python cartopy

# 聊聊Cartopy当Python遇见地图地图这东西挺有意思的小时候看纸质地图总觉得很神秘那些弯弯曲曲的线条怎么就代表了山川河流。后来做开发发现要把地图数据在代码里画出来又是另一番滋味。今天想聊聊Cartopy这个库算是这些年用下来觉得挺顺手的一个工具。它到底是什么Cartopy本质上是个地图绘图库。这么说可能有点抽象可以把它想象成专门给地理数据准备的画布和画笔。很多人在用Matplotlib画图表Cartopy就是给Matplotlib加了个地理坐标系。它底层依赖PROJ这个强大的地理坐标转换库所以能处理各种奇奇怪怪的地图投影问题。有意思的是Cartopy并不是凭空冒出来的。它的前身是Basemap但Basemap用起来总有些别扭的地方像是代码风格比较老派维护起来也不太方便。Cartopy算是吸取了教训重新设计用起来更符合现在Python开发的习惯。能干些什么最直接的就是画地图。不是那种静态的地图图片而是可以自由定制的地图可视化。比如你想画一张中国地图在上面标出各省会城市再根据人口数据给每个省涂上不同深浅的颜色Cartopy就能搞定。更实用的是处理真实的地理数据。假设你手头有一批气象站的经纬度坐标和温度数据想要在地图上用散点图展示每个点的颜色代表温度高低。或者你有台风路径数据想画出台风移动的轨迹线。这些场景Cartopy都能处理得不错。还有个挺有用的功能是地图投影转换。地球是个球体但我们在屏幕上看到的地图都是平面的这个从球面到平面的转换过程就是投影。不同的投影方式会带来不同的变形有的保持面积准确有的保持角度准确。Cartopy支持几十种常见的投影方式可以根据需要选择合适的。怎么用起来安装倒是不复杂用pip就能装。不过因为它依赖一些地理信息库在Windows上可能会遇到点小麻烦。如果安装时出问题通常去下个对应版本的whl文件手动安装就能解决。用Cartopy画图的流程大致是这样的先创建一个带地理坐标系的图形然后在这个坐标系上添加地图特征比如海岸线、国界线这些基础元素最后把自己的数据画上去。举个例子画一张简单的世界地图只需要几行代码。导入Cartopy和Matplotlib后创建一个图形和坐标系指定用PlateCarree投影这是最常用的经纬度投影然后调用coastlines()方法把海岸线画出来最后用Matplotlib显示或保存。处理自己的数据时关键是要把数据转换成正确的坐标系。比如你的数据是经纬度坐标而地图用了某种投影就需要用transform参数告诉Cartopy如何转换。这个参数用对了数据就能准确地落到地图上该在的位置。一些实践中的体会刚开始用Cartopy时容易犯的一个错误是忽略坐标转换。明明经纬度数据是对的画出来却跑到奇怪的地方去了多半就是transform参数没设对。Cartopy里有两个重要的坐标系概念数据本身的坐标系和地图显示的坐标系搞清楚这两者的区别很重要。画中国地图时要注意Cartopy默认的世界地图边界可能和我们的标准地图不太一样。这时候可以用set_extent方法手动设置显示范围把地图限制在经度70到140、纬度15到55之间这样就是标准的中国地图范围了。如果要在图上添加文字标注比如城市名称记得也要考虑坐标转换。标注的位置通常用经纬度表示但地图是投影后的坐标系不转换的话标注位置就不准。性能方面如果数据量很大比如要画几十万个点直接画可能会比较慢。这时候可以考虑对数据进行适当的抽稀或者先用简单的方式预览确定没问题了再出高清大图。Cartopy支持的地图特征挺丰富的除了基本的海岸线、国界线还能添加河流、湖泊、行政边界等等。这些特征数据来自Natural Earth是个开源的地理数据集质量还不错。如果需要更详细的地图比如到县级的边界就得自己找数据源了。和其他工具的比较除了CartopyPython里画地图的选择还有几个。最老牌的是Basemap现在虽然还在用但官方已经不再维护了推荐用Cartopy替代。Basemap的API设计比较老派用起来没有Cartopy顺手。GeoPandas是另一个选择它更适合处理地理数据分析和简单的可视化。如果要做复杂的地图样式定制GeoPandas可能就不太够用通常会和Cartopy配合使用。Folium和Plotly这些库也能画地图它们的优势是能生成交互式地图可以直接在网页上缩放点击。但如果是需要高度定制化的静态地图或者要集成到科学论文的插图中Cartopy的灵活性更好。还有个比较新的库叫PyGMT基于专业的GMT绘图系统功能非常强大但学习曲线也更陡峭。对于大多数日常的地图可视化需求Cartopy的平衡性做得不错既够用又好用。说到底工具的选择还是看具体需求。如果只是简单展示几个点几条线可能用Folium更快。如果需要精细控制地图的每个细节或者要批量生成大量地图Cartopy就更合适。地图可视化这东西技术只是工具更重要的是对地理数据的理解。知道什么时候该用什么投影怎么设计图例能让读者一目了然这些比单纯会用某个库更重要。Cartopy给了我们很好的工具但怎么用好还得靠对地图本身的理解。