在地理信息系统（GIS）数据处理中，矢量面数据的拓扑关系至关重要。如果拓扑错误没有及时发现和修复，可能会影响后续空间分析、建模与可视化效果。本文介绍如何使用 GeoPandas + Shapely 进行拓扑检查，并提供扩展功能（打印、导出、删除问题要素）。
一、拓扑错误常见类型
在多边形矢量数据中，常见的拓扑问题包括：
非法几何（Invalid Geometry）
多边形自相交或几何结构错误。
带洞要素（Polygons with Holes）
多边形内部包含空洞（通常需要视业务是否允许）。
极小面（Small Polygons）
面积过小的碎片，通常是误差或无意义的边角。
完全重复几何（Duplicate Geometries）
两个要素几何完全相同。
同层重叠（Self-Overlap / Overlap within Layer）
两个多边形在同一层里相互叠压。
二、Python 拓扑检查脚本
python
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
矢量面数据拓扑检查与清洗
记得先把数据加上投影奥
- 检查项：非法几何、带洞、极小面、重复几何、同层重叠
- 可选操作：打印 / 导出 / 删除
"""
import geopandas as gpd
from shapely.validation import explain_validity
from shapely.geometry import Polygon, MultiPolygon, box
import shapely
import os
# ========= 基本参数 =========
SRC = r""
MIN_AREA_M2 = 10.0 # 极小面阈值（平方米）
FIX_INVALID_BEFORE = True # 检查前修复非法几何
EXPORT_PROBLEMS = True # 是否导出问题要素
DELETE_PROBLEMS = False # 是否直接删除问题要素（谨慎使用）
OUT_DIR = os.path.dirname(SRC)
# ========= 读取数据 =========
gdf = gpd.read_file(SRC)
print(f"读取完成：{len(gdf)} 要素；原CRS = {gdf.crs}")
if gdf.crs is None:
gdf = gdf.set_crs(epsg=4326, allow_override=True)
print("未检测到CRS，已强制设置 EPSG:4326")
# ========= 构造米制副本 =========
try:
utm_crs = gdf.estimate_utm_crs()
gdf_m = gdf.to_crs(utm_crs)
print(f"用于量测的米制CRS：{utm_crs}")
except Exception as e:
print("UTM估算失败，仍使用原CRS：", e)
gdf_m = gdf.copy()
# ========= 几何修复函数 =========
def fix_geom(geom):
if geom is None or geom.is_empty:
return geom
if not geom.is_valid:
try:
return shapely.make_valid(geom)
except Exception:
return geom.buffer(0)
return geom
if FIX_INVALID_BEFORE:
gdf["geometry"] = gdf["geometry"].apply(fix_geom)
gdf_m["geometry"] = gdf_m["geometry"].apply(fix_geom)
# ========= 检查1：非法几何 =========
invalid_idx = [i for i, geom in gdf.geometry.items() if not geom.is_valid]
# ========= 检查2：带洞要素 =========
def has_holes(geom):
if isinstance(geom, Polygon):
return len(geom.interiors) > 0
if isinstance(geom, MultiPolygon):
return any(len(p.interiors) > 0 for p in geom.geoms)
return False
holes_idx = [i for i, geom in gdf.geometry.items() if has_holes(geom)]
# ========= 检查3：极小面 =========
small_idx = [i for i, geom in gdf_m.geometry.items() if geom.area < MIN_AREA_M2]
# ========= 检查4：完全重复几何 =========
dup_idx = list(gdf.index[gdf.geometry.duplicated(keep=False)])
# ========= 检查5：同层重叠 =========
print("\n[同层重叠] 正在扫描 ...")
overlap_pairs, overlap_ids = [], set()
sindex = gdf_m.sindex
for i, geom in enumerate(gdf_m.geometry):
if geom.is_empty:
continue
candidate_idx = sindex.query(box(*geom.bounds))
for j in candidate_idx:
if j <= i:
continue
g2 = gdf_m.geometry.iloc[j]
inter = geom.intersection(g2)
if not inter.is_empty and inter.area > 0:
overlap_pairs.append((i, j, float(inter.area)))
overlap_ids.update([i, j])
# ========= 汇总 =========
print("\n------ 拓扑检查汇总 ------")
print(f"非法几何：{len(invalid_idx)}")
print(f"带洞要素：{len(holes_idx)}")
print(f"极小面(<{MIN_AREA_M2} m²)：{len(small_idx)}")
print(f"完全重复几何：{len(dup_idx)}")
print(f"同层重叠：{len(overlap_pairs)} 对，涉及 {len(overlap_ids)} 个要素")
# ========= 导出 / 删除选项 =========
problem_idx = sorted(set(invalid_idx + holes_idx + small_idx + dup_idx + list(overlap_ids)))
if problem_idx:
print(f"\n⚠️ 检测到 {len(problem_idx)} 个问题要素：{problem_idx[:20]}{' ...' if len(problem_idx)>20 else ''}")
if EXPORT_PROBLEMS:
out_path = os.path.join(OUT_DIR, "problems.shp")
gdf.loc[problem_idx].to_file(out_path, encoding="utf-8")
print(f"已导出问题要素到: {out_path}")
if DELETE_PROBLEMS:
gdf_clean = gdf.drop(problem_idx)
out_clean = os.path.join(OUT_DIR, "cleaned.shp")
gdf_clean.to_file(out_clean, encoding="utf-8")
print(f"已删除问题要素，结果保存到: {out_clean}")
else:
print("\n✅ 数据没有发现拓扑问题！")三、功能说明
打印模式：直接在终端显示各类拓扑问题数量和索引。
导出模式（EXPORT_PROBLEMS=True）：将有问题的要素保存到单独的 problems.shp 文件，方便在 ArcGIS / QGIS 中查看。
删除模式（DELETE_PROBLEMS=True）：自动清洗数据，生成 cleaned.shp，但要谨慎使用。