NetTopologySuite

定义

NetTopologySuite是一个.NET平台上的空间几何计算库,提供用于建模和操作二维线性几何的应用程序编程接口,内部包含大量几何谓词与几何函数^[4]。它是对Java库JTS Topology Suite的直接移植,把JTS的功能以.NET的编程习惯呈现出来,例如使用属性与索引器^[1]。

该库的实现目标之一是尽可能准确地落实OpenGIS简单要素规范;当规范本身表述不清或缺少规定时,它会自行选择一套合理且自洽的替代方案,并把与规范的差异记录在文档中^[2]。它的典型用途是开发对空间数据集进行校验、清理、集成与查询的应用程序^[2]。

原理

NetTopologySuite的核心数据模型位于NetTopologySuite.Geometries命名空间中,由几何类构成层次结构。基础类型是表示平面线性矢量几何的Geometry,派生出点、线串、多边形等具体类型,以及多点、多线串、多多边形和几何集合等集合类型^[2]。坐标由Coordinate等轻量类承载,可分别支持二维坐标,或附带高程值、度量值的多维坐标^[2]。

空间关系判定基于维度扩展九交模型(DE-9IM)。该模型以交集矩阵IntersectionMatrix描述两个几何对象内部、边界、外部之间的相交维度,由此推导出包含、相交、相邻、穿越、重叠、相离等关系判断^[2]。叠加运算则封装在GeometryOverlay等类中,用于计算几何对象之间的交、并、差等结果^[2]。

为提高批量空间查询效率,库中提供空间索引结构,其中STRtree索引被用于多数查询场景^[5]。距离计算由专门的运算类实现,例如Distance3DOp可以求出两个三维几何之间距离最近的点对,并在给定距离阈值内提前终止搜索^[6]。

在坐标约定上,几何对象使用X和Y值,通常以X表示经度、Y表示纬度^[3]。库在进行空间计算时默认按平面坐标处理,并会忽略几何对象携带的SRID值,因此直接使用经纬度坐标得到的距离、面积等度量值以度为单位;若需得到以米为单位的实际度量值,需要先借助坐标投影转换组件完成换算^[3]。

发展历程

NetTopologySuite的源头是JTS Topology Suite。JTS以Java实现,最初以LGPL许可证发布,其后在1.15版本改为EPL与修订版BSD风格许可证的双许可模式^[7]。JTS官网在梳理其移植与绑定时,把C#语言下的Net Topology Suite列为其中之一^[8]。

由于上游许可证调整,NetTopologySuite社区曾就自身的许可问题进行讨论,当时其部分配套项目如Shapefile读写、GeoJSON模块包含源自其他项目的代码,需要逐一确认版权归属才能变更许可^[7]。此后项目逐步采用BSD-3-Clause许可^[9]。

在版本演进中,项目通过里程碑方式与上游保持功能对应。2.6版本纳入了JTS 1.20.0所包含的全部内容,同时对GML读取中的坐标维度处理、STRtree索引查询性能等做了改进,并增加了.NET Standard 2.1目标框架^[5]。较新的开发分支以JTS 1.21.0-SNAPSHOT为兼容目标,支持.NET Standard 2.0与2.1^[9]。

应用

在地理信息系统开发中,NetTopologySuite常作为空间数据操作的中间层,与SharpMap等地图组件配合使用。SharpMap是一个面向网页与桌面应用的制图库,能够访问多种GIS数据、执行空间查询并渲染地图,其引擎以C#编写^[1]。此外NHibernate.Spatial等空间扩展组件也建立在NetTopologySuite之上^[1]。

在数据访问层面,Entity Framework Core通过安装对应的空间支持包来使用NetTopologySuite。SQL Server、SQLite、PostgreSQL、MySQL、Oracle、Teradata等数据库提供程序都有各自的配套包,开发者在上下文配置中调用UseNetTopologySuite方法即可把模型中的几何类型映射为数据库的空间数据类型^[3]。查询时,LINQ表达式中的几何方法会被翻译成数据库端的空间函数,例如筛选距离某位置最近的记录或判断某坐标是否落在某个边界之内^[3]。

常见的使用场景包括按距离检索目标位置附近的对象,以及判断区域的边界是否包含指定位置^[3]。在关系型数据库一侧,NetTopologySuite的成员方法可以对应到空间SQL函数,例如面积、缓冲区、凸包、相交、包含、距离等都有各自的映射关系^[10]。项目还提供独立的输入输出模块包,用于处理PostGIS、Shapefile、GeoJSON、GPX等来源的空间数据^[4]。

局限

NetTopologySuite面向二维线性几何,不覆盖所有几何形态。EF Core的相关文档明确指出,该库不支持CircularString、CompoundCurve和CurePolygon等曲线类型^[3]。

它的空间度量建立在平面假设之上。库在计算时会忽略几何对象的SRID,直接以经纬度作为平面坐标参与运算,所得距离与面积以度而非米为单位,需要额外的投影转换步骤才能获得符合地表实际的度量结果^[3]。

与数据库提供程序的集成也并非完全对等。以Teradata的支持包为例,部分成员如带象限段参数的缓冲区重载、CoveredBy、Covers、反向操作与无参Union等并未被翻译成对应的SQL函数^[10]。

处理无效几何时,叠加运算可能抛出拓扑异常,使用者需要先修复几何对象再进行计算^[11]。此外,在大批量空间查询中若不做索引与预处理,逐对比较的性能开销较大,通常需要借助STRtree索引或预处理几何来改善^[11]。

参见

• JTS Topology Suite —— Java语言实现的二维几何计算库,是NetTopologySuite移植的上游项目。

• SharpMap —— .NET平台的地图渲染与GIS数据访问库,以NetTopologySuite作为几何支撑。

• Entity Framework Core —— .NET对象关系映射框架,可通过配套包映射NetTopologySuite的几何类型。

• PostGIS —— PostgreSQL的空间数据扩展,其几何类型可映射为NetTopologySuite的几何对象。

• GeoJSON —— 一种基于JSON的地理空间数据交换格式,由NetTopologySuite的输入输出模块提供读写支持。

• 空间索引 —— 用于加速空间查询的数据结构,NetTopologySuite提供STRtree等实现。