2021-Fixing-Invalid-Geometry-JTS
JTS 中修复无效几何图形
原文：Fixing Invalid Geometry with JTS
作者：Martin Davis
日期：2021年5月
概述
几何有效性是空间数据处理的基础。JTS 不仅能够检测无效几何图形，还提供了自动修复无效几何图形的功能。本文介绍 JTS 中的几何验证和修复机制，以及它们如何符合 OGC Simple Features 规范。
OGC 几何有效性规范
JTS 使用 OGC（开放地理空间联盟）Simple Features 规范定义的几何模型。该规范对有效几何图形有严格的规则：
多边形有效性规则
- 环必须闭合：多边形的外环和内环（孔洞）必须首尾相连
- 孔洞必须在外环内：内环必须完全包含在外环内
- 环不能自相交：不能形成"8"字形
- 环不能相互交叉：内环之间不能重叠
- 内环方向：内环的方向应与外环相反
// 有效的多边形
POLYGON ((0 0, 10 0, 10 10, 0 10, 0 0))
// 无效的多边形 - 自相交（8字形）
POLYGON ((0 0, 10 10, 10 0, 0 10, 0 0))
// 无效的多边形 - 未闭合
POLYGON ((0 0, 10 0, 10 10, 0 10))
线串有效性规则
- 至少两个点：LineString 必须有至少两个不同的点
- 环必须闭合：LinearRing 的首尾点必须相同
为什么有效性重要？
无效几何图形会导致：
- 面积计算错误：自相交多边形可能计算出面积为 0
- 叠加操作失败：交集、并集等操作可能产生错误结果
- 拓扑检查异常：空间关系判断可能不准确
验证几何图形
使用 isValid() 方法
import org.locationtech.jts.geom.*;
import org.locationtech.jts.io.WKTReader;
public class GeometryValidation {
public static void main(String[] args) throws Exception {
GeometryFactory factory = new GeometryFactory();
WKTReader reader = new WKTReader(factory);
// 有效的多边形
Geometry validPolygon = reader.read(
"POLYGON ((0 0, 10 0, 10 10, 0 10, 0 0))");
System.out.println("有效多边形 isValid: " + validPolygon.isValid());
// 输出: true
// 无效的多边形 - 自相交
Geometry invalidPolygon = reader.read(
"POLYGON ((0 0, 10 10, 10 0, 0 10, 0 0))");
System.out.println("无效多边形 isValid: " + invalidPolygon.isValid());
// 输出: false
}
}
获取详细的验证错误信息
import org.locationtech.jts.operation.valid.IsValidOp;
import org.locationtech.jts.operation.valid.TopologyValidationError;
public class DetailedValidation {
public static void validateWithDetails(Geometry geom) {
IsValidOp validOp = new IsValidOp(geom);
if (!validOp.isValid()) {
TopologyValidationError error = validOp.getValidationError();
System.out.println("错误类型: " + error.getErrorType());
System.out.println("错误消息: " + error.getMessage());
System.out.println("错误位置: " + error.getCoordinate());
} else {
System.out.println("几何图形有效");
}
}
}
常见的验证错误类型
| 错误类型 | 描述 |
|---|---|
| SELF_INTERSECTION | 环自相交 |
| RING_NOT_CLOSED | 环未闭合 |
| HOLE_OUTSIDE_SHELL | 孔洞在外环外 |
| NESTED_HOLES | 孔洞嵌套 |
| DISCONNECTED_INTERIOR | 内部不连通 |
| DUPLICATE_RINGS | 重复的环 |
| TOO_FEW_POINTS | 点数过少 |
修复无效几何图形
使用 buffer(0) 修复
最简单的修复方法是使用零距离缓冲区：
public Geometry fixWithBuffer(Geometry geom) {
if (!geom.isValid()) {
// 使用 buffer(0) 修复
return geom.buffer(0);
}
return geom;
}
注意：buffer(0) 方法：
- 对于大多数自相交问题有效
- 可能改变几何图形的拓扑结构
- 不保证保留所有原始特征
使用 GeometryFixer 修复
JTS 1.18+ 引入了专门的 GeometryFixer 类：
import org.locationtech.jts.geom.util.GeometryFixer;
public class FixWithGeometryFixer {
public static Geometry fixGeometry(Geometry geom) {
if (!geom.isValid()) {
GeometryFixer fixer = new GeometryFixer(geom);
return fixer.getResult();
}
return geom;
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
WKTReader reader = new WKTReader();
// 自相交的多边形
Geometry invalid = reader.read(
"POLYGON ((0 0, 10 10, 10 0, 0 10, 0 0))");
System.out.println("原始几何: " + invalid);
System.out.println("是否有效: " + invalid.isValid());
// 修复
Geometry fixed = fixGeometry(invalid);
System.out.println("修复后几何: " + fixed);
System.out.println("是否有效: " + fixed.isValid());
}
}
GeometryFixer 的修复策略
GeometryFixer 对不同类型的无效性采用不同的修复策略：
import org.locationtech.jts.geom.util.GeometryFixer;
public class GeometryFixerOptions {
/**
* 使用自定义选项修复几何图形
*/
public static Geometry fixWithOptions(Geometry geom, boolean keepCollapsed) {
GeometryFixer fixer = new GeometryFixer(geom);
// 是否保留退化（崩塌）的几何图形
fixer.setKeepCollapsed(keepCollapsed);
return fixer.getResult();
}
}
修复的问题类型：
- 自相交多边形 → 分割成多个有效多边形
- 孔洞在外环外 → 移除无效孔洞
- 嵌套孔洞 → 转换为有效的孔洞结构
- 重复环 → 移除重复
- 未闭合环 → 自动闭合
批量验证和修复
验证几何集合
public class BatchValidation {
/**
* 验证并报告几何集合中的无效几何
*/
public static void validateCollection(List<Geometry> geometries) {
int invalidCount = 0;
for (int i = 0; i < geometries.size(); i++) {
Geometry geom = geometries.get(i);
if (!geom.isValid()) {
invalidCount++;
IsValidOp validOp = new IsValidOp(geom);
TopologyValidationError error = validOp.getValidationError();
System.out.printf("几何 #%d 无效: %s 在 %s%n",
i, error.getMessage(), error.getCoordinate());
}
}
System.out.printf("总计: %d/%d 无效%n",
invalidCount, geometries.size());
}
/**
* 批量修复几何集合
*/
public static List<Geometry> fixCollection(List<Geometry> geometries) {
List<Geometry> result = new ArrayList<>();
for (Geometry geom : geometries) {
if (geom.isValid()) {
result.add(geom);
} else {
result.add(new GeometryFixer(geom).getResult());
}
}
return result;
}
}
预防无效几何
最佳实践
- 验证输入数据：在处理前验证所有输入几何
- 使用安全的构造方法：使用 JTS 的工厂方法创建几何
- 保持精度一致：使用一致的精度模型
- 处理边界情况：检查空几何和退化几何
public class SafeGeometryCreation {
private GeometryFactory factory;
private WKTReader reader;
public SafeGeometryCreation() {
// 使用固定精度模型
PrecisionModel pm = new PrecisionModel(1000.0);
this.factory = new GeometryFactory(pm);
this.reader = new WKTReader(factory);
}
/**
* 安全地创建几何图形
*/
public Geometry createSafe(String wkt) throws Exception {
Geometry geom = reader.read(wkt);
// 验证
if (!geom.isValid()) {
// 自动修复
geom = new GeometryFixer(geom).getResult();
}
return geom;
}
}
与其他库的比较
| 功能 | JTS | PostGIS | GEOS |
|---|---|---|---|
| 验证 | isValid() |
ST_IsValid() |
GEOSisValid() |
| 详细错误 | IsValidOp |
ST_IsValidReason() |
GEOSisValidReason() |
| 修复 | GeometryFixer |
ST_MakeValid() |
GEOSMakeValid() |
总结
JTS 提供了完整的几何验证和修复工具链：
- 验证：使用
isValid()快速检查，IsValidOp获取详细信息 - 修复：使用
GeometryFixer或buffer(0)修复无效几何 - 预防：使用正确的构造方法和精度模型
遵循 OGC 规范的几何有效性是可靠空间分析的基础。JTS 的修复功能使处理"脏"数据变得更加容易。
浙公网安备 33010602011771号