GIS-Clip-Tool: Vektorlayer auf eine Grenze zuschneiden

Was das Clip-Tool macht

Clip (Ausschneiden) ist eines der meistgenutzten Werkzeuge im GIS. Sie geben ihm zwei Layer. Der erste ist der Eingabelayer: die Daten, die Sie zuschneiden möchten, zum Beispiel Straßen, Flüsse, Bushaltestellen oder Flurstücke. Der zweite ist der Clip-Layer: ein oder mehrere Polygone, die Ihr Gebiet beschreiben, zum Beispiel eine Stadtgrenze oder ein Projektgelände. Das Tool arbeitet wie eine Ausstechform. Es behält nur die Teile der Eingabe, die innerhalb der Clip-Polygone liegen, und verwirft alles außerhalb.

Die Ausgabe hat denselben Geometrietyp wie die Eingabe. Zugeschnittene Straßen bleiben Linien, zugeschnittene Bushaltestellen bleiben Punkte und zugeschnittene Flurstücke bleiben Polygone. Eine Straße, die die Grenze kreuzt, wird genau an der Kreuzung geschnitten, und nur das innere Stück bleibt. Die Attributtabelle der Eingabe wird unverändert übernommen, eine Straße behält also ihren Namen, ihren Typ und jedes andere Feld. Der Clip-Layer liefert nur seine Form. Seine eigenen Attribute werden nicht hinzugefügt. Nach derselben Regel arbeitet das Clip-Werkzeug in ArcGIS Pro, in ArcMap und in QGIS.

Ich habe dieses Tool für die vielen kleinen Clip-Aufgaben gebaut, für die es sich nicht lohnt, ein Desktop-GIS zu öffnen. Sie können ein gezipptes Shapefile, GeoJSON, KML, KMZ, GPX oder WKT auf die Karte ziehen oder eigene Formen und Clip-Rechtecke zeichnen. Wählen Sie Eingabe- und Clip-Layer, klicken Sie auf Clip und laden Sie das Ergebnis herunter. Die ganze Berechnung läuft in Ihrem Browser mit Open-Source-Geometriebibliotheken, Ihre Dateien verlassen also nie Ihren Computer. Die Karte startet ohne Basiskarte, damit sie schnell bleibt und Ihre Daten im Mittelpunkt stehen. Eine Straßen- oder Satellitenkarte können Sie jederzeit einschalten.

Unterstützte Dateiformate

Sie können mehrere Dateien auf einmal laden und Formate mischen. Jede Datei wird ein eigener Layer im Layers-Bereich. Ein Layer darf gleichzeitig Punkte, Linien und Polygone enthalten, und jedes Objekt wird mit der passenden Methode zugeschnitten.

Jede Datei darf bis zu 50 MB groß sein. Für sehr große landesweite Datensätze ist ein Desktop-GIS weiterhin die bessere Wahl. Siehe den Vergleich weiter unten auf dieser Seite.

Technische Details

Hier steht genau, was das Tool mit Ihren Daten macht. Wenn Sie das Clip-Werkzeug aus ArcGIS Pro oder QGIS kennen, kommt Ihnen das meiste bekannt vor.

Eingabe-Geometrietypen

Point, MultiPoint, LineString, MultiLineString, Polygon und MultiPolygon. Ein einzelner Layer darf alle mischen.

Clip-Geometrietypen

Polygon und MultiPolygon, mit oder ohne Löcher. Ein Layer ohne Polygone kann nicht als Clip-Layer gewählt werden.

Mehrere Clip-Polygone

Alle Polygone des Clip-Layers werden vor dem Zuschneiden zu einer Maske verschmolzen (aufgelöst). Wo sich Clip-Polygone überlappen, wird die Eingabe trotzdem nur einmal geschnitten, Sie erhalten also keine doppelten Objekte.

Attribute

Jedes Attribut des Eingabeobjekts wird unverändert kopiert. Attribute des Clip-Layers werden nicht hinzugefügt (dafür gibt es das Polygon-Intersection-Tool). Optional ergänzt das Tool clip_status (inside oder clipped), clip_area_m2, clip_length_m oder clip_points.

Koordinatensystem

WGS84 Länge und Breite (EPSG:4326), wie bei GeoJSON. Ein gezipptes Shapefile mit .prj-Datei wird beim Laden nach WGS84 umgerechnet.

Geometriemodell

Geschnitten wird auf einer flachen Ebene in Grad, nach demselben Modell wie Turf.js und die meisten Web-GIS-Bibliotheken. Flächen und Längen im Ergebnisfeld werden auf der Kugel (geodätisch) in Quadratmetern und Metern gemessen.

Grenzregel

Ein Punkt genau auf der Clip-Grenze bleibt erhalten. Ein Linienstück, das entlang der Grenze verläuft, bleibt ebenfalls erhalten. ArcGIS und QGIS folgen derselben Regel.

Höhe (Z)

Vorhandene Z-Werte bleiben an ihren Stützpunkten. Ein neuer Stützpunkt an einer Schnittstelle erhält einen Z-Wert, der zwischen seinen beiden Nachbarn interpoliert wird.

Mehrteilige Ausgabe

Wird ein Objekt in mehrere Stücke geschnitten, bleiben die Stücke als ein mehrteiliges Objekt zusammen (MultiLineString, MultiPolygon oder MultiPoint), wie in ArcGIS Pro. Mit „Split multipart results“ erhalten Sie ein Objekt pro Stück.

Ungültige Geometrie

Hat ein Eingabeobjekt eine fehlerhafte Geometrie (zum Beispiel ein sich selbst kreuzendes Polygon), wird dieses Objekt übersprungen und gezählt, und der Rest des Layers wird trotzdem zugeschnitten.

Grenzen

50 MB pro Datei. Sie können mehrere Dateien auf einmal hochladen. Die Geschwindigkeit hängt von Ihrem Gerät ab. Zehntausende Objekte sind meist in etwa einer Sekunde zugeschnitten.

Datenschutz

Alles läuft in Ihrem Browser. Keine Datei und keine Geometrie wird an einen Server gesendet.

So verwenden Sie das Clip-Tool, Schritt für Schritt

Hier ist der ganze Ablauf mit den eingebauten Beispieldaten. Mit Ihren eigenen Dateien funktioniert es genauso.

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Schritt 1: Tool öffnen

Die Karte öffnet sich leer und ohne Basiskarte, es wird also nichts geladen, was Sie nicht brauchen. Die Werkzeugleiste hat die Zeichenwerkzeuge Point, Line, Polygon und Clip Rectangle, einen Upload-Button und einen Sample-Data-Button.

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Schritt 2: Eingabelayer und Clip-Layer hinzufügen

Ziehen Sie Ihre Dateien auf die Karte oder klicken Sie auf Upload. Hier habe ich auf Sample Data geklickt: Das fügt einen Stadtlayer mit Flurstücken, Straßen und Punkten hinzu und ein Untersuchungsgebiet, aus dem ein See ausgeschnitten ist.

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Schritt 3: Layer und Optionen wählen

Wählen Sie im Clip-Bereich den Eingabelayer (die zu schneidenden Daten) und den Clip-Layer (die Polygongrenze). In der Clip-Liste erscheinen nur Layer mit Polygonen. Legen Sie fest, ob Sie die zusätzlichen Felder clip_status, Fläche und Länge möchten und ob mehrteilige Ergebnisse aufgeteilt werden sollen.

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Schritt 4: Auf Clip Layer klicken

Das Ergebnis erscheint als neuer Layer in voller Farbe, und der Eingabelayer wird ausgeblendet. Das Ergebnisfeld zeigt, wie viele Objekte hinein- und herausgingen, wie viele ganz innen lagen, an der Grenze geschnitten oder verworfen wurden, und die behaltene Gesamtfläche, Länge und Punktzahl.

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Schritt 5: Ergebnis mit Basiskarte und Attributen prüfen

Setzen Sie das Häkchen bei „Show basemap“, um das Ergebnis auf einer Straßen- oder Satellitenkarte zu sehen. Klicken Sie auf ein zugeschnittenes Objekt, um seine Attribute zu öffnen. Alle ursprünglichen Felder sind da, dazu die optionalen Clip-Felder.

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Schritt 6: Zugeschnittenen Layer herunterladen

Wählen Sie im Export-Bereich den Layer und laden Sie ihn als GeoJSON, KML oder CSV mit WKT-Spalte herunter. Der kleine Pfeil neben jedem Layer im Layers-Bereich ist ein schneller GeoJSON-Download.

So schneiden Sie ein Polygon zu (und Linien und Punkte)

Die Idee ist in jedem GIS-Programm gleich: Ein Layer wird geschnitten, ein anderer Layer schneidet. So schneiden Sie einen Polygonlayer in diesem Tool, in ArcGIS Pro, in ArcMap und in QGIS zu, und so geht es per Skript mit arcpy.

Derselbe Zuschnitt im Code

Wenn Sie jede Woche dieselbe Art von Daten zuschneiden, spart ein Skript Zeit. Alle Beispiele schneiden einen Straßenlayer auf ein Untersuchungsgebiet zu.

import arcpy

arcpy.env.workspace = r"C:\data\city.gdb"

# ArcGIS Pro: Analysis toolbox > Extract > Clip
arcpy.analysis.Clip("roads", "study_area", "roads_clip")

# Older ArcMap syntax (same tool, old name)
arcpy.Clip_analysis("roads", "study_area", "roads_clip")

# QGIS Python console: Vector > Geoprocessing Tools > Clip
processing.run("native:clip", {
    "INPUT": "C:/data/roads.shp",
    "OVERLAY": "C:/data/study_area.shp",
    "OUTPUT": "C:/data/roads_clip.gpkg",
})

# GDAL / OGR command line
ogr2ogr -clipsrc study_area.shp roads_clip.gpkg roads.shp

# GeoPandas
import geopandas as gpd
roads = gpd.read_file("roads.shp")
area = gpd.read_file("study_area.shp")
roads_clip = gpd.clip(roads, area)

Meine Einschätzung: Für einen einzelnen Zuschnitt einer normal großen Datei ist dieses Tool der schnellste Weg von der Datei zum Ergebnis. Für Zuschnitte, die sich wiederholen oder Teil eines größeren Ablaufs sind, schreiben Sie einmal ein arcpy- oder PyQGIS-Skript und verwenden es wieder.

So arbeitet das Tool, Schritt für Schritt

Das ist der Weg Ihrer Daten ab dem Klick auf Clip Layer. Jeder Schritt läuft in Ihrem Browser.

1. Eingabe lesen und bereinigen. Jede Datei wird in GeoJSON-Objekte in WGS84 umgewandelt. Eine GeometryCollection wird in einzelne Objekte mit denselben Attributen zerlegt, damit der Clipper nur einfache Geometrietypen sieht.
2. Clip-Layer auflösen. Alle Polygone des Clip-Layers werden mit einer Polygon-Vereinigung zu einer Geometrie verschmolzen, der Maske M. Löcher bleiben Löcher. Weil überlappende Clip-Polygone zu einer Form werden, bleibt eine Straße in zwei überlappenden Clip-Polygonen trotzdem nur einmal erhalten.
3. Schneller Bounding-Box-Test. Das Tool vergleicht die Bounding Box jedes Eingabeobjekts mit der Bounding Box von M. Berühren sich die beiden Boxen nicht, kann das Objekt nicht innen liegen und wird sofort verworfen, ohne weitere Rechnung. Bei großen Layern spart das den Großteil der Arbeit.
4. Punkte zuschneiden. Jeder Punkt wird mit einem Punkt-in-Polygon-Test gegen M geprüft. Punkte innen oder auf der Grenze bleiben. Bei einem MultiPoint bleiben nur die inneren Punkte.
5. Linien zuschneiden. Jedes Liniensegment wird gegen jede Kante von M in seiner Nähe geprüft. Das Tool findet jede Stelle, an der das Segment eine Kante kreuzt, und schneidet es dort. Dann prüft es die Mitte jedes kleinen Stücks: Liegt die Mitte in M, bleibt das Stück. Stücke, die sich berühren, werden wieder zu einer Linie verbunden.
6. Polygone zuschneiden. Jedes Polygon wird mit einem Sweep-Line-Algorithmus für boolesche Operationen (Martinez-Rueda) mit M verschnitten. Das liefert die exakte gemeinsame Fläche, einschließlich neuer Löcher dort, wo M Löcher hat.
7. Attribute kopieren und Felder ergänzen. Jedes Ausgabeobjekt erhält eine Kopie aller Attribute seines Eingabeobjekts. Falls gewünscht, ergänzt das Tool clip_status und die behaltene Fläche, Länge oder Punktzahl. Ist die Multipart-Option aktiv, werden mehrteilige Ergebnisse hier in Einzelteile aufgeteilt.
8. Auswerten und zeichnen. Das Tool zählt Objekte, die ganz innen lagen, an der Grenze geschnitten, verworfen oder übersprungen wurden, summiert die behaltene Fläche und Länge und fügt das Ergebnis als neuen Layer zur Karte hinzu. Der Eingabelayer wird ausgeblendet, damit Sie das Ergebnis klar sehen.

Die Schritte sind so aufgeteilt, weil jeder Geometrietyp andere Mathematik braucht. Punkte brauchen nur einen Innen/Außen-Test. Linien brauchen Schnittpunkte. Polygone brauchen eine vollständige boolesche Überlagerung. Für jeden Typ die günstigste korrekte Methode zu nutzen, hält das Tool schnell.

Theorie und Mathematik hinter dem Zuschneiden

Zuschneiden sieht auf der Karte einfach aus, beruht aber auf einigen klassischen Ergebnissen der algorithmischen Geometrie. Hier sind sie, in der Reihenfolge, in der das Tool sie nutzt.

Clip(A, M) = { a ∩ M  :  a ∈ A  und  a ∩ M ≠ ∅ }

M = M₁ ∪ M₂ ∪ … ∪ Mₖ     (alle Clip-Polygone, zuerst verschmolzen)

Punkt P = (x, y). Kante von (xi, yi) nach (xj, yj).

Die Kante wird gekreuzt, wenn:
  (yi > y) ≠ (yj > y)
  und  x < xi + (y − yi) · (xj − xi) / (yj − yi)

P liegt innen  ⇔  die Zahl der gekreuzten Kanten ist ungerade

Segment:  P(t) = p + t · r,   r = q − p,   0 ≤ t ≤ 1
Kante:    E(u) = a + u · s,   s = b − a,   0 ≤ u ≤ 1

cross(v, w) = v.x · w.y − v.y · w.x
w = a − p

t = cross(w, s) / cross(r, s)
u = cross(w, r) / cross(r, s)

Echte Kreuzung  ⇔  0 < t < 1  und  0 ≤ u ≤ 1
cross(r, s) = 0  ⇔  Segment und Kante sind parallel

Straße:  p = (−5, 5)   q = (15, 5)   r = (20, 0)

Stück (t)      Mitte x    Test          Bleibt
0.00 – 0.25    −2.5       außen         nein
0.25 – 0.45     2.0       innen         ja → (0, 5) – (4, 5)
0.45 – 0.55     5.0       im Loch       nein
0.55 – 0.75     8.0       innen         ja → (6, 5) – (10, 5)
0.75 – 1.00    12.5       außen         nein

Ergebnis: MultiLineString [ (0,5)–(4,5) , (6,5)–(10,5) ]

Ringfläche (λ = Länge, φ = Breite, im Bogenmaß):
A = (R² / 2) · | Σ (λ(i+1) − λ(i−1)) · sin φi |

Segmentlänge (Haversine):
h = sin²(Δφ / 2) + cos φ1 · cos φ2 · sin²(Δλ / 2)
d = 2R · asin(√h)

R = 6 371 008.8 m

Das beste Clip-Tool im GIS: dieses Tool, ArcGIS Pro und QGIS im Vergleich

Ich werde oft gefragt, welches das beste Clip-Tool im GIS ist. Die ehrliche Antwort: Es hängt von der Aufgabe ab. Hier ein direkter Vergleich.

Meine Empfehlung: Wenn Sie ArcGIS Pro bereits haben und Ihre Daten in einer Geodatabase liegen, nutzen Sie dort Clip oder Pairwise Clip. Die Ergebnisse passen zum Rest Ihres Projekts, und mit arcpy können Sie die Aufgabe wiederholen. Wenn Sie ein vollständiges Desktop-GIS ohne Kosten möchten, hat QGIS ein ausgezeichnetes Clip-Werkzeug und liest fast jedes Format.

Dieses Tool gewinnt, wenn der schnelle Weg von der Datei zum Ergebnis am meisten zählt: Ein Kollege schickt Ihnen eine KML oder ein gezipptes Shapefile, Sie brauchen nur den Teil innerhalb einer Gebietsgrenze, und Sie möchten nichts installieren oder öffnen. Es ist auch praktisch auf einem Rechner, auf dem Sie keine Software installieren dürfen, und es zeigt anschaulich, was Clip macht, weil Sie jeden Schritt auf der Karte sehen.

10 Anwendungsfälle aus der Praxis

Clip wird in fast jedem Fachgebiet genutzt, das mit Karten arbeitet. Diese Aufgaben sehe ich am häufigsten.

1. Straßen innerhalb einer Stadtgrenze. Eine Verkehrsplanerin hat ein landesweites Straßennetz, braucht aber nur die Straßen einer Stadt. Das Zuschneiden des Netzes auf die Stadtgrenze liefert die genaue Straßenlänge innerhalb der Stadt, bereit für einen Bericht oder ein Verkehrsmodell.
2. Umweltverträglichkeitsprüfung. Gutachter schneiden Biotopkarten, Schutzgebiete und Feuchtgebiete auf die Fläche eines Vorhabens oder dessen Puffer zu. Das Ergebnis zeigt, welche Biotope das Vorhaben berührt und wie viele Hektar von jedem betroffen wären.
3. Planung auf Hof und Feld. Ein Landwirt oder Agrarberater schneidet eine regionale Bodenkarte auf die Feldgrenzen zu. Jedes Feld hat dann seine eigenen Bodenpolygone mit den ursprünglichen Bodenattributen, die Grundlage für teilflächenspezifische Dünge- oder Saatpläne.
4. Versorgungsnetze pro Betriebsgebiet. Wasser-, Strom- und Telekommunikationsunternehmen schneiden Leitungen, Kabel oder Glasfaser auf einen Wartungsbezirk oder ein Versorgungsgebiet zu. Jedes Team bekommt nur seinen Teil des Netzes, und die zugeschnittene Länge hilft bei Planung und Budget.
5. Flurstücke und Bebauungspläne für ein Baugebiet. Stadtplaner und Immobilienanalysten schneiden Flurstücks- und Bebauungsplanlayer auf ein geplantes Baugebiet zu. Die Attribute wie Eigentümer, Nutzung und Planzeichen bleiben an jedem zugeschnittenen Flurstück.
6. Katastrophenschutz in Überschwemmungsgebieten. Katastrophenschützer schneiden Gebäude, Schulen, Krankenhäuser und Straßen auf ein Überschwemmungs- oder Evakuierungsgebiet zu. Die Ausgabe ist die Liste der gefährdeten Objekte mit ihren Attributen, die direkt in einen Einsatzplan übernommen werden kann.
7. GPS-Tracks in einem Nationalpark. Parkranger und Wanderer schneiden GPX-Tracks auf die Grenze eines Nationalparks oder Naturschutzgebiets zu. So sehen sie, wie viele Kilometer einer Route wirklich im Park liegen, mit Höhenwerten an jedem Punkt.
8. Forstwirtschaft und Hiebsflächen. Förster schneiden Bestandspolygone auf eine Hiebsfläche oder eine Verwaltungseinheit zu. Die zugeschnittenen Bestände behalten Baumart, Alter und Vorrat, und die zugeschnittene Fläche fließt direkt in die Hiebsberechnung ein.
9. Kleinere Dateien für Webkarten. Webentwickler starten oft mit einem großen landesweiten GeoJSON oder Shapefile. Das Zuschneiden auf die Region, die die Karte zeigt, kann die Dateigröße stark senken, und die Webkarte lädt viel schneller.
10. Forschung und Lehre. Forschende schneiden Erhebungspunkte, Probestellen oder Bewegungsdaten vor der Statistik auf ihr Untersuchungsgebiet zu. Lehrkräfte nutzen das Tool im GIS-Unterricht, weil Studierende sehen, wie Clip arbeitet, ohne Software zu installieren.

Häufig gestellte Fragen

Zwanzig Fragen, die zum Zuschneiden im GIS gestellt werden, mit direkten Antworten.

Verwendete Bibliotheken und Danksagung

Dieses Tool baut auf Open-Source-Software auf. Vielen Dank an die Menschen, die diese Projekte schreiben und pflegen.

• Leaflet 1.9 · BSD-2-Clause · Volodymyr Agafonkin and contributors
  Zeichnet die interaktive Karte, die Layer, die Zeichenwerkzeuge und die Popups.
• Turf.js 7 (@turf/intersect, @turf/union, @turf/area, @turf/boolean-point-in-polygon) · MIT · Turf authors
  Polygon-Verschneidung zum Zuschneiden von Polygonen, Vereinigung zum Auflösen des Clip-Layers, geodätische Fläche und der Punkt-in-Polygon-Test.
• polyclip-ts · MIT · Luiz Felipe Machado Barboza, based on polygon-clipping by Mike Fogel
  Die boolesche Polygon-Engine hinter intersect und union von Turf. Sie nutzt den Sweep-Line-Algorithmus von Martinez-Rueda mit beliebig genauer Arithmetik.
• point-in-polygon-hao · MIT · Rowan Winsemius
  Der schnelle Punkt-in-Polygon-Test, der entscheidet, welche Punkte und Linienstücke im Clip-Gebiet liegen.
• shpjs · MIT · Calvin Metcalf
  Liest gezippte Esri Shapefiles (.shp, .shx, .dbf, .prj, .cpg) im Browser.
• proj4js · MIT · proj4js contributors
  Rechnet projizierte Shapefiles anhand ihrer .prj-Datei nach WGS84 um (wird von shpjs genutzt).
• @tmcw/togeojson · BSD-2-Clause · Tom MacWright
  Wandelt KML- und GPX-Dateien in GeoJSON um.
• JSZip · MIT or GPL-3.0 · Stuart Knightley
  Öffnet KMZ-Archive, um die enthaltene KML-Datei zu lesen.
• @terraformer/wkt · MIT · Terraformer contributors
  Liest WKT-Eingaben und schreibt die WKT-Geometriespalte im CSV-Export.
• OpenStreetMap, Protomaps (hosted by KONAKTIVE), CARTO, Esri World Imagery · ODbL / provider terms · OpenStreetMap contributors, Protomaps, KONAKTIVE, CARTO, Esri
  Kacheln und Luftbilder der Basiskarte, nur sichtbar, wenn Sie die Basiskarte einschalten.

Der Schritt zum Zuschneiden von Linien (Segmente an Grenzkreuzungen teilen und jedes Stück prüfen) wurde für dieses Tool geschrieben. Die Clip-Engine wird mit automatischen Tests geprüft, die Linien durch Löcher, Linien entlang der Grenze, Punkte auf der Kante, Polygone über Löchern, überlappende Clip-Polygone und die Z-Interpolation abdecken.

Verwandte Geoverarbeitungswerkzeuge