6  空间数据挖掘

6.1 sp包

第一个在R中引入空间数据类型的包为sp。 空间数据初始结构是空间类别。存在两个”slots” (R中的新格式S4对象有预先定义的成分称为slots)

  • a bounding box
  • a CRS class object to define the Coordinate Reference System

创建一个几何对象的步骤：首先对于所创建几何对象，其类别可划分为： - 点(Point)：是最基础的空间对象，是通过单个坐标所生成； - 线(Line)：是由Line所生成的对象，实际上，线是由一系列的点所组成的元素； - 多边形(polygons)：是由Polygons所生成的对象，是起始坐标与终点坐标相同的多条线构成的元素。

之后对一个空间对象来考虑：也就是在空间中生成基本的几何对象。实际上在这一步需要通过添加边界框(自动)和坐标参考系或CRS的插槽(需要手动填充值)。 SpatialPoints可直接通过坐标点来实现，SpatialLines和SpatialPolygons可分别通过Line和Polygons生成。

最后将空间上的数据点添加属性，此时的空间坐标数据会由列表转换为空间数据框。从数据框的属性来看，SpatialPoints是作为SpatialDataFrame 的属性名（行名）与其相联系一起。

比如我们想要生成一个多条高速公路的数据，首先创建Line数据对象来包装高速公路数据。其中的x和y用来表示Points来构建坐标点。（在这里用随机数生成xy）

library(sp)
ln1 <- Line(matrix(runif(6), ncol=2))
str(ln1)
Formal class 'Line' [package "sp"] with 1 slot
  ..@ coords: num [1:3, 1:2] 0.9818 0.1443 0.5396 0.0636 0.4016 ...
Note

@coords其中是用于保存坐标。

ln2 <- Line(matrix(runif(6), ncol=2))

lns1 <- Lines(list(ln1), ID = c("hwy1")) 
lns2 <- Lines(list(ln2), ID = c("hwy2")) 
str(lns1)
Formal class 'Lines' [package "sp"] with 2 slots
  ..@ Lines:List of 1
  .. ..$ :Formal class 'Line' [package "sp"] with 1 slot
  .. .. .. ..@ coords: num [1:3, 1:2] 0.9818 0.1443 0.5396 0.0636 0.4016 ...
  ..@ ID   : chr "hwy1"
sp_lns <- SpatialLines(list(lns1, lns2))
str(sp_lns)
Formal class 'SpatialLines' [package "sp"] with 3 slots
  ..@ lines      :List of 2
  .. ..$ :Formal class 'Lines' [package "sp"] with 2 slots
  .. .. .. ..@ Lines:List of 1
  .. .. .. .. ..$ :Formal class 'Line' [package "sp"] with 1 slot
  .. .. .. .. .. .. ..@ coords: num [1:3, 1:2] 0.9818 0.1443 0.5396 0.0636 0.4016 ...
  .. .. .. ..@ ID   : chr "hwy1"
  .. ..$ :Formal class 'Lines' [package "sp"] with 2 slots
  .. .. .. ..@ Lines:List of 1
  .. .. .. .. ..$ :Formal class 'Line' [package "sp"] with 1 slot
  .. .. .. .. .. .. ..@ coords: num [1:3, 1:2] 0.99 0.873 0.396 0.697 0.55 ...
  .. .. .. ..@ ID   : chr "hwy2"
  ..@ bbox       : num [1:2, 1:2] 0.1443 0.0636 0.9905 0.6968
  .. ..- attr(*, "dimnames")=List of 2
  .. .. ..$ : chr [1:2] "x" "y"
  .. .. ..$ : chr [1:2] "min" "max"
  ..@ proj4string:Formal class 'CRS' [package "sp"] with 1 slot
  .. .. ..@ projargs: chr NA
dfr <- data.frame(id = c("hwy1", "hwy2"), # note how we use the same IDs from above!
                  cars_per_hour = c(78, 22)) 
sp_lns_dfr <- SpatialLinesDataFrame(sp_lns, dfr, match.ID = "id")
str(sp_lns_dfr)
Formal class 'SpatialLinesDataFrame' [package "sp"] with 4 slots
  ..@ data       :'data.frame': 2 obs. of  2 variables:
  .. ..$ id           : chr [1:2] "hwy1" "hwy2"
  .. ..$ cars_per_hour: num [1:2] 78 22
  ..@ lines      :List of 2
  .. ..$ :Formal class 'Lines' [package "sp"] with 2 slots
  .. .. .. ..@ Lines:List of 1
  .. .. .. .. ..$ :Formal class 'Line' [package "sp"] with 1 slot
  .. .. .. .. .. .. ..@ coords: num [1:3, 1:2] 0.9818 0.1443 0.5396 0.0636 0.4016 ...
  .. .. .. ..@ ID   : chr "hwy1"
  .. ..$ :Formal class 'Lines' [package "sp"] with 2 slots
  .. .. .. ..@ Lines:List of 1
  .. .. .. .. ..$ :Formal class 'Line' [package "sp"] with 1 slot
  .. .. .. .. .. .. ..@ coords: num [1:3, 1:2] 0.99 0.873 0.396 0.697 0.55 ...
  .. .. .. ..@ ID   : chr "hwy2"
  ..@ bbox       : num [1:2, 1:2] 0.1443 0.0636 0.9905 0.6968
  .. ..- attr(*, "dimnames")=List of 2
  .. .. ..$ : chr [1:2] "x" "y"
  .. .. ..$ : chr [1:2] "min" "max"
  ..@ proj4string:Formal class 'CRS' [package "sp"] with 1 slot
  .. .. ..@ projargs: chr NA

6.2 sf包

sf空间对象被存储在简单数据框，该数据框的特殊列包含了几何坐标信息。 同时列的行数和数据框的行维度相同。

library(sf)
Linking to GEOS 3.10.2, GDAL 3.4.2, PROJ 8.2.1; sf_use_s2() is TRUE
lnstr_sfg1 <- st_linestring(matrix(runif(6), ncol=2)) 
lnstr_sfg2 <- st_linestring(matrix(runif(6), ncol=2)) 
class(lnstr_sfg1)
[1] "XY"         "LINESTRING" "sfg"

之后再组合成简单特征集合：

(lnstr_sfc <- st_sfc(lnstr_sfg1, lnstr_sfg2)) # just one feature here
Geometry set for 2 features 
Geometry type: LINESTRING
Dimension:     XY
Bounding box:  xmin: 0.04717682 ymin: 0.1237561 xmax: 0.9555352 ymax: 0.3792805
CRS:           NA
LINESTRING (0.04717682 0.1293945, 0.5407734 0.3...
LINESTRING (0.8111804 0.3792805, 0.4844811 0.24...

最后再用上述的特征集合生成sf对象：

(lnstr_sf <- st_sf(dfr , lnstr_sfc))
Simple feature collection with 2 features and 2 fields
Geometry type: LINESTRING
Dimension:     XY
Bounding box:  xmin: 0.04717682 ymin: 0.1237561 xmax: 0.9555352 ymax: 0.3792805
CRS:           NA
    id cars_per_hour                      lnstr_sfc
1 hwy1            78 LINESTRING (0.04717682 0.12...
2 hwy2            22 LINESTRING (0.8111804 0.379...