从Shapefile到GeoJSON：用GDAL实现GIS矢量数据读写与空间分析

charlee442026-01-11 13:47

本文节选自作者新书《GIS基础原理与技术实践》第4章，系统讲解矢量数据开发基础，涵盖 OGR/GDAL 使用、坐标转换、拓扑判断等实战内容。

4.4 矢量数据开发基础

通过之前的介绍，相信读者已经对于GIS的矢量数据有了一个全面的认识，尽管可能不是那么深入。但是没有关系，我们可以在实际的开发过程中加深对其的认识。

4.4.1 第三方开源库OGR/GDAL

在第3章的时候，我们小试牛刀，通过第三方开源库PROJ/GDAL很简单的就实现了地理空间参考系统的相互转换。在这里同样如此，我们可以通过GDAL的OGR组件，轻松实现GIS矢量数据的基础开发。

OGR曾经是一个独立的矢量IO库，表示OpenGIS Simple Features Reference Implementation的意思，但其实OGR不完全符合OGC的Simple Feature标准规范，因此未被批准作为该规范的参考实现（当然也非常接近规范了）。从GDAL2.0开始，GDAL和OGR组件被集成在一起。

OGR/GDAL提供了非常强大的矢量读写能力，支持市面上绝大多数矢量数据格式。在第3章我们介绍GDAL的时候就提到过，GDAL是一个GIS数据抽象库。所谓数据抽象，是指无论是哪一种具体的矢量数据格式，GDAL都会将其抽象成数据集对象（Dataset），从而可以支持读取、写出和处理操作。常用的矢量数据格式如下：

  • DXF/DWG：应用最广泛的几何图形数据格式，在CAD领域内用的非常多，但是缺点是缺少地理信息。
  • ESRI Shapefile：GIS中最常见的矢量数据格式，几乎所有的商业和开源GIS软件都支持。除了几何信息之外，还包含空间信息和属性信息。
  • GeoJSON：一种通过JSON来表述要素的矢量数据格式，因而很容易被JavaScript解析和处理，适用于Web端的轻量化应用。
  • KML：Google提出的一种基于XML标准来描述地理空间信息的数据格式（包括点、线、面、多边形和模型等），并且已经被OGC认定为开放地理信息编码标准。

在GDAL中，对数据格式的支持被封装成驱动（dirver），包括上述格式在内的数据驱动要么内嵌在GDAL中，要么通过另外的第三方库来支持。当然这些我们可以暂时不用关心，直接使用本书Github主页代码仓库中的GDAL即可。

4.4.2 矢量数据的读取、处理和写入

了解了第三方库OGR/GDAL，接下来我们就通过其实现关于GIS矢量数据的基础开发。一个很容易理解的常识是，包含GIS矢量数据在内的任何数据的操作都离不开三个过程：读取、处理和写入。因此，这里我们结合前面空间坐标参考转换的实践，实现一个简单的实例：读取一个面的矢量，然后对其进行空间参考的转换，最后重新写出一个矢量。具体的实现代码如下：

cpp 复制代码 
#include <ogrsf_frmts.h>

#include <Eigen/Eigen>
#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;
using namespace Eigen;

using Point = Vector3d;
using Line = vector<Point>;
using Polygon = vector<Line>;

vector<Polygon> polygonData;

OGRSpatialReference srcFileSpatialReference;
OGRSpatialReference dstFileSpatialReference;

void OgrRing2Line(OGRLinearRing *ogrLinearRing, Line &line) {
  for (int i = 0; i < ogrLinearRing->getNumPoints(); i++) {
    line.emplace_back(ogrLinearRing->getX(i), ogrLinearRing->getY(i),
                      ogrLinearRing->getZ(i));
  }
}

void OgrPolygon2Polygon(OGRPolygon *ogrPolygon, Polygon &polygon) {
  //外环
  Line line;
  OgrRing2Line(ogrPolygon->getExteriorRing(), line);
  polygon.push_back(line);

  //内环
  for (int ri = 0; ri < ogrPolygon->getNumInteriorRings(); ri++) {
    Line line;
    OgrRing2Line(ogrPolygon->getInteriorRing(ri), line);
    polygon.push_back(line);
  }
}

bool ReadShp() {
  string srcFile = getenv("GISBasic");
  srcFile = srcFile + "/../Data/Vector/multipolygons.shp";

  GDALDataset *poDS = (GDALDataset *)GDALOpenEx(srcFile.c_str(), GDAL_OF_VECTOR,
                                                NULL, NULL, NULL);
  if (!poDS) {
    printf("无法读取该文件，请检查数据是否存在问题！");
    return false;
  }

  if (poDS->GetLayerCount() < 1) {
    printf("该文件的层数小于1，请检查数据是否存在问题！");
    return false;
  }

  //原始数据空间参考
  char *pszWKT = nullptr;
  poDS->GetLayer(0)->GetSpatialRef()->exportToWkt(&pszWKT);
  srcFileSpatialReference.importFromWkt(pszWKT);
  CPLFree(pszWKT);
  pszWKT = nullptr;

  for (int li = 0; li < poDS->GetLayerCount(); li++) {
    OGRLayer *poLayer = poDS->GetLayer(li);  //读取层
    poLayer->ResetReading();

    //输出字段名
    OGRFeatureDefn *poFDefn = poLayer->GetLayerDefn();
    int n = poFDefn->GetFieldCount();
    for (int iField = 0; iField < n; iField++) {
      OGRFieldDefn *OGRFieldDefn = poFDefn->GetFieldDefn(iField);
      cout << OGRFieldDefn->GetNameRef() << endl;
    }

    //遍历特征
    OGRFeature *poFeature = nullptr;
    while ((poFeature = poLayer->GetNextFeature()) != nullptr) {
      OGRGeometry *geometry = poFeature->GetGeometryRef();
      OGRwkbGeometryType geometryType = geometry->getGeometryType();

      switch (geometryType) {
        case wkbPolygon:
        case wkbPolygonM:
        case wkbPolygonZM: {
          OGRPolygon *ogrPolygon = dynamic_cast<OGRPolygon *>(geometry);
          if (!ogrPolygon) {
            continue;
          }

          Polygon polygon;
          OgrPolygon2Polygon(ogrPolygon, polygon);
          polygonData.push_back(polygon);

          break;
        }
        case wkbMultiPolygon:
        case wkbMultiPolygonM:
        case wkbMultiPolygonZM: {
          OGRMultiPolygon *ogrMultiPolygon =
              dynamic_cast<OGRMultiPolygon *>(geometry);
          if (!ogrMultiPolygon) {
            continue;
          }

          for (int gi = 0; gi < ogrMultiPolygon->getNumGeometries(); gi++) {
            OGRPolygon *ogrPolygon =
                dynamic_cast<OGRPolygon *>(ogrMultiPolygon->getGeometryRef(gi));
            if (!ogrPolygon) {
              continue;
            }

            Polygon polygon;
            OgrPolygon2Polygon(ogrPolygon, polygon);
            polygonData.push_back(polygon);
          }

          break;
        }
        default: {
          printf("未处理的特征类型\n");
          break;
        }
      }

      //输出每个字段的值
      for (int iField = 0; iField < n; iField++) {
        cout << poFeature->GetFieldAsString(iField) << "    ";
      }
      cout << endl;

      OGRFeature::DestroyFeature(poFeature);
    }
  }

  GDALClose(poDS);
  poDS = nullptr;

  return true;
}

void Convert() {
  dstFileSpatialReference.importFromEPSG(3857);
  dstFileSpatialReference.SetAxisMappingStrategy(OAMS_TRADITIONAL_GIS_ORDER);
  srcFileSpatialReference.SetAxisMappingStrategy(OAMS_TRADITIONAL_GIS_ORDER);

  OGRCoordinateTransformation *src2DstTransformation =
      OGRCreateCoordinateTransformation(&srcFileSpatialReference,
                                        &dstFileSpatialReference);

  if (!src2DstTransformation) {
    return;
  }

  for (auto &polygon : polygonData) {
    for (auto &line : polygon) {
      for (auto &point : line) {
        src2DstTransformation->Transform(1, point.data(), point.data() + 1,
                                         point.data() + 2);
      }
    }
  }
}

bool CreateField(OGRLayer *poLayer) {
  // 字符串
  OGRFieldDefn oField1("Type", OFTString);
  oField1.SetWidth(8);
  if (poLayer->CreateField(&oField1) != OGRERR_NONE) {
    printf("Creating Name field failed.\n");
    return false;
  }

  // 浮点数
  OGRFieldDefn oField2("Area", OFTReal);
  oField2.SetPrecision(3);
  if (poLayer->CreateField(&oField2) != OGRERR_NONE) {
    printf("Creating Name field failed.\n");
    return false;
  }

  // 整型
  OGRFieldDefn oField3("VertexCount", OFTInteger);
  if (poLayer->CreateField(&oField3) != OGRERR_NONE) {
    printf("Creating Name field failed.\n");
    return false;
  }

  return true;
}

bool WriteGeoJson() {
  string dstFile = getenv("GISBasic");
  dstFile = dstFile + "/../Data/Out.geoJson";

  //创建
  GDALDriver *driver = GetGDALDriverManager()->GetDriverByName("GeoJSON");
  if (!driver) {
    printf("Get Driver GeoJSON Error！\n");
    return false;
  }

  GDALDataset *dataset =
      driver->Create(dstFile.c_str(), 0, 0, 0, GDT_Unknown, NULL);
  OGRLayer *poLayer = dataset->CreateLayer(
      "FirstLayer", &dstFileSpatialReference, wkbPolygon, NULL);

  if (!CreateField(poLayer)) {
    return false;
  }

  //创建特征
  for (const auto &polygon : polygonData) {
    OGRFeature ogrFeature(poLayer->GetLayerDefn());

    OGRPolygon ogrPolygon;

    int vertexNum = 0;
    for (const auto &line : polygon) {
      OGRLinearRing ogrRing;
      for (const auto &point : line) {
        ogrRing.addPoint(point.x(), point.y(), point.z());
        vertexNum++;
      }
      ogrPolygon.addRing(&ogrRing);
    }
    ogrFeature.SetGeometry(&ogrPolygon);

    ogrFeature.SetField("Type", "Polygon");
    ogrFeature.SetField("Area", ogrPolygon.get_Area());
    ogrFeature.SetField("VertexCount", vertexNum);

    if (poLayer->CreateFeature(&ogrFeature) != OGRERR_NONE) {
      printf("Failed to create feature.\n");
      return false;
    }
  }

  //释放
  GDALClose(dataset);
  dataset = nullptr;

  return true;
}

int main() {
  GDALAllRegister();
  CPLSetConfigOption("GDAL_FILENAME_IS_UTF8", "NO");  //支持中文路径
  CPLSetConfigOption("SHAPE_ENCODING", "");           //解决中文乱码问题

  if (!ReadShp()) {
    return 1;
  }

  Convert();

  WriteGeoJson();
}

在这里，读取的矢量是一个Shapefile文件，包含的都是多边形的要素，空间参考为WGS84地理坐标系（EPSG：4326），显示如下图4.14所示：

经过空间参考转换后，空间参考为Web墨卡托投影坐标系（EPSG：3857），且生成的是一个GeoJson文件。如下图4.15所示，可以看到在空间坐标参考转换之后形状似乎"变窄"了一点，这是地图投影变换的特性决定的（参考第2章介绍的知识）。

这段代码的关键在于如下几点：

  • 读取矢量时，矢量数据被读取成数据集对象GDALDataset，GDALDataset管理图层对象OGRLayer，OGRLayer管理特征类对象OGRFeature，OGRFeature则包含几何对象类OGRGeometry。OGRGeometry是一个抽象父类，有意义的是其表达具体的几何对象的子类，比如OGRPolygon代表多边形几何对象。OGRPolygon又是由1个外环和多个内环（环线：OGRLinearRing）组成。矢量就是这样一层层抽象组合表达出来的。

  • 在进行数据处理也就是空间参考转换之前，我们把读取的数据放到我们自己的数据容器中：

    cpp 复制代码 
    using Point = Vector3d;
using Line = vector<Point>;
using Polygon = vector<Line>;

vector<Polygon> polygonData;

    真实的GIS数据处理开发要求是千变万化的，操作的往往不是读取组件（这里指OGR）定义的数据结构对象。我们可以将其读取在成自定义的数据结构中，以方便我们进行更加通用的操作，或者进行并行优化。在这里我们遍历了自定义的数据结构对象中的顶点，逐点进行空间坐标参考的转换。进行其他的数据处理也是如此，根据自己的需要操作自己的数据结构容器。

  • 写出矢量时，将处理结束的自定义数据结构对象恢复成数据集对象GDALDataset（读取矢量的逆操作）。另外，需要关注的是GDAL的数据驱动GDALDriver，其是通过名称来创建对应格式的矢量文件，例如这里传入到名称是GeoJson:

    cpp 复制代码 
    GDALDriver *driver = GetGDALDriverManager()->GetDriverByName("GeoJSON");
if (!driver) {
  printf("Get Driver GeoJSON Error！\n");
  return false;
}

  • 矢量数据的属性表数据与数据库中的表结构比较类似，每个字段具有自己的定义属性，例如数据类型、长度、精度等。并且，每一个特征都对应了一行记录。因而属性表的操作还是挺复杂的，往往与业务操作相关联。这里仅仅只是输出显示了读取的属性表信息，写入了自己创建的字段与值。读取和写入的属性表数据如下图4.16、图4.17所示：


4.4.3 空间拓扑关系的判断

对矢量要素进行空间拓扑关系的判断也是GIS开发中常用的功能。在4.3.3节中介绍了OGC的Simple Feature标准规范中拓扑关系，OGR/GDAL对其做了具体的实现。任何继承了OGRGeometry的几何对象类（如OGRPoint、OGRPolygon）都可以调用标准中定义的接口（二元谓词），判断该几何对象与另外一个几何对象的拓扑关系。在如下实例中，判断了空间中某点与某多边形是否存在包含（Contains）关系：

cpp 复制代码 
#include <ogrsf_frmts.h>

#include <iostream>

using namespace std;

int main() {
  OGRLinearRing linearRing;
  linearRing.addPoint(268.28, 784.75);
  linearRing.addPoint(153.98, 600.60);
  linearRing.addPoint(274.63, 336.02);
  linearRing.addPoint(623.88, 401.64);
  linearRing.addPoint(676.80, 634.47);
  linearRing.addPoint(530.75, 822.85);
  linearRing.closeRings();

  OGRPolygon polygon;
  polygon.addRing(&linearRing);

  cout << "点A是否在多边形内：";
  OGRPoint pointA(407.98, 579.43);  
  cout << polygon.Contains(&pointA) << endl;

  cout << "点B是否在多边形内：";
  OGRPoint pointB(678.92, 482.07);  
  cout << polygon.Contains(&pointB) << endl;
}

运行的结果如下所示：

text 复制代码 
点A是否在多边形内：1
点B是否在多边形内：0

在4.3.3节中介绍过，包含(Contains)与内含(Within)是一对相反的关系。在这里我们当然也可以调用OGRPoint的内含(Within)接口，会返回与上述同样的结果。不止如此，其他空间拓扑关系的接口也是这样调用，读者可以根据自己的需求尝试一二，这里只是抛砖引玉。

本文节选自作者新书《GIS基础原理与技术实践》第3章。书中系统讲解 GIS 核心理论与多语言实战，适合开发者与高校师生。

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