GIS Geometry是什么

Geometry（几何）是GIS中用于描述地理对象空间位置和形状的数据。

简单来说：

Geometry告诉GIS对象在哪里，以及它是什么形状。

例如：

一个城市可以用Polygon表示
一条道路可以用LineString表示
一个商店可以用Point表示

Geometry是GIS矢量数据最核心的组成部分之一。

Geometry包含什么

一个Geometry通常由：

Geometry
├── 类型
│   ├── Point
│   ├── LineString
│   └── Polygon
│
└── 坐标
    ├── X
    ├── Y
    └── Z（可选）

例如：

Point
    ↓
[116.397, 39.908]

表示一个点的位置。

Geometry与Feature的区别

Geometry主要描述空间信息，而Feature通常包含Geometry以及属性信息。

例如：

Geometry
    Point
    [116.397, 39.908]

只表示：

某个位置上的一个点。

如果增加属性：

name = 北京
type = 城市

就可以组成一个Feature。

因此：

Geometry
    ↓
空间位置 + 空间形状

Feature
    ↓
Geometry + Attributes

Point

Point是最基本的Geometry类型。

它使用一个坐标表示一个位置。

例如：

POINT (116.397 39.908)

Point常用于：

POI
学校
医院
商店
摄像头
充电桩
GPS定位点

一个Point通常可以表示：

X = 116.397
Y = 39.908

如果使用三维坐标，还可以增加Z：

X = 116.397
Y = 39.908
Z = 50

其中Z通常可以表示高程。

MultiPoint

MultiPoint用于表示多个相互独立的点。

例如：

MULTIPOINT (
  (116.397 39.908),
  (116.405 39.915),
  (116.412 39.920)
)

可以用于表示：

多个采样点
多个监测点
一组设施位置
多个空间事件

与多个独立Point相比，MultiPoint可以将多个点作为一个Geometry进行管理。

LineString

LineString由多个有顺序的坐标点连接形成。

例如：

LINESTRING (
  116.397 39.908,
  116.405 39.915,
  116.412 39.920
)

可以表示：

道路
河流
铁路
管线
GPS轨迹

它的基本结构是：

Point
  ↓
Point
  ↓
Point
  ↓
Point

多个坐标点按照顺序连接，就形成一条LineString。

MultiLineString

MultiLineString用于表示多个线组成的Geometry。

例如：

MULTILINESTRING (
  (
    116.397 39.908,
    116.405 39.915
  ),
  (
    116.420 39.920,
    116.430 39.925
  )
)

可以用于表示：

多段道路
多段河流
铁路网络
多段管线

需要注意，MultiLineString中的每条线可以是独立的。

Polygon

Polygon用于表示一个封闭区域。

例如：

POLYGON ((
  116.390 39.900,
  116.400 39.900,
  116.400 39.910,
  116.390 39.910,
  116.390 39.900
))

Polygon常用于：

行政区
建筑物
地块
公园
湖泊
土地利用区域

Polygon的核心特点是：

起点
 ↓
多个坐标点
 ↓
回到起点
 ↓
形成闭合环

因此Polygon与LineString最大的区别之一就是：

Polygon用于表达区域，而LineString主要用于表达线状对象。

Polygon的内部环

Polygon除了可以表示外部边界，还可以存在内部环。

例如一个湖中有一个岛：

Polygon
├── 外部环
│
└── 内部环
    └── 岛屿

也可以理解为：

外部边界
    ↓
一个区域

内部边界
    ↓
区域中的空洞

这使Polygon能够表示更加复杂的空间区域。

MultiPolygon

MultiPolygon用于表示多个Polygon组成的Geometry。

例如：

MULTIPOLYGON (
  (
    (...),
    (...)
  ),
  (
    (...)
  )
)

常用于：

多个不连续的行政区域
群岛
多个地块
一个对象包含多个独立区域

例如一个行政区域可能由多个互不相连的岛屿组成，这时就可以使用MultiPolygon。

Geometry的坐标

Geometry的核心数据之一就是坐标。

二维坐标通常包含：

X
Y

例如：

[116.397, 39.908]

在经纬度数据中通常可以理解为：

X = 经度
Y = 纬度

但具体坐标含义取决于使用的坐标参考系统。

Geometry的Z坐标

Geometry不仅可以表示二维空间，也可以扩展到三维。

二维：

X Y

三维：

X Y Z

例如：

POINT Z (116.397 39.908 45)

其中：

X = 116.397
Y = 39.908
Z = 45

Z可以用于表示：

高程
建筑高度
地形高度
三维模型高度

Geometry的M值

部分GIS数据还支持M（Measure）值。

可以表示：

里程
时间
距离
轨迹测量值

例如：

X Y Z M

因此Geometry可以扩展为：

2D
X Y

3D
X Y Z

带测量值
X Y Z M

Geometry与坐标系

Geometry中的坐标数字本身并不能完整说明地理位置。

例如：

116.397
39.908

还需要知道这些坐标属于什么坐标参考系统。

常见坐标系包括：

EPSG:4326

以及：

EPSG:3857

因此可以理解为：

Geometry
    ↓
Coordinates
    ↓
CRS
    ↓
确定真实空间位置

如果坐标系使用错误，Geometry可能会在地图上出现在错误的位置。

Geometry与WKT

WKT（Well-Known Text）是一种常见的Geometry文本表示方式。

例如Point：

POINT (116.397 39.908)

LineString：

LINESTRING (
  116.397 39.908,
  116.405 39.915
)

Polygon：

POLYGON ((
  116.390 39.900,
  116.400 39.900,
  116.400 39.910,
  116.390 39.900,
  116.390 39.900
))

因此：

WKT
 ↓
Geometry的文本表示

WKT非常适合用于：

Geometry调试
空间数据交换
数据库查询
GIS开发
测试空间数据

Geometry与GeoJSON

GeoJSON也可以表达Geometry。

例如：

{
  "type": "Point",
  "coordinates": [116.397, 39.908]
}

LineString：

{
  "type": "LineString",
  "coordinates": [
    [116.397, 39.908],
    [116.405, 39.915]
  ]
}

Polygon：

{
  "type": "Polygon",
  "coordinates": [
    [
      [116.390, 39.900],
      [116.400, 39.900],
      [116.400, 39.910],
      [116.390, 39.900],
      [116.390, 39.900]
    ]
  ]
}

GeoJSON通常将Geometry放在Feature中：

Feature
├── geometry
│   └── Geometry
│
└── properties
    └── Attributes

Geometry与矢量数据

Geometry是矢量数据的空间基础。

可以理解为：

Vector Data
    ↓
Feature
    ↓
Geometry
    ↓
Coordinates

例如道路矢量数据：

Road Layer
├── Feature
│   └── LineString
│
├── Feature
│   └── LineString
│
└── Feature
    └── LineString

每个Feature都有自己的Geometry。

Geometry可以进行空间计算

Geometry不仅用于显示，还可以参与空间分析。

例如：

计算距离

Point A
    ↓
Distance
    ↓
Point B

计算长度

LineString
    ↓
Length
    ↓
道路长度

计算面积

Polygon
    ↓
Area
    ↓
地块面积

创建缓冲区

Geometry
    ↓
Buffer
    ↓
新的Polygon

判断空间关系

可以判断两个Geometry是否：

相交
包含
重叠
相邻
相离
相交于边界

这些都是GIS空间分析的重要基础。

Geometry有效性

Geometry并不是只要有坐标就一定有效。

例如Polygon可能出现：

自相交
重复节点
未闭合
错误的环方向
无效坐标

例如：

Polygon
    ↓
边界发生自相交
    ↓
Invalid Geometry

无效Geometry可能导致：

面积计算错误
空间查询失败
Buffer失败
相交分析异常
数据导入失败

因此GIS数据处理中，经常需要进行Geometry有效性检查和修复。

常见Geometry类型总结

Geometry	含义	常见对象
Point	点	POI、摄像头
MultiPoint	多个点	采样点
LineString	线	道路、河流
MultiLineString	多条线	河流网络
Polygon	面	地块、行政区
MultiPolygon	多个面	群岛、多个区域

Geometry的核心关系

可以用下面的结构理解GIS Geometry：

Coordinates
    ↓
Geometry
    ↓
Feature
    ↓
Layer
    ↓
Map

其中：

Coordinates
    ↓
描述坐标

Geometry
    ↓
描述空间形状

Feature
    ↓
Geometry + Attributes

Layer
    ↓
多个Feature

Map
    ↓
多个Layer

总结

Geometry是GIS中描述空间位置和空间形状的核心数据结构。

最常见的Geometry包括：

Point
LineString
Polygon
MultiPoint
MultiLineString
MultiPolygon

可以记住：

Coordinates描述坐标，Geometry描述空间形状，Feature将Geometry与属性信息结合起来，而Layer则负责组织大量Feature。

理解Geometry之后，就可以进一步学习Feature、Vector、WKT、WKB、GeoJSON以及GIS空间分析等核心知识。

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