygon;
var L = GeoMgr.Read("linestring(1 5, 4 5)") as LineString;

//缓冲区参数
var bufferParam = new BufferParameters();
bufferParam.JoinStyle = JoinStyle.Mitre;
bufferParam.EndCapStyle = EndCapStyle.Flat;

//缓冲区结果
var S2 = S.Buffer(-0.1, bufferParam);
var L2 = L.Buffer(-0.1, bufferParam);
var T2 = T.Buffer(-0.1, bufferParam);