GeoTools入门（四）-- 创建shape要素

你的名字 2022-10-10 14:57 40阅读 0赞

## 1. 几何体的创建 ##

在上一节中，我们通过一个csv文件转shp的示例展示了如何去创建一个点状的shp文件。然而在实际工作中，点要素只是几何体要素的一小部分，他还有线、多线、面、多面、曲线等多种几何体。那么他们都是怎么创建的呢？我们今天来探究一下他的真实面目。

## 2. WKT简介 ##

因为GeoTools支持WKT创建几何体，那么我们有必要先简单了解一下什么是WKT。WKT(Well-known text)是一种文本标记语言，用于表示**矢量几何对象**、\*\*[空间参照系统][Link 1]\*\*及空间参照系统之间的转换。它的二进制表示方式，亦即[WKB][](well-known binary)则胜于在传输和在数据库中存储相同的信息。该格式由开放地理空间联盟(OGC)制定。

### 2.1 表示矢量几何对象 ###

WKT可以表示的几何对象包括：点，线，多边形，TIN（[不规则三角网][Link 2]）及多面体。可以通过几何集合的方式来表示不同维度的几何对象。 几何物体的坐标可以是2D(x,y),3D(x,y,z),4D(x,y,z,m),加上一个属于线性参照系统的m值。下表就是表示几何体的实例及说明。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">描述</th> 
   <th>语法</th> 
   <th align="center">应用场景</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">二维点要素</td> 
   <td>POINT(6 10)</td> 
   <td align="center">学校、基础设施位置</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">二维多点要素</td> 
   <td>MULTIPOINT(3.5 5.6, 4.8 10.5)</td> 
   <td align="center"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">带有线型参照二维点</td> 
   <td>POINT M (1 1 80)</td> 
   <td align="center">气象点</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">带有线型参照三维点</td> 
   <td>POINT ZM (1 1 5 60)</td> 
   <td align="center">高程点</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">二维线要素</td> 
   <td>LINESTRING(3 4,10 50,20 25)</td> 
   <td align="center">河流、道路</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">二维多线要素</td> 
   <td>MULTILINESTRING((3 4,10 50,20 25),(-5 -8,-10 -8,-15 -4))</td> 
   <td align="center">岛屿的线状行政界线</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">二维面状要素</td> 
   <td>POLYGON((1 1,5 1,5 5,1 5,1 1),(2 2,2 3,3 3,3 2,2 2))</td> 
   <td align="center">面状行政界线</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">二维多面要素</td> 
   <td>MULTIPOLYGON(((1 1,5 1,5 5,1 5,1 1),(2 2,2 3,3 3,3 2,2 2)),((6 3,9 2,9 4,6 3)))</td> 
   <td align="center">岛屿的面状行政界线</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">要素集合</td> 
   <td>GEOMETRYCOLLECTION(POINT(4 6),LINESTRING(4 6,7 10))</td> 
   <td align="center"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">空点要素</td> 
   <td>POINT EMPTY</td> 
   <td align="center"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">空面要素</td> 
   <td>MULTIPOLYGON EMPTY</td> 
   <td align="center"></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 2.2 表示空间参考系统 ###

WKT主要就是用文本的方法表示空间参考系统，下面通过 2 个例子可以很直观地看到如何通过文本来描述空间参考。

*  对于一个地理坐标系，比如最常见的 WGS84 坐标系统，WKT 描述是这样的：
    
        GEOGCS
        [
        "GCS_WGS_1984",
        DATUM["D_WGS_1984",SPHEROID["WGS_1984",6378137.0,298.257223563]],
        PRIMEM["Greenwich",0.0],
        UNIT["Degree",0.0174532925199433],
        AUTHORITY["EPSG",4326]
        ]
    
    > “GEOGCS”表明其后紧随的“\[ \]”中描述的是一个地理坐标系统。该坐标系统名称为“GCS\_WGS\_1984”；采用的大地基准面为“D\_WGS\_1984”，该基准面近似椭球体的长轴为 6378137.0 米、扁率为 298.257223563；以格林威治 0 度经线为起始经线；地图单位为度，该单位的转换因子 为 0.0174532925199433（π/180）；最后，该坐标系统在EPSG中的编码为“4326”。
 *  对于一个投影坐标系，比如 WGS84 Web Mercator（Auxiliary Sphere）坐标系统，WKT 描述是这样的：
    
        PROJCS
        [
        "WGS_1984_Web_Mercator_Auxiliary_Sphere",
        GEOGCS
        [
        "GCS_WGS_1984",
        DATUM["D_WGS_1984",SPHEROID["WGS_1984",6378137.0,298.257223563]],
        PRIMEM["Greenwich",0.0],
        UNIT["Degree",0.0174532925199433]
        ],
        PROJECTION["Mercator_Auxiliary_Sphere"],
        PARAMETER["False_Easting",0.0],
        PARAMETER["False_Northing",0.0],
        PARAMETER["Central_Meridian",0.0],
        PARAMETER["Standard_Parallel_1",0.0],
        PARAMETER["Auxiliary_Sphere_Type",0.0],
        UNIT["Meter",1.0],
        AUTHORITY["EPSG",3857]
        ]
    
    > 类似的，“PROJCS”代表这是一个投影坐标系。投影坐标系中必然会包括一个地理坐标系，这里的地理坐标系就是“GCS\_WGS\_1984”，这个地理坐标系的定义和上面的类似。下面紧跟着的是投影的相关参数，“Mercator\_Auxiliary\_Sphere”是采用投影的名称，这个投影坐标系以 0 度经线为中央经线进行投影；坐标系的单位为米（显然，转换因子就为 1.0），而该坐标系的 EPSG 编码为“3857”。
 *  在线 EPSG编码参考：http://spatialreference.org/ref/epsg/

## 3. GeoTools中的几何体架构 ##

### 3.1 几何体的初始化 ###

为了创建一个 Geometry 对象，我们使用`GeometryFactory`了 JTS 提供的。`GeometryFactory`有一堆创建方法，它们采用 Coordinate 实例（和数组）并将它们包装在 Geometry 的适当实例中。下面是创建几何体的类图：

GeometryGeometryFactoryPrecisionModel\#factory0..1\-precisionModel0..1

> **PrecisionModel**:指定几何体中坐标的精度模型。换句话说，指定所有几何图形的允许点网格。假设坐标在几何上是精确的。也就是说，坐标假定为四舍五入到几何图形的精确模型。JTS输入例程自动舍入在创建几何图形之前将坐标转换为精确模型。

### 3.2 几何体的简单类 ###

由 JTS 实现的 SQL 规范的 OGC 简单功能适用于*Point*、*LineString*和*Polygon*，每个*几何体*都可以包含在一个边界中（充当包含所有几何坐标的边界框），类图如下：

GeometryPointLineStringPolygonLineRingLinearRingEnvelope\#shell0..1\#holes0..\*\#envelope0..1

### 3.3 几何体集合 ###

OGC Simple Feature for SQL 规范还提供对`GeometryCollections`. `GeometryCollections`本身被认为是几何。类图如下：

GeometryGeometryCollectionMultiPointMultiLineStringMultiPolygon\#geometries0..\*

### 3.4 曲线几何体 ###

GeoTools 扩展了这些核心 Geometry 类以支持曲线。这些实现生成坐标，允许它们充当正常的 JTS 几何图形（根据 JTS 操作的要求）。

«interface» CompoundCurvedGeometry«interface» MultiCurvedGeometryGeometryLineStringPolygonLinearRingCompoundRingCompoundVurveCircularRingCircularStringSingleCurvedGeometryMultiLineStringMultiCurve\#shell0..1\#holes0..\*

## 4. 创建点要素 ##

### 4.1 创建单点 ###

#### 4.1.1 通过坐标对象*Coordinate*创建 ####

GeometryFactory geometryFactory = JTSFactoryFinder.getGeometryFactory();
    Coordinate coord = new Coordinate(1, 1);
    Point point = geometryFactory.createPoint(coord);

#### 4.1.2 通过WKT创建 ####

GeometryFactory geometryFactory = JTSFactoryFinder.getGeometryFactory();
    WKTReader reader = new WKTReader(geometryFactory);
    Point point = (Point) reader.read("POINT (1 1)");

### 4.2 创建多点 ###

我们先查看一下`geometryFactory`关于`createMultiPoint`的方法：

GeometryFactory#createMultiPoint(Point[]);
    GeometryFactory#createMultiPoint(Coordinate[]);
    GeometryFactory#createMultiPoint(CoordinateSequence);

前两个构造方法我们很好理解，通过上面提到的都能实现。那么*CoordinateSequence*是个什么鬼？他通过什么机制实现多点的呢？他的实现类很多，我们以*CoordinateSequence2D*为例，通过查看他的成员变量和构造方法来了解一下他的实现机制：

//成员变量
    private final double[] x;
    private final double[] y;
    //重要构造方法
    public CoordinateSequence2D(double... xy) { 
        if (xy == null) { 
            x = new double[0];
            y = new double[0];
        } else { 
            if (xy.length % 2 != 0) { 
                throw new IllegalArgumentException("xy must have an even number of values");
            }
            x = new double[xy.length / 2];
            y = new double[xy.length / 2];
            for (int i = 0, k = 0; k < xy.length; i++, k += 2) { 
                x[i] = xy[k];
                y[i] = xy[k + 1];
            }
        }
    }

通过构造方法我们知道他是通过传递偶数个双精度类型数据创建XY点的集合。如果我们要创建一个二维的多点(1,1),(2,2),(3,3)，那么代码应该是这么写：

GeometryFactory geometryFactory = JTSFactoryFinder.getGeometryFactory();
    CoordinateSequence coordinateSequence = new CoordinateSequence2D(1, 1,2,2,3,3);
    MultiPoint multiPoint = geometryFactory.createMultiPoint(coordinateSequence);

当然，我们也可以通过WKT去创建多点：

GeometryFactory geometryFactory = JTSFactoryFinder.getGeometryFactory();
    WKTReader reader = new WKTReader(geometryFactory);
    MultiPoint multiPoint = (MultiPoint) reader.read("MULTIPOINT(1 1,2 2,3 3)");

## 5. 创建线要素 ##

### 5.1 创建单线 ###

线要素的创建也包含两种方式。

#### 5.1.1 通过*Coordinate*创建 ####

GeometryFactory geometryFactory = JTSFactoryFinder.getGeometryFactory();
    Coordinate[] coords = new Coordinate[] { new Coordinate(0, 2), new Coordinate(2, 0), new Coordinate(8, 6) };
    LineString line = geometryFactory.createLineString(coordinates);

上面我们提到可以通过CoordinateSequence创建多点，那么这个可以创建线串吗？答案是肯定的，*GeometryFactory*有一个重载方法就是*GeometryFactory\#createLineString(CoordinateSequence)*。

GeometryFactory geometryFactory = JTSFactoryFinder.getGeometryFactory();
    CoordinateSequence coordinateSequence = new CoordinateSequence2D(0,2, 2,0, 8,6);
    LineString line = geometryFactory.createLineString(coordinateSequence);

#### 5.1.2 通过WKT创建 ####

GeometryFactory geometryFactory = JTSFactoryFinder.getGeometryFactory();
    WKTReader reader = new WKTReader( geometryFactory );
    LineString line = (LineString) reader.read("LINESTRING(0 2, 2 0, 8 6)");

### 5.2 创建多线 ###

创建多线还是很简单的，这里就给出方法说明，大家可以自行尝试。

GeometryFactory#createMultiLineString(LineString[])

当然也可以通过WKT创建。上面提供了多线的WKT语法，有兴趣的可以自行尝试一下。

## 6. 创建面要素 ##

### 6.1 创建单面 ###

#### 6.1.1 通过*Coordinate*创建 ####

GeometryFactory geometryFactory = JTSFactoryFinder.getGeometryFactory();
    Coordinate[] coords  =  new Coordinate[] { new Coordinate(4, 0), new Coordinate(2, 2),                     												 new Coordinate(4, 4), new Coordinate(6, 2), new Coordinate(4, 0) };
    LinearRing ring = geometryFactory.createLinearRing( coords );
    LinearRing holes[] = null; Polygon polygon = geometryFactory.createPolygon(ring, holes );

> 这里需要注意两点:
> 
>  *  提供的坐标串开始坐标点要和结束坐标点保持一致。
>  *  在createPolygon方法中，第二个参数是洞的意思。在土地管理的术语叫飞地。还是不清楚的可以看一下中国地图，河北的与北京的关系。不过北京在这就不能叫飞地。不过要说最厉害的飞地，非北京市双河农场莫属，它位于黑龙江齐齐哈尔市甘南县境内嫩江左岸，大兴安岭南坡与松嫩平原夏界处，占地380平万公里，距北京1060公里，是中国“飞”得最远的一块飞地。

#### 6.1.2 通过WKT创建 ####

GeometryFactory geometryFactory = JTSFactoryFinder.getGeometryFactory( null );
    WKTReader reader = new WKTReader( geometryFactory );
    Polygon polygon = (Polygon) reader.read("POLYGON((20 10, 30 0, 40 10, 30 20, 20 10))");

### 6.2 创建多面 ###

GeometryFactory#createMultiPolygon(Polygon[])

当然也可以通过WKT创建。上面提供了多面的WKT语法，有兴趣的可以自行尝试一下。

## 7. 强大的WKTReader ##

有没有觉得`WKTReader`的强大之处？不管是什么类型的要素(点、线、面)，通过WKT字符串始终能返回一个正确的地理实体要素。他是怎么做到的呢？为什么我们可以这么肆无忌惮的类型强转呢？我觉得这一个最重要的功劳还是归功于Java的继承特性。因为他返回的是Geometry对象，而其他要素基本都继承了这个类，在这里，相信大家对于java继承的特性有了更深的理解。而真正的实现是什么样子的呢？

private Geometry readGeometryTaggedText() throws IOException, ParseException { 
        String type = null;
        try{ 
        	type = getNextWord();
        }catch(IOException e){ 
        	return null;
        }catch(ParseException e){ 
        	return null;
        }
        if (type.equalsIgnoreCase("POINT")) { 
          return readPointText();
        }
        else if (type.equalsIgnoreCase("LINESTRING")) { 
          return readLineStringText();
        }
        else if (type.equalsIgnoreCase("LINEARRING")) { 
          return readLinearRingText();
        }
        else if (type.equalsIgnoreCase("POLYGON")) { 
          return readPolygonText();
        }
        else if (type.equalsIgnoreCase("MULTIPOINT")) { 
          return readMultiPointText();
        }
        else if (type.equalsIgnoreCase("MULTILINESTRING")) { 
          return readMultiLineStringText();
        }
        else if (type.equalsIgnoreCase("MULTIPOLYGON")) { 
          return readMultiPolygonText();
        }
        else if (type.equalsIgnoreCase("GEOMETRYCOLLECTION")) { 
          return readGeometryCollectionText();
        }
        parseErrorWithLine("Unknown geometry type: " + type);
        // should never reach here
        return null;
      }

有没有嗅到了代码的坏味道？搞了这么多if-elseif-else。这样应该又两个不足：

*  代码很臃肿。这么一长串代码，虽然结构清晰，但是还是不能一眼看明白。
 *  可扩展行差。在文章的开始，我们知道WKT表示的几何实体有11种，而这里只实现了8种，以后还是有扩展的潜力的。如果后期在增加类型，我们不得不修改源代码。

那么有没有一种简单的处理方式呢？我的不一定是最好，也许从性能上还不如这段代码，但仅仅是表达一下我的思路。我们可以创建一个Map集合，可以通过反射的方式去实现逻辑。

## 8. 几何要素的一些空间分析 ##

### 8.1 几何体的基本信息 ###

*  `getArea()` \- 以与坐标相同的单位返回的区域（小心纬度/经度数据！）
 *  `getCentroid()` \- 几何的中心
 *  `getEnvelope()` \- 返回一个可能不是你想要的几何
 *  `getEnvelopeInternal()` \- 这将返回一个有用的信封
 *  `getInteriorPoint()` \- 几何的中心（实际上是在几何上）

### 8.2 几何体的空间关系 ###

*  `disjoint(Geometry)` \- 与“不”相交相同
 *  `touches(Geometry)` \- 几何必须只是接触，交叉或重叠将不起作用
 *  `intersects(Geometry)`
 *  `crosses(Geometry)`
 *  `within(Geometry)` \- 几何内部必须是完整的
 *  `contains(Geometry)`
 *  `overlaps(Geometry)` \- 必须实际重叠边缘，在里面或接触是行不通的
 *  `covers(Geometry)`
 *  `coveredBy(Geometry)`
 *  `relate(Geometry, String)`\- 允许对关系进行一般检查
 *  `relate(Geometry)`

### 8.3 几何体运算空间计算 ###

*  `intersection(Geometry)`
 *  `union(Geometry)`
 *  `difference(Geometry)`
 *  `symDifference(Geometry)`

### 8.4 最有用的功能 ###

*  `distance(Geometry)` \- 两个几何体的距离
 *  `buffer(double)` \- 用于缓冲几何体的边缘以生成多边形
 *  `union()` \- 用于几何集合以生成单个几何

### 8.5 几何的构造信息 ###

*  `getGeometryFactory()`
 *  `getPreceisionModel()`
 *  `toText()` \- 几何的 WKT 表示
 *  `getGeoemtryType()`\-称为工厂方法（即`point`，`linestring`等。）

[Link 1]: http://www.baike.com/sowiki/%E7%A9%BA%E9%97%B4%E5%8F%82%E7%85%A7%E7%B3%BB%E7%BB%9F?prd=content_doc_search
[WKB]: http://www.baike.com/sowiki/WKB?prd=content_doc_search
[Link 2]: http://www.baike.com/sowiki/%E4%B8%8D%E8%A7%84%E5%88%99%E4%B8%89%E8%A7%92%E7%BD%91?prd=content_doc_search