使用帶有 R 的 sf 包從直線、圓和弧制作多邊形

Question

所以我需要使用sf包用 R 制作一個多邊形，而我所擁有的只是一個相對簡單的數據框，我可以在其中看到構成線、弧的點（多邊形邊緣的某些部分是弧而不是直線） ，然后是圓圈（這些在多邊形內部並且是表面上的孔）。

多邊形邊是線或弧，它們應該相互連接，這樣我就不必使用st_convex_hull或類似的東西。 完整的圓在多邊形內部，最后將是多邊形中的孔。

我是使用sf的新手，但我已經想出了如何處理線條和圓圈，盡管可能有更好的方法。

我創建了包含 3 個元素的虛擬數據，每個元素一個，以及我如何構建不同的幾何圖形。 我實際上被弧線部分困住了。 我非常有信心這應該很容易，也許使用circularstring類型但不確定這是否是最好的方法。 顯然不會有這些虛擬數據的最終多邊形，但希望它能傳達這個想法。

這是虛擬數據和我的代碼。

library(tidyverse)
#> Warning: package 'tidyverse' was built under R version 4.0.3
library(sf)
#> Linking to GEOS 3.8.0, GDAL 3.0.4, PROJ 6.3.1

(sample <- data.frame(number = 1,
                     name = c("Arc", "Circle", "Line"),
                     area = c(0.46, 330, NA),
                     start_angle = c(134, NA, NA),
                     angle_total = c(17, NA, NA),
                     center_x = c(974, 377, NA),
                     center_y = c(7299, 7250, NA),
                     center_z = c(0, 0, NA),
                     length = c(4.27, NA, 15),
                     radius = c(14, 10.2, NA),
                     angle = c(NA, NA, 270),
                     delta_x = c(NA, NA, 0),
                     delta_y = c(NA, NA, -15),
                     delta_z = c(NA, NA, 0),
                     start_x = c(NA, NA, 18.2),
                     start_y = c(NA, NA, 7000),
                     start_z = c(NA, NA, 0),
                     end_x = c(NA, NA, 18.2),
                     end_y = c(NA, NA, 146),
                     end_z = c(NA, NA, 0)) %>% 
  as_tibble())
#> # A tibble: 3 x 20
#>   number name    area start_angle angle_total center_x center_y center_z length
#>    <dbl> <chr>  <dbl>       <dbl>       <dbl>    <dbl>    <dbl>    <dbl>  <dbl>
#> 1      1 Arc     0.46         134          17      974     7299        0   4.27
#> 2      1 Circ~ 330             NA          NA      377     7250        0  NA   
#> 3      1 Line   NA             NA          NA       NA       NA       NA  15   
#> # ... with 11 more variables: radius <dbl>, angle <dbl>, delta_x <dbl>,
#> #   delta_y <dbl>, delta_z <dbl>, start_x <dbl>, start_y <dbl>, start_z <dbl>,
#> #   end_x <dbl>, end_y <dbl>, end_z <dbl>

line_start <- sample %>% 
  filter(name == "Line") %>% 
  select(start_x, start_y) %>% 
  rename(X = start_x, Y = start_y) %>% 
  mutate(ID = 1:nrow(.))

line_end <- sample %>% 
  filter(name == "Line") %>% 
  select(end_x, end_y) %>% 
  rename(X = end_x, Y = end_y) %>% 
  mutate(ID = 1:nrow(.))

(lines <- line_start %>% 
  bind_rows(line_end) %>%
  st_as_sf(coords = c("X", "Y")) %>%
  group_by(ID) %>%
  summarise(do_union = FALSE) %>%
  st_cast("LINESTRING"))
#> `summarise()` ungrouping output (override with `.groups` argument)
#> Simple feature collection with 1 feature and 1 field
#> geometry type:  LINESTRING
#> dimension:      XY
#> bbox:           xmin: 18.2 ymin: 146 xmax: 18.2 ymax: 7000
#> CRS:            NA
#> # A tibble: 1 x 2
#>      ID              geometry
#>   <int>          <LINESTRING>
#> 1     1 (18.2 7000, 18.2 146)

# ggplot() +
#   geom_sf(data = lines) +
#   coord_sf(xlim = c(10, 20))

circle_centers <- sample %>% 
  filter(name == "Circle") %>% 
  select(center_x, center_y) %>% 
  rename(X = center_x, Y = center_y) %>% 
  mutate(ID = 1:nrow(.))

circle_radii <- sample %>% 
  filter(name == "Circle") %>% 
  select(radius) %>% 
  rename(R = radius) %>% 
  mutate(ID = 1:nrow(.))

(circle <- circle_centers %>% 
  st_as_sf(coords = c("X", "Y")) %>%
  st_buffer(circle_radii$R))
#> Simple feature collection with 1 feature and 1 field
#> geometry type:  POLYGON
#> dimension:      XY
#> bbox:           xmin: 366.8 ymin: 7239.8 xmax: 387.2 ymax: 7260.2
#> CRS:            NA
#> # A tibble: 1 x 2
#>      ID                                                                 geometry
#> * <int>                                                                <POLYGON>
#> 1     1 ((387.2 7250, 387.186 7249.466, 387.1441 7248.934, 387.0744 7248.404, 3~

# ggplot() +
#   geom_sf(data = circle)

# ggplot() +
#   geom_sf(data = rbind(lines, circle)) +
#   coord_sf(xlim = c(-500, 1000))

^{由reprex 包(v0.3.0) 創建於 2020-12-03}

唯一缺少的步驟是將所有這些幾何圖形組合起來，最終得到內部有孔的多邊形，但是一旦我擁有所有分離的幾何圖形，這應該很容易。

也可能有更好的方法來處理線條和圓圈部分。 同樣，我只是從sf開始，所以如果您知道的話，請隨時教我更有效的方法。

提前感謝您的幫助！

Answer 1

那么，讓我們從頭開始，以及如何從我擁有的示例數據（順便說一下，這是 autoCAD 導出數據）制作circularstring字符串。

arcs <- sample %>% 
    filter(name == "Arc") %>% 
    mutate(ID = 1:nrow(.)) %>% 
    mutate(X_1 = center_x + radius * cos(start_angle * pi / 180),
           Y_1 = center_y + radius * sin(start_angle * pi / 180),
           X_2 = center_x + radius * cos((angle_total + start_angle) * pi / 180),
           Y_2 = center_y + radius * sin((angle_total + start_angle) * pi / 180),
           X_3 = center_x + radius * cos((angle_total/2 + start_angle) * pi / 180),
           Y_3 = center_y + radius * sin((angle_total/2 + start_angle) * pi / 180))

這是通過弧的中心（黃色）、四肢（綠色和紅色）和弧上的中點（藍色）來完成大部分繁重的工作：

ggplot() +
  geom_point(aes(x = arcs$center_x, y = arcs$center_y), col = "yellow", alpha = 0.5) +
  geom_point(aes(x = arcs$X_1, y = arcs$Y_1), col = "red", alpha = 0.5) +
  geom_point(aes(x = arcs$X_2, y = arcs$Y_2), col = "green", alpha = 0.5) +
  geom_point(aes(x = arcs$X_3, y = arcs$Y_3), col = "blue", alpha = 0.5)

從那里開始構建你的circularstring是一個很好的策略：

arcs_sf <- arcs %>% 
  mutate(CIRCULARSTRING = paste0("CIRCULARSTRING(", X_1, " ", Y_1, ", ", X_3, " ", Y_3, ", ", X_2, " ", Y_2, ")")) %>% 
  pull(CIRCULARSTRING) %>% 
  as.list() %>% 
  st_as_sfc() %>% 
  st_cast("LINESTRING") %>% 
  st_as_sf()

計划檢查一切是否完好：

ggplot() +
  geom_point(aes(x = arcs$center_x, y = arcs$center_y), col = "yellow", alpha = 0.5) +
  geom_point(aes(x = arcs$X_1, y = arcs$Y_1), col = "red", alpha = 0.5) +
  geom_point(aes(x = arcs$X_2, y = arcs$Y_2), col = "green", alpha = 0.5) +
  geom_point(aes(x = arcs$X_3, y = arcs$Y_3), col = "blue", alpha = 0.5) +
    geom_sf(data = arcs_sf)

現在棘手的部分是最終得到一個多邊形，因為通常情況下，例如應該與一條線連接的弧形末端，這兩個應該處於完全相同坐標的點（末端）實際上不是。 所以形狀不接近， st_polygon不能做任何事情。 由於多邊形是由弧線和線構成的（圓圈是此形狀內的孔），您可以使用st_segmentize()沿線添加點，然后使用concaveman::concaveman(concavity = 0.1) ，其中concavity是您的猜測倒是自己找出來用。 我不記得所有的細節，但concaveman()只考慮點來構造多邊形，而不是線或弧，因此需要在調用它之前添加點。

希望這能說明一些問題並且對某人有用。