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关于python：如何(智能)循环遍历GeoDataframe中的所有点并查看最近的邻居

codeneng 2023-03-28 原文

How to (smartly) loop over all points in a GeoDataframe and look at nearest neighbours

我有一个大 (O(10^6) 行) 数据集(带有值的点)，我需要对所有点执行以下操作：

  • 在预定义的半径内找到最近的 3 个点。
  • 计算这三个点的关联值的平均值。
  • 将平均值保存到我正在查看的点

"非矢量化"方法是简单地遍历所有点...对于所有点，然后应用逻辑。然而，这扩展性很差。

我已经包含了一个玩具示例，它可以满足我的需求。我已经考虑过的想法是：

  • 使用 shapely.ops.nearest_points: 然而，这似乎只返回一个最近的点。
  • 围绕每个单独的点进行缓冲并与原始 GeoDataframe 进行连接：这似乎比天真的方法更糟糕。

这是我要实现的逻辑的玩具示例：

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import pandas as pd
import numpy as np
from shapely.wkt import loads
import geopandas as gp

points=[
    'POINT (1 1.1)', 'POINT (1 1.9)', 'POINT (1 3.1)',
    'POINT (2 1)', 'POINT (2 2.1)', 'POINT (2 2.9)',
    'POINT (3 0.8)', 'POINT (3 2)', 'POINT (3 3)'
]
values=[9,8,7,6,5,4,3,2,1]

df=pd.DataFrame({'points':points,'values':values})
gdf=gp.GeoDataFrame(df,geometry=[loads(x) for x in df.points], crs={'init': 'epsg:' + str(25832)})

for index,row in gdf.iterrows(): # Looping over all points
    gdf['dist'] = np.nan
    for index2,row2 in gdf.iterrows(): # Looping over all the other points
        if index==index2: continue
        d=row['geometry'].distance(row2['geometry']) # Calculate distance
        if d<3: gdf.at[index2,'dist']=d # If within cutoff: Store
        else: gdf.at[index2,'dist']=np.nan # Otherwise, be paranoid and leave NAN
    # Calculating mean of values for the 3 nearest points and storing
    gdf.at[index,'mean']=np.mean(gdf.sort_values('dist').head(3)['values'].tolist())

print(gdf)

生成的 GeoDataframe 在这里：

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          points  values       geometry      dist      mean
0  POINT (1 1.1)       9  POINT (1 1.1)  2.758623  6.333333
1  POINT (1 1.9)       8  POINT (1 1.9)  2.282542  7.000000
2  POINT (1 3.1)       7  POINT (1 3.1)  2.002498  5.666667
3    POINT (2 1)       6    POINT (2 1)  2.236068  5.666667
4  POINT (2 2.1)       5  POINT (2 2.1)  1.345362  4.666667
5  POINT (2 2.9)       4  POINT (2 2.9)  1.004988  4.333333
6  POINT (3 0.8)       3  POINT (3 0.8)  2.200000  4.333333
7    POINT (3 2)       2    POINT (3 2)  1.000000  3.000000
8    POINT (3 3)       1    POINT (3 3)       NaN  3.666667

你可以看到最后一次迭代的状态。

  • 除了在 NAN 留下的最终位置之外，所有距离都已计算。
  • 最后一次迭代的平均值是三个最近点的平均值：2、4和5，即3,666667。

如何以更具可扩展性的方式做到这一点？

  • 这些是相当多的计算和步骤，您还应该以数据框的形式添加预期的输出。
  • 添加了带有评论的输出。

我会为此使用空间索引。您可以使用 libpysal 的功能，它在底层使用 KDTree。对于 2000 个随机点，以下代码运行时间为 3.5 秒，而您的代码运行时间很长(第一分钟后我失去了耐心)。将值保存到列表，然后将列表转换为 DF 的列也可以节省一些时间。

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import pandas as pd
import numpy as np
from shapely.wkt import loads
import geopandas as gp
import libpysal

points=[
    'POINT (1 1.1)', 'POINT (1 1.9)', 'POINT (1 3.1)',
    'POINT (2 1)', 'POINT (2 2.1)', 'POINT (2 2.9)',
    'POINT (3 0.8)', 'POINT (3 2)', 'POINT (3 3)'
]
values=[9,8,7,6,5,4,3,2,1]

df=pd.DataFrame({'points':points,'values':values})
gdf=gp.GeoDataFrame(df,geometry=[loads(x) for x in df.points], crs={'init': 'epsg:' + str(25832)})

knn3 = libpysal.weights.KNN.from_dataframe(gdf, k=3)

means = []
for index, row in gdf.iterrows(): # Looping over all points
    knn_neighbors = knn3.neighbors[index]
    knnsubset = gdf.iloc[knn_neighbors]
    neighbors = []
    for ix, r in knnsubset.iterrows():
        if r.geometry.distance(row.geometry) < 3: # max distance here
            neighbors.append(ix)

    subset = gdf.iloc[list(neighbors)]
    means.append(np.mean(subset['values']))
gdf['mean'] = means

这是结果：

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          points  values       geometry      mean
0  POINT (1 1.1)       9  POINT (1 1.1)  6.333333
1  POINT (1 1.9)       8  POINT (1 1.9)  7.000000
2  POINT (1 3.1)       7  POINT (1 3.1)  5.666667
3    POINT (2 1)       6    POINT (2 1)  5.666667
4  POINT (2 2.1)       5  POINT (2 2.1)  4.666667
5  POINT (2 2.9)       4  POINT (2 2.9)  4.333333
6  POINT (3 0.8)       3  POINT (3 0.8)  4.333333
7    POINT (3 2)       2    POINT (3 2)  3.000000
8    POINT (3 3)       1    POINT (3 3)  3.666667

  • 谢谢@martinfleis。这似乎正是我所需要的。我暂时采用了一些类似于 for index,row in gdf.iterrows() 的方法：# 循环遍历所有点 df_tmp=gdf[gdf.geometry.within(row[\\'geometry\\'].buffer( 3))] df_tmp[\\'dist\\']=df_tmp.geometry.distance(row[\\'geometry\\']) 但这看起来肯定有好处。谢谢。
  • 您可以使用您的方法，但在这种情况下，我建议您对更多点使用空间索引，否则您仍然会相互检查每个点。无论如何，我仍然认为它会更慢。
  • 好的，现在我试了一下，它的速度确实提高了几个数量级。好的。不过，我收到一条警告消息："用户警告：权重矩阵未完全连接。有 159 个组件"。这意味着什么？
  • libpysal.weights.KNN 正在生成权重矩阵，即点之间的某种连接。你可以把它想象成一个网络。如果你不能从每个点沿着这个网络到达每个点，这意味着它没有完全连接。出于您的目的，它没有任何后果，您可以愉快地忽略它。
  • 行。我担心重合点可能会产生这个错误。再次感谢。

GeoDataframepythonspanclassnbspgeopandaspandasshapely

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