第01章-NetTopologySuite概述与入门

第01章：NetTopologySuite 概述与入门

1.1 NetTopologySuite 简介

NetTopologySuite（简称 NTS）是一个功能强大的 .NET 空间数据处理库，是 Java Topology Suite（JTS）的 .NET 移植版本。它提供了完整的几何对象模型和丰富的空间分析功能，是 .NET 平台上最流行和最成熟的开源 GIS 库之一。

1.1.1 项目背景

NetTopologySuite 最初由 Diego Guidi 在 2004 年开始移植，经过近二十年的发展，已经成为 .NET GIS 开发的事实标准。该项目托管在 GitHub 的 NetTopologySuite 组织下，目前由一个活跃的开源社区维护。

项目地址：https://github.com/NetTopologySuite/NetTopologySuite

1.1.2 核心特性

NetTopologySuite 提供以下核心特性：

完整的几何模型
- 支持 OGC Simple Features Specification 定义的所有几何类型
- Point、LineString、Polygon、MultiPoint、MultiLineString、MultiPolygon、GeometryCollection
- 支持二维、三维坐标系统
空间关系判断
- 支持所有 OGC 标准空间关系谓词
- Equals、Contains、Within、Intersects、Touches、Crosses、Overlaps、Disjoint
- 基于 DE-9IM（九交模型）的精确空间关系计算
几何运算
- 布尔运算：Union（并集）、Intersection（交集）、Difference（差集）、SymmetricDifference（对称差集）
- 缓冲区分析、凸包计算、质心计算
- 几何简化、几何验证和修复
空间索引
- R-Tree 空间索引
- Quadtree 四叉树索引
- STRtree 排序瓦片递归树
坐标转换
- 支持仿射变换
- 几何旋转、缩放、平移
输入输出
- WKT（Well-Known Text）格式
- WKB（Well-Known Binary）格式
- GeoJSON 格式
- Shapefile 格式

1.1.3 与 JTS 的关系

NetTopologySuite 是 JTS 的 .NET 移植版本，两者保持高度一致：

特性	JTS	NetTopologySuite
语言	Java	C# (.NET)
几何模型	完全相同	完全相同
空间算法	完全相同	完全相同
API 风格	Java 风格	.NET 风格
命名空间	org.locationtech.jts	NetTopologySuite

1.1.4 应用场景

NetTopologySuite 广泛应用于以下场景：

GIS 桌面应用：地图编辑、空间分析工具
Web GIS 服务：后端空间计算、地图服务
空间数据库：EF Core 空间扩展、数据格式转换
数据处理：空间数据 ETL、批量空间分析
CAD/CAM 系统：几何计算、碰撞检测
游戏开发：空间查询、地形分析

1.2 NetTopologySuite 组织项目概览

NetTopologySuite 组织在 GitHub 上维护了多个相关项目，形成了完整的 .NET GIS 生态系统。

1.2.1 核心库

NetTopologySuite（核心库）

项目地址：https://github.com/NetTopologySuite/NetTopologySuite
NuGet 包：NetTopologySuite
功能：提供核心几何模型和空间算法
版本：当前主要版本为 2.x

# 安装核心库
dotnet add package NetTopologySuite

NetTopologySuite.Features

NuGet 包：NetTopologySuite.Features
功能：提供 Feature 和 FeatureCollection 类，支持几何+属性的组合数据模型

dotnet add package NetTopologySuite.Features

1.2.2 IO 模块（输入/输出）

NetTopologySuite.IO.GeoJSON

项目地址：https://github.com/NetTopologySuite/NetTopologySuite.IO.GeoJSON
NuGet 包：NetTopologySuite.IO.GeoJSON
功能：GeoJSON 格式读写，支持 Newtonsoft.Json 和 System.Text.Json

dotnet add package NetTopologySuite.IO.GeoJSON

NetTopologySuite.IO.Esri.Shapefile

项目地址：https://github.com/NetTopologySuite/NetTopologySuite.IO.Esri
NuGet 包：NetTopologySuite.IO.Esri.Shapefile
功能：Shapefile 格式读写，包括 .shp、.shx、.dbf 文件

dotnet add package NetTopologySuite.IO.Esri.Shapefile

NetTopologySuite.IO.PostGis

NuGet 包：Npgsql.NetTopologySuite
功能：PostgreSQL/PostGIS 空间数据库支持

dotnet add package Npgsql.NetTopologySuite

NetTopologySuite.IO.SqlServerBytes

NuGet 包：NetTopologySuite.IO.SqlServerBytes
功能：SQL Server 空间数据类型支持

dotnet add package NetTopologySuite.IO.SqlServerBytes

NetTopologySuite.IO.VectorTiles

项目地址：https://github.com/NetTopologySuite/NetTopologySuite.IO.VectorTiles
NuGet 包：NetTopologySuite.IO.VectorTiles、NetTopologySuite.IO.VectorTiles.Mapbox
功能：Mapbox 矢量切片生成和读取

dotnet add package NetTopologySuite.IO.VectorTiles.Mapbox

NetTopologySuite.IO.GPX

NuGet 包：NetTopologySuite.IO.GPX
功能：GPX 格式读写，用于 GPS 轨迹数据

dotnet add package NetTopologySuite.IO.GPX

NetTopologySuite.IO.TinyWKB

NuGet 包：NetTopologySuite.IO.TinyWKB
功能：Tiny WKB 格式支持，用于高效二进制传输

dotnet add package NetTopologySuite.IO.TinyWKB

1.2.3 数据库集成

EF Core SQL Server 集成

NuGet 包：Microsoft.EntityFrameworkCore.SqlServer.NetTopologySuite
功能：SQL Server 空间数据类型与 EF Core 集成

dotnet add package Microsoft.EntityFrameworkCore.SqlServer.NetTopologySuite

EF Core PostgreSQL 集成

NuGet 包：Npgsql.EntityFrameworkCore.PostgreSQL.NetTopologySuite
功能：PostGIS 与 EF Core 集成

dotnet add package Npgsql.EntityFrameworkCore.PostgreSQL.NetTopologySuite

1.2.4 坐标系统与投影

ProjNet4GeoAPI

项目地址：https://github.com/NetTopologySuite/ProjNet4GeoAPI
NuGet 包：ProjNet
功能：坐标系统定义和坐标转换

dotnet add package ProjNet

1.2.5 其他相关项目

NetTopologySuite.Curve

功能：曲线几何支持（CircularString、CompoundCurve 等）

VectorTileLayers

功能：矢量切片图层，用于 Mapsui 等地图库

1.3 安装与配置

1.3.1 环境要求

.NET 版本：.NET Standard 2.0 或更高版本
- .NET Framework 4.6.1+
- .NET Core 2.0+
- .NET 5.0/6.0/7.0/8.0
开发工具：
- Visual Studio 2019/2022
- JetBrains Rider
- Visual Studio Code + C# 扩展

1.3.2 使用 NuGet 安装

通过 .NET CLI 安装：

# 安装核心库
dotnet add package NetTopologySuite

# 安装常用扩展
dotnet add package NetTopologySuite.Features
dotnet add package NetTopologySuite.IO.GeoJSON
dotnet add package NetTopologySuite.IO.Esri.Shapefile
dotnet add package ProjNet

通过 Package Manager Console 安装：

Install-Package NetTopologySuite
Install-Package NetTopologySuite.Features
Install-Package NetTopologySuite.IO.GeoJSON
Install-Package NetTopologySuite.IO.Esri.Shapefile
Install-Package ProjNet

通过 PackageReference 添加：

<ItemGroup>
    <PackageReference Include="NetTopologySuite" Version="2.5.0" />
    <PackageReference Include="NetTopologySuite.Features" Version="2.2.0" />
    <PackageReference Include="NetTopologySuite.IO.GeoJSON" Version="4.0.0" />
    <PackageReference Include="NetTopologySuite.IO.Esri.Shapefile" Version="1.0.0" />
    <PackageReference Include="ProjNet" Version="2.0.0" />
</ItemGroup>

1.3.3 验证安装

创建一个简单的控制台应用来验证安装：

using NetTopologySuite.Geometries;

// 创建几何工厂
var geometryFactory = new GeometryFactory(new PrecisionModel(), 4326);

// 创建一个点
var point = geometryFactory.CreatePoint(new Coordinate(116.4074, 39.9042));

Console.WriteLine($"几何类型: {point.GeometryType}");
Console.WriteLine($"坐标: {point.X}, {point.Y}");
Console.WriteLine($"SRID: {point.SRID}");
Console.WriteLine($"WKT: {point.AsText()}");

// 输出:
// 几何类型: Point
// 坐标: 116.4074, 39.9042
// SRID: 4326
// WKT: POINT (116.4074 39.9042)

1.4 基本概念

1.4.1 几何类型层次结构

NetTopologySuite 的几何类型遵循 OGC Simple Features Specification：

Geometry (抽象基类)
├── Point (点)
├── Curve (曲线，抽象)
│   └── LineString (线串)
│       └── LinearRing (闭合环)
├── Surface (面，抽象)
│   └── Polygon (多边形)
└── GeometryCollection (几何集合)
    ├── MultiPoint (多点)
    ├── MultiLineString (多线)
    └── MultiPolygon (多面)

1.4.2 GeometryFactory

GeometryFactory 是创建几何对象的工厂类，用于确保几何对象的一致性：

// 创建默认工厂
var factory = new GeometryFactory();

// 创建带有精度模型的工厂
var precisionModel = new PrecisionModel(1000); // 保留3位小数
var factory2 = new GeometryFactory(precisionModel);

// 创建带有 SRID 的工厂
var factory3 = new GeometryFactory(new PrecisionModel(), 4326); // WGS84

// 使用全局服务获取工厂
var factory4 = NtsGeometryServices.Instance.CreateGeometryFactory(srid: 4326);

1.4.3 Coordinate 与 CoordinateSequence

Coordinate 类表示单个坐标点：

// 二维坐标
var coord2d = new Coordinate(116.4074, 39.9042);

// 三维坐标（带高程）
var coord3d = new CoordinateZ(116.4074, 39.9042, 100.0);

// 带 M 值的坐标
var coordM = new CoordinateM(116.4074, 39.9042, 1.0);

// 带高程和 M 值的坐标
var coordZM = new CoordinateZM(116.4074, 39.9042, 100.0, 1.0);

CoordinateSequence 是坐标序列，用于高效存储多个坐标：

var sequenceFactory = new CoordinateArraySequenceFactory();
var coordinates = new Coordinate[]
{
    new Coordinate(0, 0),
    new Coordinate(10, 0),
    new Coordinate(10, 10),
    new Coordinate(0, 10),
    new Coordinate(0, 0)
};
var sequence = sequenceFactory.Create(coordinates);

1.4.4 PrecisionModel

精度模型控制坐标的数值精度：

// 浮点精度（默认）
var floatingPrecision = new PrecisionModel(PrecisionModels.Floating);

// 单精度浮点
var singlePrecision = new PrecisionModel(PrecisionModels.FloatingSingle);

// 固定精度（指定小数位数）
var fixedPrecision = new PrecisionModel(1000); // 3位小数
var fixedPrecision2 = new PrecisionModel(10000); // 4位小数

1.4.5 SRID（空间参考标识符）

SRID 用于标识几何对象的坐标系统：

// 常用 SRID
// 4326 - WGS84 经纬度坐标系
// 3857 - Web Mercator 投影坐标系
// 4490 - CGCS2000 中国大地坐标系

var wgs84Factory = new GeometryFactory(new PrecisionModel(), 4326);
var webMercatorFactory = new GeometryFactory(new PrecisionModel(), 3857);

var point = wgs84Factory.CreatePoint(new Coordinate(116.4074, 39.9042));
Console.WriteLine($"SRID: {point.SRID}"); // 输出: 4326

1.5 快速开始示例

1.5.1 创建基本几何对象

using NetTopologySuite.Geometries;

var factory = new GeometryFactory(new PrecisionModel(), 4326);

// 1. 创建点
var point = factory.CreatePoint(new Coordinate(116.4074, 39.9042));
Console.WriteLine($"点: {point.AsText()}");

// 2. 创建线
var lineCoords = new Coordinate[]
{
    new Coordinate(116.38, 39.90),
    new Coordinate(116.40, 39.92),
    new Coordinate(116.42, 39.90)
};
var line = factory.CreateLineString(lineCoords);
Console.WriteLine($"线: {line.AsText()}");

// 3. 创建多边形
var polygonCoords = new Coordinate[]
{
    new Coordinate(116.38, 39.88),
    new Coordinate(116.42, 39.88),
    new Coordinate(116.42, 39.92),
    new Coordinate(116.38, 39.92),
    new Coordinate(116.38, 39.88) // 闭合
};
var polygon = factory.CreatePolygon(polygonCoords);
Console.WriteLine($"多边形: {polygon.AsText()}");

// 4. 计算面积和长度
Console.WriteLine($"多边形面积: {polygon.Area}");
Console.WriteLine($"线长度: {line.Length}");

1.5.2 空间关系判断

using NetTopologySuite.Geometries;

var factory = new GeometryFactory();

// 创建两个多边形
var polygon1 = factory.CreatePolygon(new Coordinate[]
{
    new Coordinate(0, 0), new Coordinate(10, 0),
    new Coordinate(10, 10), new Coordinate(0, 10),
    new Coordinate(0, 0)
});

var polygon2 = factory.CreatePolygon(new Coordinate[]
{
    new Coordinate(5, 5), new Coordinate(15, 5),
    new Coordinate(15, 15), new Coordinate(5, 15),
    new Coordinate(5, 5)
});

// 判断空间关系
Console.WriteLine($"是否相交: {polygon1.Intersects(polygon2)}");       // true
Console.WriteLine($"是否包含: {polygon1.Contains(polygon2)}");         // false
Console.WriteLine($"是否被包含: {polygon1.Within(polygon2)}");         // false
Console.WriteLine($"是否相邻: {polygon1.Touches(polygon2)}");          // false
Console.WriteLine($"是否重叠: {polygon1.Overlaps(polygon2)}");         // true
Console.WriteLine($"是否相等: {polygon1.Equals(polygon2)}");           // false
Console.WriteLine($"是否分离: {polygon1.Disjoint(polygon2)}");         // false

1.5.3 几何运算

using NetTopologySuite.Geometries;

var factory = new GeometryFactory();

var polygon1 = factory.CreatePolygon(new Coordinate[]
{
    new Coordinate(0, 0), new Coordinate(10, 0),
    new Coordinate(10, 10), new Coordinate(0, 10),
    new Coordinate(0, 0)
});

var polygon2 = factory.CreatePolygon(new Coordinate[]
{
    new Coordinate(5, 5), new Coordinate(15, 5),
    new Coordinate(15, 15), new Coordinate(5, 15),
    new Coordinate(5, 5)
});

// 几何运算
var intersection = polygon1.Intersection(polygon2);    // 交集
var union = polygon1.Union(polygon2);                  // 并集
var difference = polygon1.Difference(polygon2);        // 差集
var symDifference = polygon1.SymmetricDifference(polygon2); // 对称差集

Console.WriteLine($"交集面积: {intersection.Area}");       // 25
Console.WriteLine($"并集面积: {union.Area}");              // 175
Console.WriteLine($"差集面积: {difference.Area}");         // 75
Console.WriteLine($"对称差集面积: {symDifference.Area}");  // 150

// 缓冲区
var buffer = polygon1.Buffer(5);
Console.WriteLine($"缓冲区面积: {buffer.Area}");

// 凸包
var hull = polygon1.ConvexHull();
Console.WriteLine($"凸包: {hull.AsText()}");

// 质心
var centroid = polygon1.Centroid;
Console.WriteLine($"质心: {centroid.AsText()}");

1.5.4 WKT 读写

using NetTopologySuite.Geometries;
using NetTopologySuite.IO;

// 创建 WKT 读写器
var reader = new WKTReader();
var writer = new WKTWriter();

// 从 WKT 字符串读取几何
var geometry = reader.Read("POLYGON ((0 0, 10 0, 10 10, 0 10, 0 0))");
Console.WriteLine($"几何类型: {geometry.GeometryType}");
Console.WriteLine($"面积: {geometry.Area}");

// 将几何对象写入 WKT 字符串
var point = new GeometryFactory().CreatePoint(new Coordinate(116.4074, 39.9042));
var wkt = writer.Write(point);
Console.WriteLine($"WKT: {wkt}");  // POINT (116.4074 39.9042)

// 读取复杂几何
var multiPolygon = reader.Read(@"
    MULTIPOLYGON (
        ((0 0, 10 0, 10 10, 0 10, 0 0)),
        ((20 20, 30 20, 30 30, 20 30, 20 20))
    )
");
Console.WriteLine($"几何数量: {multiPolygon.NumGeometries}");

1.6 与其他 GIS 库的对比

1.6.1 NetTopologySuite vs Esri Geometry API for .NET

特性	NetTopologySuite	Esri Geometry API for .NET
开源协议	BSD/LGPL	Apache 2.0
几何模型	OGC Simple Features	Esri 扩展模型
曲线支持	有限（通过扩展）	完整支持
空间关系	完整的 DE-9IM	完整支持
性能	优秀	优秀
数据库支持	丰富（EF Core 集成）	有限
文档	完善	一般
社区活跃度	高	中等

1.6.2 NetTopologySuite vs GDAL/OGR

特性	NetTopologySuite	GDAL/OGR (.NET bindings)
安装复杂度	简单（纯托管）	复杂（需要本地库）
几何运算	完整	依赖 GEOS
格式支持	有限	非常丰富
栅格支持	无	完整支持
跨平台	优秀	需要配置
性能	优秀	优秀

1.6.3 选择建议

选择 NetTopologySuite：
- 纯 .NET 项目，不想依赖本地库
- 主要进行矢量空间分析
- 需要与 EF Core 集成
- 需要简单的部署
选择 Esri Geometry API：
- 需要完整的曲线几何支持
- 与 ArcGIS 平台集成
选择 GDAL/OGR：
- 需要处理多种数据格式
- 需要栅格数据处理
- 性能是首要考虑

1.7 学习路径建议

1.7.1 初级阶段

理解几何类型（Point、LineString、Polygon）
掌握 GeometryFactory 的使用
学习 WKT 格式读写
了解基本空间关系判断

1.7.2 中级阶段

掌握所有几何运算方法
学习 GeoJSON 格式处理
学习 Shapefile 文件操作
了解坐标系统和投影转换

1.7.3 高级阶段

深入理解 DE-9IM 模型
掌握空间索引的使用
EF Core 集成开发
性能优化技巧

1.8 本章小结

本章介绍了 NetTopologySuite 的基本概念和入门知识：

项目概述：NetTopologySuite 是 JTS 的 .NET 移植版本，是 .NET 平台上最流行的开源 GIS 库
项目生态：了解了 NetTopologySuite 组织下的所有相关项目
安装配置：学习了如何通过 NuGet 安装和配置
基本概念：理解了几何类型、工厂类、坐标系统等核心概念
快速示例：通过代码示例演示了基本的几何操作

在接下来的章节中，我们将深入学习各个功能模块的详细使用方法。

1.9 参考资源

官方资源

学习资源

社区资源

下一章预告：第02章将详细介绍开发环境配置和项目创建，包括 Visual Studio 和 VS Code 的配置方法。

posted @ 2025-12-29 10:21 我才是银古阅读(4) 评论(0) 收藏举报

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