como sobrepor um polígono sobre SpatialPointsDataFrame e preservar os dados SPDF?


17

Eu tenho um SpatialPointsDataFramecom alguns dados adicionais. Gostaria de extrair esses pontos dentro de um polígono e, ao mesmo tempo, preservar o SPDFobjeto e seus dados correspondentes.

Até agora, tive pouca sorte e recorri à correspondência e à fusão por meio de um ID comum, mas isso só funciona porque eu agrupei os dados com o IDS individual.

Aqui está um exemplo rápido: estou procurando pontos dentro do quadrado vermelho.

library(sp)
set.seed(357)
pts <- data.frame(x = rnorm(100), y = rnorm(100), var1 = runif(100), var2 = sample(letters, 100, replace = TRUE))
coordinates(pts) <- ~ x + y
class(pts)
plot(pts)
axis(1); axis(2)

ply <- matrix(c(-1,-1, 1,-1, 1,1, -1,1, -1,-1), ncol = 2, byrow = TRUE)
ply <- SpatialPolygons(list(Polygons(list(Polygon(ply)), ID = 1)))
ply <- SpatialPolygonsDataFrame(Sr = ply, data = data.frame(polyvar = 357))
plot(ply, add = TRUE, border = "red")

A abordagem mais óbvia seria usar over, mas isso retorna os dados do polígono.

> over(pts, ply)
    polyvar
1        NA
2       357
3       357
4        NA
5       357
6       357

1
Obrigado por fornecer um exemplo reproduzível. Sempre ajuda ao tentar entender um problema!
fdetsch 18/06/2013

Respostas:


21

Da sp::overajuda:

 x = "SpatialPoints", y = "SpatialPolygons" returns a numeric
      vector of length equal to the number of points; the number is
      the index (number) of the polygon of ‘y’ in which a point
      falls; NA denotes the point does not fall in a polygon; if a
      point falls in multiple polygons, the last polygon is
      recorded.

Portanto, se você converter seu SpatialPolygonsDataFramepara SpatialPolygonsvocê, receberá de volta um vetor de índices e poderá definir seus pontos em NA:

> over(pts,as(ply,"SpatialPolygons"))
  [1] NA  1  1 NA  1  1 NA NA  1  1  1 NA NA  1  1  1  1  1 NA NA NA  1 NA  1 NA
 [26]  1  1  1 NA NA NA NA NA  1  1 NA NA NA  1  1  1 NA  1  1  1 NA NA NA  1  1
 [51]  1 NA NA NA  1 NA  1 NA  1 NA NA  1 NA  1  1 NA  1  1 NA  1 NA  1  1  1  1
 [76]  1  1  1  1  1 NA NA NA  1 NA  1 NA NA NA NA  1  1 NA  1 NA NA  1  1  1 NA

> nrow(pts)
[1] 100
> pts = pts[!is.na(over(pts,as(ply,"SpatialPolygons"))),]
> nrow(pts)
[1] 54
> head(pts@data)
         var1 var2
2  0.04001092    v
3  0.58108350    v
5  0.85682609    q
6  0.13683264    y
9  0.13968804    m
10 0.97144627    o
> 

Para os que duvidam, aqui estão as evidências de que a sobrecarga da conversão não é um problema:

Duas funções - primeiro o método de Jeffrey Evans, depois meu original, depois minha conversão hackeada, depois uma versão baseada na gIntersectsresposta de Josh O'Brien:

evans <- function(pts,ply){
  prid <- over(pts,ply)
  ptid <- na.omit(prid) 
  pt.poly <- pts[as.numeric(as.character(row.names(ptid))),]
  return(pt.poly)
}

rowlings <- function(pts,ply){
  return(pts[!is.na(over(pts,as(ply,"SpatialPolygons"))),])
}

rowlings2 <- function(pts,ply){
  class(ply) <- "SpatialPolygons"
  return(pts[!is.na(over(pts,ply)),])
}

obrien <- function(pts,ply){
pts[apply(gIntersects(columbus,pts,byid=TRUE),1,sum)==1,]
}

Agora, para um exemplo do mundo real, eu espalhei alguns pontos aleatórios pelo columbusconjunto de dados:

require(spdep)
example(columbus)
pts=data.frame(
    x=runif(100,5,12),
    y=runif(100,10,15),
    z=sample(letters,100,TRUE))
coordinates(pts)=~x+y

Parece bom

plot(columbus)
points(pts)

Verifique se as funções estão fazendo a mesma coisa:

> identical(evans(pts,columbus),rowlings(pts,columbus))
[1] TRUE

E execute 500 vezes para fazer comparações:

> system.time({for(i in 1:500){evans(pts,columbus)}})
   user  system elapsed 
  7.661   0.600   8.474 
> system.time({for(i in 1:500){rowlings(pts,columbus)}})
   user  system elapsed 
  6.528   0.284   6.933 
> system.time({for(i in 1:500){rowlings2(pts,columbus)}})
   user  system elapsed 
  5.952   0.600   7.222 
> system.time({for(i in 1:500){obrien(pts,columbus)}})
  user  system elapsed 
  4.752   0.004   4.781 

De acordo com minha intuição, não é uma sobrecarga muito grande; na verdade, pode ser uma sobrecarga menor do que converter todos os índices de linha em caracteres e vice-versa ou executar na.omit para obter valores ausentes. Que, aliás, leva a outro modo de falha da evansfunção ...

Se uma linha do quadro de dados de polígonos for toda NA(o que é perfeitamente válido), a sobreposição SpatialPolygonsDataFramede pontos nesse polígono produzirá um quadro de dados de saída com todos os NAs, que evans()serão eliminados:

> columbus@data[1,]=rep(NA,20)
> columbus@data[5,]=rep(NA,20)
> columbus@data[17,]=rep(NA,20)
> columbus@data[15,]=rep(NA,20)
> set.seed(123)
> pts=data.frame(x=runif(100,5,12),y=runif(100,10,15),z=sample(letters,100,TRUE))
> coordinates(pts)=~x+y
> identical(evans(pts,columbus),rowlings(pts,columbus))
[1] FALSE
> dim(evans(pts,columbus))
[1] 27  1
> dim(rowlings(pts,columbus))
[1] 28  1
> 

MAS gIntersectsé mais rápido, mesmo com a varredura da matriz para verificar as interseções no código R e não no código C. Suspeito que sejam as prepared geometryhabilidades do GEOS, criando índices espaciais - sim, com prepared=FALSEisso demora um pouco mais, cerca de 5,5 segundos.

Estou surpreso que não haja uma função para retornar diretamente os índices ou os pontos. Quando escrevi splancshá 20 anos, as funções point-in-polygon tinham ambas ...


Ótimo, isso também funciona para vários polígonos (adicionei um exemplo para brincar na resposta de Josué).
Roman Luštrik

Com grandes conjuntos de dados de polígonos, a coerção em um objeto SpatialPolygons é um monte de sobrecarga e não é necessária. A aplicação de "over" a um SpatialPolygonsDataFrame retorna o índice de linha que pode ser usado para subconjunto dos pontos. Veja meu exemplo abaixo.
Jeffrey Evans

Um monte de sobrecarga? É basicamente pegar o slot @polygons do objeto SpatialPolygonsDataFrame. Você pode até 'fingir' reatribuindo a classe de um SpatialPolygonsDataFrame para ser "SpatialPolygons" (embora seja hacky e não recomendado). Qualquer coisa que usará a geometria terá que obter esse espaço em algum momento, de modo que, relativamente falando, não há sobrecarga. É insignificante de qualquer maneira em qualquer aplicativo do mundo real onde você fará testes de polígonos de ponto.
Spacedman

Há mais do que considerações de velocidade na contabilização de custos indiretos. Ao criar um novo objeto no espaço para nome R, você está usando a RAM necessária. Onde isso não é um problema em um pequeno conjunto de dados, ele afetará o desempenho com dados grandes. R exibe um desempenho linear morrer. À medida que os dados aumentam, o desempenho é prejudicado. Se você não precisa criar um objeto adicional, por que precisaria?
Jeffrey Evans

1
Nós não sabíamos disso até que eu testei agora.
Spacedman

13

sp fornece um formato mais curto para selecionar recursos com base na interseção espacial, seguindo o exemplo do OP:

pts[ply,]

a partir de:

points(pts[ply,], col = 'red')

Nos bastidores, é a abreviação de

pts[!is.na(over(pts, geometry(ply))),]

O que deve ser observado é que existe um geometrymétodo que descarta atributos: overaltera o comportamento se o segundo argumento tiver atributos ou não (essa foi a confusão do OP). Isso funciona em todas as classes Spatial * sp, embora alguns overmétodos exijam rgeos, consulte esta vinheta para obter detalhes, por exemplo, o caso de várias correspondências para polígonos sobrepostos.


Bom saber! Eu não estava ciente do método de geometria.
21415 Jeffrey Evans

2
Bem-vindo ao nosso site, Edzer - é bom vê-lo aqui!
whuber

1
Obrigado, Bill - está ficando mais tranquilo no stat.ethz.ch/pipermail/r-sig-geo , ou talvez devamos desenvolver software que cause mais problemas! ;-)
Edzer Pebesma

6

Você estava no caminho certo com mais de. Os nomes de nomes de objeto do objeto retornado correspondem ao índice de linhas dos pontos. Você pode implementar sua abordagem exata com apenas algumas linhas de código adicionais.

library(sp)
set.seed(357)

pts <- data.frame(x=rnorm(100), y=rnorm(100), var1=runif(100), 
                  var2=sample(letters, 100, replace=TRUE))
  coordinates(pts) <- ~ x + y

ply <- matrix(c(-1,-1, 1,-1, 1,1, -1,1, -1,-1), ncol=2, byrow=TRUE)
  ply <- SpatialPolygons(list(Polygons(list(Polygon(ply)), ID=1)))
    ply <- SpatialPolygonsDataFrame(Sr=ply, data=data.frame(polyvar=357))

# Subset points intersecting polygon
prid <- over(pts,ply)
  ptid <- na.omit(prid) 
    pt.poly <- pts[as.numeric(as.character(row.names(ptid))),]  

plot(pts)
  axis(1); axis(2)
    plot(ply, add=TRUE, border="red")
      plot(pt.poly,pch=19,add=TRUE) 

Errado - os nomes de propriedade do objeto retornado correspondem ao índice de linha in_this_case - em geral, os nomes de linha parecem ser os nomes de linha dos pontos - que podem até não ser numéricos. Você pode modificar sua solução para fazer uma correspondência de caracteres, o que pode torná-la um pouco mais robusta.
Spacedman

@ Sapcedman, não seja tão dogmático. A solução não está incorreta. Se você deseja subconjunto de pontos para um conjunto de polígonos ou atribuir valores de polígono a pontos, a função over funciona sem coerção. Existem várias para executar a faixa de pedestres depois que você tiver o objeto sobre resultante. Sua solução de coagir a um objeto SpatialPolygon cria uma sobrecarga necessária considerável porque essa operação pode ser executada diretamente no objeto SpatialPolygonDataFrame. A propósito, antes de editar uma postagem, verifique se você está certo. A biblioteca prazo e pacote são usados alternadamente na R.
Jeffrey Evans

Adicionei alguns benchmarks à minha postagem e identifiquei outro problema com sua função. Também "pacotes são coleções de funções R, dados e código compilado em um formato bem definido O diretório onde os pacotes são armazenados é chamado a biblioteca."
Spacedman

Enquanto você está tecnicamente correto em relação a "pacote" vs. "biblioteca", está argumentando semântica. Acabei de receber uma solicitação do editor de Modelagem Ecológica para alterar o uso de "pacote" (que é realmente minha preferência) para "biblioteca". O que quero dizer é que eles estão se tornando termos intercambiáveis ​​e uma questão de preferência.
Jeffrey Evans

1
"tecnicamente correto", como observou o Dr. Sheldon Cooper, "é o melhor tipo de correção". Esse editor está tecnicamente errado, o que é o pior tipo de erro.
Spacedman

4

É isso que você procura?

Uma observação, na edição: a chamada de empacotamento para apply()é necessária para fazer isso funcionar com SpatialPolygonsobjetos arbitrários , possivelmente contendo mais de um recurso de polígono. Agradeço ao @Spacedman por me incentivar a demonstrar como aplicar isso ao caso mais geral.

library(rgeos)
pp <- pts[apply(gIntersects(pts, ply, byid=TRUE), 2, any),]


## Confirm that it works
pp[1:5,]
#              coordinates       var1 var2
# 2 (-0.583205, -0.877737) 0.04001092    v
# 3   (0.394747, 0.702048) 0.58108350    v
# 5    (0.7668, -0.946504) 0.85682609    q
# 6    (0.31746, 0.641628) 0.13683264    y
# 9   (-0.469015, 0.44135) 0.13968804    m

plot(pts)
plot(ply, border="red", add=TRUE)
plot(pp, col="red", add=TRUE)

Falha horrivelmente se plytiver mais de um recurso, porque gIntersectsretorna uma matriz com uma linha para cada recurso. Você provavelmente pode varrer as linhas por um valor TRUE.
Spacedman

@Spacedman - Bingo. Precisa fazer apply(gIntersects(pts, ply, byid=TRUE), 2, any). De fato, vou adiante e mudarei a resposta para isso, já que também abrange o caso de um único polígono.
Josh O'Brien

Ah any. Isso pode ser marginalmente mais rápido que a versão que eu acabei de comparar.
Spacedman

@ Spacedman - Dos meus testes rápidos, parece obriene rowlings2corre pescoço e pescoço, com obrien talvez 2% mais rápido.
Josh O'Brien

@ JoshO'Brien, como se pode usar essa resposta em muitos polígonos? Ou seja, ppdeve ter um IDque indica em qual polígono os pontos estão localizados.
código é o seguinte

4

Aqui está uma abordagem possível usando o rgeospacote. Basicamente, utiliza a gIntersectionfunção que permite interceptar dois spobjetos. Ao extrair os IDs desses pontos que estão dentro do polígono, você poderá subconfigurar o original SpatialPointsDataFrame, mantendo todos os dados correspondentes. O código é quase auto-explicativo, mas se houver alguma dúvida, não hesite em perguntar!

# Required package
library(rgeos)

# Intersect polygons and points, keeping point IDs
pts.intersect <- gIntersection(ply, pts, byid = TRUE)

# Extract point IDs from intersected data
pts.intersect.strsplit <- strsplit(dimnames(pts.intersect@coords)[[1]], " ")
pts.intersect.id <- as.numeric(sapply(pts.intersect.strsplit, "[[", 2))

# Subset original SpatialPointsDataFrame by extracted point IDs
pts.extract <- pts[pts.intersect.id, ]

head(coordinates(pts.extract))
              x          y
[1,] -0.5832050 -0.8777367
[2,]  0.3947471  0.7020481
[3,]  0.7667997 -0.9465043
[4,]  0.3174604  0.6416281
[5,] -0.4690151  0.4413502
[6,]  0.4765213  0.6068021

head(pts.extract)
         var1 var2
2  0.04001092    v
3  0.58108350    v
5  0.85682609    q
6  0.13683264    y
9  0.13968804    m
10 0.97144627    o

1
Deveria tmpser pts.intersect? Além disso, a análise dos dimnames retornados dessa maneira depende do comportamento não documentado.
Spacedman

@ Spacedman, você está certo tmp, esqueceu de removê-lo ao terminar o código. Além disso, você está certo em analisar o arquivo dimnames. Esta era uma espécie de uma solução rápida para fornecer a pergunta com uma resposta rápida, e há certamente são melhores (e mais universal) se aproxima, por exemplo, o seu :-)
fdetsch

1

Existe uma solução extremamente simples usando a spatialEcobiblioteca.

library(spatialEco)

# intersect points in polygon
  pts <- point.in.poly(pts, ply)

# check plot
  plot(ply)
  plot(a, add=T)

# convert to data frame, keeping your data
  pts<- as.data.frame(pts)

Veja o resultado:

pts

>             x          y       var1 var2 polyvar
> 2  -0.5832050 -0.8777367 0.04001092    v     357
> 3   0.3947471  0.7020481 0.58108350    v     357
> 5   0.7667997 -0.9465043 0.85682609    q     357
> 6   0.3174604  0.6416281 0.13683264    y     357
> 9  -0.4690151  0.4413502 0.13968804    m     357
> 10  0.4765213  0.6068021 0.97144627    o     357
Ao utilizar nosso site, você reconhece que leu e compreendeu nossa Política de Cookies e nossa Política de Privacidade.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.