使用isoband包将等值线和等值带转换为简单要素(SF)格式

概述

在空间数据分析和可视化领域，等值线和等值带是常用的技术手段。r-lib/isoband包提供了强大的功能来生成这些等值线/带，并可以将它们转换为简单要素(Simple Features, SF)格式，以便与sf包生态系统无缝集成。

基本转换方法

isoband包中的iso_to_sfg()函数是将等值线/带转换为SF格式的核心工具。转换后的对象可以进一步使用sf包中的函数进行处理，例如添加到sf数据框中，并使用ggplot2进行可视化。

library(isoband)
library(ggplot2)
library(sf)

# 使用火山数据集
m <- volcano

# 生成等值带
b <- isobands((1:ncol(m))/(ncol(m)+1), (nrow(m):1)/(nrow(m)+1), m, 10*(9:19), 10*(10:20))
bands <- iso_to_sfg(b)
data_bands <- st_sf(
  level = 1:length(bands),
  geometry = st_sfc(bands)
)

# 生成等值线
l <- isolines((1:ncol(m))/(ncol(m)+1), (nrow(m):1)/(nrow(m)+1), m, 10*(10:19))
lines <- iso_to_sfg(l)
data_lines <- st_sf(
  level = 2:(length(lines)+1),
  geometry = st_sfc(lines)
)

# 使用geom_sf()绘图
ggplot() +
  geom_sf(data = data_bands, aes(fill = level), color = NA, alpha = 0.7) +
  geom_sf(data = data_lines, color = "black") +
  scale_fill_viridis_c(guide = "none") +
  coord_sf(expand = FALSE)

图像处理应用

isoband包不仅可以处理数值矩阵，还可以应用于图像处理。我们可以将照片转换为多边形集合，并使用伪彩色进行可视化。

library(magick)

# 图像转等值带的辅助函数
sf_from_image <- function(image) {
  image_gray <- image %>% image_quantize(colorspace = "gray")
  image_raster <- as.raster(image_gray)
  d <- dim(image_raster)
  m <- matrix(c((255-col2rgb(image_raster)[1,])), nrow = d[1], ncol = d[2], byrow = TRUE)
  b <- isobands(1:d[2], d[1]:1, m, 20*(0:13), 20*(1:14))
  bands <- iso_to_sfg(b)
  data <- st_sf(
    level = letters[1:length(bands)],
    geometry = st_sfc(bands)
  )
}

# 加载并处理图像
img <- image_resize(image_read("path/to/image.jpg"), "200x200")
img_sf <- sf_from_image(img)

# 绘制轮廓图
ggplot(img_sf) + 
  geom_sf(color = "blue", fill = NA, size = 0.05) + 
  coord_sf(expand = FALSE)

# 绘制彩色填充图
ggplot(img_sf) + 
  geom_sf(aes(fill = level, color = level)) + 
  coord_sf(expand = FALSE) +
  scale_fill_viridis_d(aesthetics = c("color", "fill"), option = "B", guide = "none", direction = -1)

无效几何体问题及解决方案

在将等值线/带转换为简单要素时，可能会遇到无效几何体的问题。这种情况通常发生在等值带的宽度或高度为零时，例如当某行或列的值恰好等于等值带的下边界时。

问题示例

m <- matrix(
  c(1.5, 1.5, 1.5, 1.5, 0.6, 0,
    0.5, 1.5, 1.5,   0,   0, 0,
      0,   1,   0,   1,   1, 0,
      0,   1,   0, 0.7,   0, 0,
    0.9, 1.3, 1.8, 1.4, 0.4, 0
  ),
  nrow = 5, ncol = 6, byrow = TRUE
)

b <- isobands(x = 1:6, y = 5:1, z = m, levels_low = 0:1, levels_high = 1:2)
bands <- iso_to_sfg(b)
iso <- st_sf(id = factor(1:length(bands)), geometry = st_sfc(bands))
st_is_valid(iso, reason = TRUE)

解决方案1：修复几何体

使用st_make_valid()函数可以修复无效几何体：

if (sf_extSoftVersion()["GEOS"] >= "3.8.0") {
  iso_valid <- st_make_valid(iso)
  st_is_valid(iso_valid, reason=TRUE)
}

解决方案2：避免边界值重合

通过微调数据值，使其不与等值带边界重合：

b <- isobands(x = 1:6, y = 5:1, z = m + 1e-10, levels_low = 0:1, levels_high = 1:2)
bands <- iso_to_sfg(b)
iso <- st_sf(id = factor(1:length(bands)), geometry = st_sfc(bands))
st_is_valid(iso, reason = TRUE)

总结

isoband包与sf包的结合为空间数据可视化提供了强大的工具。通过将等值线/带转换为简单要素格式，我们可以充分利用sf生态系统中的各种功能进行高级空间分析和可视化。在实际应用中，需要注意无效几何体的问题，并采用适当的解决方案进行处理。