Python GeoSpatial Analysis Essentials

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出版者:Packt Publishing - ebooks Account
作者:Erik Westra
出品人:
页数:180
译者:
出版时间:2015-6-30
价格:USD 34.99
装帧:Paperback
isbn号码:9781782174516
丛书系列:
图书标签:
  • python
  • GIS
  • Python
  • GIS
  • Geospatial Analysis
  • Spatial Data
  • Mapping
  • Geopy
  • Shapely
  • GeoPandas
  • Data Science
  • Location Intelligence
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具体描述

地理信息系统中的现代数据处理与编程实践 面向GIS专业人士、数据科学家及软件开发者的进阶指南 本书旨在为读者提供一套全面、深入且极具实践性的工具集,用于应对当代地理空间数据处理领域中的复杂挑战。它不再局限于特定编程语言的基础语法介绍,而是聚焦于如何利用最前沿的编程范式、高性能计算技术以及专业级的库生态系统,构建健壮、高效且可扩展的地理空间分析流水线。 核心主题与内容概述: 本书内容围绕数据工程化和空间分析的自动化两大核心支柱展开,涵盖了从数据获取、清洗、存储到高级模型构建与可视化部署的全过程。 第一部分:现代空间数据基础设施与高效存储 本部分将深入探讨非关系型数据库和云原生存储解决方案在地理空间场景下的应用,摒弃传统的文件操作模式,转向面向大规模数据集的优化策略。 1. 云原生空间数据模型: 详细解析如 Apache Parquet、Apache Arrow 等列式存储格式如何革新栅格和矢量数据的存储效率与查询速度。探讨 Z-order 曲线、Hilbert 曲线等空间索引技术在分布式文件系统(如 S3、HDFS)上的优化实现。 2. PostGIS 的高级调优与扩展: 超越标准SQL查询,深入研究 PostgreSQL 存储引擎如何处理空间数据,包括 GIN/GiST 索引的深度配置、时空数据类型(如 `ST_ dönem`)的高级应用,以及通过扩展程序(如 PgVector)集成机器学习特征向量。 3. 实时流数据处理: 介绍如何使用 Apache Kafka 或 Pulsar 接收和缓冲地理空间事件流(如传感器数据、移动轨迹)。重点阐述如何使用 Flink 或 Spark Streaming 进行窗口化聚合、空间连接(Spatial Joins)和异常检测,实现低延迟的地理围栏和路径优化。 第二部分:高性能空间计算与算法实现 此部分专注于如何利用并行化和 GPU 加速技术来处理传统CPU架构难以应对的计算密集型空间任务。 1. 并行化与多核优化: 探讨利用 `dask` 框架进行大规模数据框的并行处理,特别是针对复杂的几何操作(如拓扑验证、布尔运算)的并行化策略。深入剖析如何有效地划分空间任务以最小化通信开销。 2. GPU 加速的栅格处理: 介绍 Numba、CuPy 以及专门针对 CUDA 编程的库如何加速大规模栅格运算。重点涵盖卷积操作、形态学处理以及基于GPU的快速傅里叶变换在遥感图像分析中的应用。 3. 图论在网络空间分析中的应用: 不仅限于基础的最短路径问题,本书将深入研究如何利用网络X(NetworkX)的高级功能,结合OpenStreetMap(OSM)数据,实现多目标路径优化、交通流量预测以及服务区可达性分析。讨论如何将这些算法部署到高性能图数据库(如 Neo4j)中进行加速。 第三部分:面向应用的集成与部署 本部分关注将分析结果转化为可操作的产品和服务,强调软件工程的最佳实践在地理空间项目中的落地。 1. 面向服务的地理信息(GeoServices): 教授如何使用 FastAPI 或 Flask 构建高性能的地理空间API。涵盖 GeoJSON、WKT 等格式的快速序列化与反序列化,以及如何实现异步查询和缓存策略以应对高并发请求。 2. 容器化与可重复性环境: 详细指导如何使用 Docker 和 Kubernetes 来封装复杂的分析环境,确保从开发到生产环境的空间分析流程具有完全的可复现性。重点解决依赖管理(特别是二进制依赖如 GDAL/PROJ)在容器化中的常见难题。 3. 交互式仪表板与高级可视化: 介绍如何结合如 Deck.gl、Mapbox GL JS 等现代前端库,与后端分析结果进行无缝集成。探讨如何利用 Vega-Lite 或 Plotly 实现动态、支持钻取(Drill-down)的空间统计可视化,而非简单的静态地图展示。 本书的独特价值: 本书假定读者已具备扎实的编程基础和基本的地理空间概念(如投影、拓扑关系)。我们的目标不是重复介绍基础库的API,而是教授如何“黑进”这些库的底层机制,并用现代化的技术栈去替代或增强传统的工作流。我们将引导读者从“使用工具”转变为“构建工具”,从而在面对TB级数据和实时计算需求时,能够设计出真正具备行业竞争力的空间解决方案。本书侧重于如何构建一个可持续维护、性能卓越的地理空间数据产品,而非仅仅是完成一次性的分析报告。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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对于那些想要进行网络分析(network analysis)的读者,这本书也提供了非常宝贵的指导。城市规划、物流配送、应急响应等许多场景,都离不开对交通网络、河流网络等空间网络的分析。这本书巧妙地引入了 OSRM-Py、NetworkX 等库,展示了如何构建和操作空间网络,并进行诸如最短路径查找、服务范围分析(accessibility analysis)等常见的网络分析任务。我曾参与一个关于优化紧急救援车辆路线的项目,需要根据实时交通状况计算最优的到达路径。在学习了这本书中关于 NetworkX 和 OSRM-Py 的章节后,我能够构建一个复杂的交通网络模型,并利用这些库实现动态的最短路径计算,极大地提升了救援效率。作者对于如何将现实世界的网络数据(例如 OpenStreetMap 的数据)导入到 NetworkX 中,以及如何处理网络中的节点和边属性,都进行了非常细致的讲解。

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我尤其欣赏书中对于 GDAL/OGR 和 Fiona 库的深入剖析。这两个库可以说是 Python 地理空间数据处理的基石,掌握了它们,就如同掌握了打开各种地理空间数据格式的金钥匙。书中详尽地介绍了如何使用 Fiona 读取、写入和操作 Shapefile、GeoJSON 等常见格式,以及如何利用 GDAL/OGR 进行更底层的、更灵活的数据转换和处理。我记得我在一个项目中,需要将大量的GPS轨迹数据从一个不常见的二进制格式转换为标准的GPX格式,并且需要提取出其中的时间戳和经纬度信息。当时我尝试了多种方法,都遇到了各种各样的问题,直到我翻阅了这本书中关于GDAL/OGR的章节,才找到了解决问题的关键。作者循序渐进地演示了如何利用GDAL的Python绑定,逐个读取数据记录,提取所需字段,再重新构建新的数据结构并写入目标格式。整个过程被分解得非常细致,每个步骤都清晰明了,配以详细的代码示例,让我能够一步步地跟着操作,最终成功解决了那个困扰我许久的问题。更让我印象深刻的是,作者不仅教会了我如何“做”,更重要的是让我理解了“为什么这么做”,例如在数据写入时,关于编码、字段类型等细节的处理,都解释得非常到位,避免了许多潜在的错误。

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本书在可视化方面的内容,简直是我的一大福音。过去,我常常为如何将分析结果以直观、美观的方式呈现而头疼。虽然我知道 Matplotlib 和 Seaborn 是强大的可视化工具,但如何将它们与地理空间数据结合起来,生成高质量的地图,一直是我学习的盲点。而这本书,则用 Shapely、GeoPandas 和 Plotly 等库,彻底改变了我的认知。GeoPandas 的出现,可以说是 Python 地理空间分析的一大革新,它将 Pandas 的数据结构优势与地理空间功能完美融合,使得处理和分析矢量数据变得前所未有的便捷。书中关于 GeoPandas 的绘图功能,我简直是爱不释手。从简单的点图、线图、多边形填充图,到更复杂的主题地图(choropleth maps)和符号地图,书中的示例代码都非常详尽且易于理解。特别是当需要叠加多个图层,或者根据属性值对要素进行着色时,GeoPandas 的 `plot()` 方法简直是神器。我曾经需要写很多代码才能实现的地图叠加和分类着色,现在通过几行 GeoPandas 的代码就可以轻松搞定,而且效果惊人。

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这本书的魅力不仅仅在于它对单个库的精细讲解,更在于它能够将这些零散的工具有机地串联起来,形成一套完整的地理空间分析工作流。从数据的获取、清洗、预处理,到空间分析、统计建模,再到最终的可视化呈现,这本书为我提供了一条清晰的、可操作的路径。例如,在处理一个需要分析城市犯罪率与社会经济因素之间关系的项目时,我需要从公开的政府数据库中下载各种格式的地理空间数据,然后使用 Fiona 读取 Shapefile,使用 GeoPandas 进行空间连接(spatial join)来聚合不同行政区划下的犯罪数据和人口数据,再利用 PySAL 计算区域内的犯罪率空间自相关,最后使用 Plotly 绘制交互式地图来展示分析结果。在过去,这样的流程可能需要我花费大量时间在搜索文档、调试代码上,但有了这本书,我能够按照书中提供的范例,快速地搭建起整个分析框架,大大提高了我的工作效率。

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总而言之,这本书是我近几年来读过的关于 Python 地理空间分析领域最全面、最实用、也最引人入胜的一本著作。它不仅仅是一本技术手册,更像是一位经验丰富的向导,带领我一步步地探索地理空间分析的奇妙世界。无论你是 GIS 领域的初学者,还是经验丰富的数据科学家,想要深入了解 Python 在地理空间分析中的强大能力,这本书都绝对值得你拥有。它所涵盖的内容之广,讲解之细致,示例之丰富,都远远超出了我的预期。我相信,有了这本书的指导,我能够更加自信、更加高效地运用 Python 来解决各种复杂的地理空间问题,并从中发现更多令人兴奋的洞察。这本书为我打开了一扇新的大门,让我对未来的研究和工作充满了期待。

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本书对于栅格数据分析的覆盖面同样令人印象深刻。在GIS领域,栅格数据,例如数字高程模型(DEM)、卫星影像、遥感影像等,扮演着至关重要的角色。这本书详细介绍了如何使用 Rasterio 这样的强大库来处理栅格数据。我曾经需要从大量的卫星影像中提取特定区域的植被覆盖度信息,并进行时间序列分析。Rasterio 提供了读取、写入、裁剪、重投影、波段运算等一系列高效的功能,使得这些操作变得相对容易。书中关于波段组合、 NDVI(归一化差异植被指数)计算的示例,对我的项目帮助巨大。更让我受益的是,作者还介绍了如何将栅格数据与矢量数据进行交互分析,例如计算特定区域内的平均高程,或者将矢量区域作为掩膜(mask)来提取栅格数据。这些操作在环境监测、土地利用分析等领域都非常常见,掌握这些技巧,能够极大地拓展我们分析的边界。

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这本书的出现,无疑是在 Python 地理空间分析领域投下了一颗重磅炸弹,让我这个长期游走于GIS和数据科学交叉地带的开发者,眼前一亮,仿佛找到了期待已久的北极星。我一直深信,地理空间数据蕴含着无尽的洞察力,而Python,凭借其强大的库生态和灵活的编程范式,正是解锁这些洞察力的理想工具。然而,在过去,虽然我接触过不少GIS软件和一些零散的Python库,但总感觉缺乏一条清晰、系统化的学习路径,能够让我从基础概念到高级应用,都能得心应手。这本书的开篇,就用一种非常亲切且富有逻辑的方式,将我带入了 Python 地理空间分析的世界。它没有上来就堆砌复杂的代码,而是从地理信息系统的核心概念讲起,比如矢量数据、栅格数据、空间参照系、投影等,这些都是理解后续一切分析的基础。作者的讲解方式非常巧妙,通过生动的比喻和实例,将抽象的地理空间概念具象化,让初学者也能迅速 grasp 核心要义。例如,在讲解投影时,他并没有仅仅停留在理论层面,而是通过一个形象的“橙子皮”比喻,生动地解释了为什么地图投影必然会产生形变,以及不同投影方式的优劣。这让我一下子就明白了为什么在进行跨区域分析时,选择合适的投影至关重要。

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这本书的另一大亮点在于它对 Python 在地理空间数据工程(Geospatial Data Engineering)方面的实践性指导。在实际工作中,我们常常需要处理海量的地理空间数据,并且需要构建高效的数据处理管道。本书介绍了一些实用的技巧和方法,例如如何使用 Dask 来并行化计算,以加速对大型数据集的处理;如何利用 PostGIS 这样的空间数据库来存储和管理地理空间数据;以及如何通过 API 来获取和集成来自不同来源的地理空间数据。这些内容对于那些希望在更大型、更复杂的项目中使用 Python 进行地理空间分析的开发者来说,无疑是非常有价值的。我曾经需要处理 TB 级别的高分辨率遥感影像数据,传统的 Pandas 和 GeoPandas 在内存管理和计算速度上都遇到了瓶颈。在学习了书中关于 Dask 和 GeoPandas 集成的章节后,我能够利用 Dask 的分布式计算能力,有效地处理这些大规模数据,显著缩短了处理时间。

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我特别赞赏书中关于空间数据质量和元数据管理的讨论。在进行任何严肃的地理空间分析之前,确保数据的质量和准确性至关重要。本书不仅介绍了如何进行数据清洗和验证,还强调了元数据的重要性,包括空间参照系、数据来源、采集时间等信息。清晰的元数据能够帮助我们理解数据的上下文,避免误读和错误分析。书中还给出了一些实用的建议,比如如何检查数据的拓扑错误、如何处理数据中的缺失值、如何为数据生成和管理元数据。这些看似基础但至关重要的环节,往往容易被忽视,而这本书的出现,提醒了我这些细节的重要性,并且提供了具体的解决方案。例如,在分析人口普查数据时,我曾遇到过不同行政区划边界不匹配的问题,通过书中介绍的几何操作和空间参照系转换技巧,我能够有效地解决这个问题,确保了分析结果的准确性。

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对于那些对空间统计感兴趣的读者来说,这本书的内容绝对会让你惊喜连连。我一直认为,仅仅识别空间模式是不够的,我们还需要量化这些模式的显著性,理解其背后的驱动因素。这本书恰恰满足了这一需求,它系统地介绍了诸如空间自相关(Moran's I, Geary's C)、聚类分析(Getis-Ord Gi*)等核心的空间统计方法,并展示了如何使用 PySAL(Python Spatial Analysis Library)这样的专业库来实现这些分析。PySAL的强大之处在于它提供了一套非常全面和灵活的空间计量经济学工具,能够帮助我们深入挖掘地理空间数据中的隐藏关系。书中对于 Moran's I 的讲解,我印象尤为深刻,它不仅给出了计算公式和代码实现,更重要的是解释了 Moran's I 的统计学意义,以及如何解释其计算结果,判断数据是否存在空间聚集或空间发散。这对于我理解城市发展中房价的分布规律、疾病的传播模式等问题,提供了非常有力的分析工具。

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