Strumento di ritaglio GIS: ritaglia layer vettoriali su un confine

Cosa fa lo strumento di ritaglio

Ritaglia (Clip) è uno degli strumenti più usati nei GIS. Gli dai due layer. Il primo è il layer di input: i dati che vuoi tagliare, per esempio strade, fiumi, fermate dell'autobus o particelle catastali. Il secondo è il layer di ritaglio: uno o più poligoni che descrivono la tua area di interesse, per esempio il confine di un comune o l'area di un progetto. Lo strumento funziona come una formina per biscotti. Tiene solo le parti dell'input che cadono dentro i poligoni di ritaglio e scarta tutto il resto.

L'output ha lo stesso tipo di geometria dell'input. Le strade ritagliate restano linee, le fermate ritagliate restano punti e le particelle ritagliate restano poligoni. Una strada che attraversa il confine viene tagliata esattamente nel punto in cui lo attraversa, e resta solo il tratto interno. La tabella degli attributi dell'input viene copiata senza modifiche, quindi una strada mantiene il nome, il tipo e ogni altro campo. Il layer di ritaglio dà solo la sua forma. I suoi attributi non vengono aggiunti. È la stessa regola che segue lo strumento Ritaglia in ArcGIS Pro, in ArcMap e in QGIS.

Ho creato questo strumento per i tanti piccoli ritagli che non giustificano l'apertura di un GIS desktop. Puoi trascinare sulla mappa uno Shapefile zippato, GeoJSON, KML, KMZ, GPX o WKT, oppure disegnare le tue forme e i tuoi rettangoli di ritaglio. Scegli il layer di input e quello di ritaglio, fai clic su Clip e scarica il risultato. Tutto il calcolo avviene nel tuo browser con librerie di geometria open source, quindi i tuoi file non lasciano mai il computer. La mappa parte senza mappa di base per restare veloce e tenere l'attenzione sui tuoi dati. Puoi attivare una mappa stradale o satellitare quando vuoi.

Formati di file supportati

Puoi caricare più file insieme e mescolare i formati. Ogni file diventa un layer nel pannello Layers. Un layer può contenere nello stesso momento punti, linee e poligoni, e ognuno viene ritagliato con il metodo giusto.

Ogni file può arrivare a 50 MB. Per dataset nazionali molto grandi, un GIS desktop resta la scelta migliore. Vedi il confronto più in basso in questa pagina.

Dettagli tecnici

Ecco esattamente cosa fa lo strumento con i tuoi dati. Se conosci lo strumento Ritaglia di ArcGIS Pro o di QGIS, quasi tutto ti sembrerà familiare.

Tipi di geometria in input

Point, MultiPoint, LineString, MultiLineString, Polygon e MultiPolygon. Uno stesso layer può mescolarli tutti.

Tipi di geometria di ritaglio

Polygon e MultiPolygon, con o senza buchi. Un layer senza poligoni non può essere scelto come layer di ritaglio.

Più poligoni di ritaglio

Tutti i poligoni del layer di ritaglio vengono fusi (dissolti) in un'unica maschera prima del ritaglio. Dove i poligoni di ritaglio si sovrappongono, l'input viene tagliato una volta sola, quindi non ottieni elementi doppi.

Attributi

Ogni attributo dell'elemento di input viene copiato senza modifiche. Gli attributi del layer di ritaglio non vengono aggiunti (per quelli usa lo Strumento di Intersezione tra Poligoni). Come opzione, lo strumento aggiunge clip_status (inside o clipped), clip_area_m2, clip_length_m o clip_points.

Sistema di coordinate

Longitudine e latitudine WGS84 (EPSG:4326), come GeoJSON. Uno Shapefile zippato con file .prj viene convertito in WGS84 al caricamento.

Modello geometrico

Il taglio avviene su un piano in gradi, lo stesso modello di Turf.js e della maggior parte delle librerie GIS web. Aree e lunghezze nel pannello dei risultati sono misurate sulla sfera (geodetiche), in metri quadrati e metri.

Regola del confine

Un punto esattamente sul confine di ritaglio viene mantenuto. Anche un tratto di linea che corre lungo il confine viene mantenuto. ArcGIS e QGIS seguono la stessa regola.

Quota (Z)

I valori Z esistenti restano sui loro vertici. Un nuovo vertice creato dove una linea viene tagliata riceve un valore Z interpolato tra i due vicini.

Output multiparte

Se un elemento viene tagliato in più pezzi, i pezzi restano insieme in un unico elemento multiparte (MultiLineString, MultiPolygon o MultiPoint), come in ArcGIS Pro. Spunta "Split multipart results" per avere un elemento per pezzo.

Geometria non valida

Se un elemento di input ha una geometria rotta (per esempio un poligono che si interseca da solo), quell'elemento viene saltato e contato, e il resto del layer viene comunque ritagliato.

Limiti

50 MB per file. Puoi caricare più file insieme. La velocità dipende dal tuo dispositivo. Decine di migliaia di elementi si ritagliano di solito in circa un secondo.

Privacy

Tutto gira nel tuo browser. Nessun file e nessuna geometria vengono inviati a un server.

Come usare lo strumento di ritaglio, passo dopo passo

Ecco tutto il procedimento con i dati di esempio integrati. Con i tuoi file funziona allo stesso modo.

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Passo 1: Apri lo strumento

La mappa si apre vuota e senza mappa di base, quindi non viene caricato nulla che non ti serve. La barra degli strumenti ha gli strumenti di disegno Point, Line, Polygon e Clip Rectangle, un pulsante Upload e un pulsante Sample Data.

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Passo 2: Aggiungi un layer di input e un layer di ritaglio

Trascina i tuoi file sulla mappa o fai clic su Upload. Qui ho fatto clic su Sample Data: aggiunge un layer di città con particelle, strade e punti, e un poligono di area di studio con un lago ritagliato al suo interno.

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Passo 3: Scegli i layer e le opzioni

Nel pannello Clip, scegli il layer di input (i dati da tagliare) e il layer di ritaglio (il confine poligonale). Nella lista di ritaglio compaiono solo i layer con poligoni. Decidi se vuoi i campi aggiuntivi clip_status, area e lunghezza, e se i risultati multiparte vanno separati.

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Passo 4: Fai clic su Clip Layer

Il risultato compare come nuovo layer a colore pieno, e il layer di input viene nascosto. Il riquadro dei risultati mostra quanti elementi sono entrati e usciti, quanti erano completamente dentro, tagliati sul confine o scartati, e l'area, la lunghezza e il numero di punti mantenuti.

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Passo 5: Controlla il risultato con una mappa di base e gli attributi

Spunta "Show basemap" per vedere il risultato su una mappa stradale o satellitare. Fai clic su un elemento ritagliato per aprire i suoi attributi. Ci sono tutti i campi originali, più i campi di ritaglio opzionali.

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Passo 6: Scarica il layer ritagliato

Nel pannello Export, scegli il layer e scaricalo come GeoJSON, KML o CSV con una colonna WKT. La piccola freccia accanto a ogni layer nel pannello Layers è un download GeoJSON rapido.

Come ritagliare un poligono (e linee e punti)

L'idea è la stessa in ogni programma GIS: un layer viene tagliato, un altro layer taglia. Ecco come ritagliare un layer di poligoni in questo strumento, in ArcGIS Pro, in ArcMap e in QGIS, e come farlo con uno script in arcpy.

Lo stesso ritaglio in codice

Se ritagli lo stesso tipo di dati ogni settimana, uno script ti fa risparmiare tempo. Tutti questi esempi tagliano un layer di strade su un poligono di area di studio.

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)

Il mio parere: per un ritaglio singolo su un file di dimensioni normali, questo strumento è la via più rapida dal file al risultato. Per ritagli che si ripetono o fanno parte di un flusso più grande, scrivi una volta uno script arcpy o PyQGIS e riusalo.

Come funziona lo strumento, passo dopo passo

Questo è il percorso dei tuoi dati dal clic su Clip Layer in poi. Ogni passo gira nel tuo browser.

1. Leggere e pulire l'input. Ogni file viene trasformato in elementi GeoJSON in WGS84. Una GeometryCollection viene divisa in elementi separati con gli stessi attributi, così il ritagliatore vede solo tipi di geometria semplici.
2. Dissolvere il layer di ritaglio. Tutti i poligoni del layer di ritaglio vengono fusi in un'unica geometria, la maschera M, con un'unione di poligoni. I buchi restano buchi. Poiché i poligoni di ritaglio sovrapposti diventano una sola forma, una strada dentro due poligoni sovrapposti viene mantenuta una volta sola.
3. Test rapido del riquadro di delimitazione. Lo strumento confronta il riquadro di delimitazione di ogni elemento di input con quello di M. Se i due riquadri non si toccano, l'elemento non può essere dentro e viene scartato subito, senza altri calcoli. Sui layer grandi questo evita la maggior parte del lavoro.
4. Ritagliare i punti. Ogni punto passa un test di punto nel poligono contro M. I punti dentro o sul confine vengono mantenuti. In un MultiPoint restano solo i punti interni.
5. Ritagliare le linee. Ogni segmento di linea viene confrontato con ogni lato di M che si trova vicino. Lo strumento trova ogni punto in cui il segmento attraversa un lato e lo taglia lì. Poi guarda il centro di ogni pezzetto: se il centro è dentro M, il pezzo resta. I pezzi che si toccano vengono riuniti in una sola linea.
6. Ritagliare i poligoni. Ogni poligono viene intersecato con M tramite un algoritmo booleano a linea di scansione (Martinez-Rueda). Questo restituisce l'area comune esatta, compresi nuovi buchi dove M ha buchi.
7. Copiare gli attributi e aggiungere campi. Ogni elemento di output riceve una copia di tutti gli attributi del suo elemento di input. Se lo hai chiesto, lo strumento aggiunge clip_status e l'area, la lunghezza o il numero di punti mantenuti. Se hai spuntato l'opzione multiparte, qui i risultati multiparte vengono divisi in parti singole.
8. Riepilogare e disegnare. Lo strumento conta gli elementi completamente dentro, tagliati sul confine, scartati o saltati, somma l'area e la lunghezza mantenute e aggiunge il risultato come nuovo layer sulla mappa. Il layer di input viene nascosto perché tu veda bene il risultato.

I passi sono divisi così perché ogni tipo di geometria richiede calcoli diversi. Ai punti basta un test dentro o fuori. Le linee hanno bisogno dei punti di attraversamento. I poligoni hanno bisogno di una sovrapposizione booleana completa. Usare per ogni tipo il metodo corretto più economico mantiene lo strumento veloce.

La teoria e la matematica del ritaglio

Ritagliare sembra semplice su una mappa, ma si basa su alcuni risultati classici della geometria computazionale. Eccoli, nell'ordine in cui lo strumento li usa.

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

M = M₁ ∪ M₂ ∪ … ∪ Mₖ     (tutti i poligoni di ritaglio, fusi prima)

Punto P = (x, y). Lato da (xi, yi) a (xj, yj).

Il lato viene attraversato quando:
  (yi > y) ≠ (yj > y)
  e  x < xi + (y − yi) · (xj − xi) / (yj − yi)

P è dentro  ⇔  il numero di lati attraversati è dispari

Segmento: P(t) = p + t · r,   r = q − p,   0 ≤ t ≤ 1
Lato:     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)

Attraversamento reale  ⇔  0 < t < 1  e  0 ≤ u ≤ 1
cross(r, s) = 0  ⇔  segmento e lato sono paralleli

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

Pezzo (t)      Centro x   Test          Resta
0.00 – 0.25    −2.5       fuori         no
0.25 – 0.45     2.0       dentro        sì → (0, 5) – (4, 5)
0.45 – 0.55     5.0       nel buco      no
0.55 – 0.75     8.0       dentro        sì → (6, 5) – (10, 5)
0.75 – 1.00    12.5       fuori         no

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

Area di un anello (λ = longitudine, φ = latitudine, in radianti):
A = (R² / 2) · | Σ (λ(i+1) − λ(i−1)) · sin φi |

Lunghezza di un segmento (haversine):
h = sin²(Δφ / 2) + cos φ1 · cos φ2 · sin²(Δλ / 2)
d = 2R · asin(√h)

R = 6 371 008.8 m

Il miglior strumento di ritaglio GIS: questo strumento, ArcGIS Pro e QGIS a confronto

Mi chiedono spesso quale sia il miglior strumento di ritaglio nei GIS. La risposta onesta è che dipende dal lavoro. Ecco un confronto affiancato.

Il mio consiglio: se hai già ArcGIS Pro e i tuoi dati stanno in un geodatabase, usa lì Clip o Pairwise Clip. I risultati si integrano con il resto del progetto, e arcpy ti permette di ripetere il lavoro. Se vuoi un GIS desktop completo senza costi, QGIS ha un ottimo strumento Ritaglia e legge quasi ogni formato.

Questo strumento vince quando conta soprattutto andare veloce dal file al risultato: un collega ti manda un KML o uno Shapefile zippato, ti serve solo la parte dentro il confine di un sito e non vuoi installare o aprire nulla. È comodo anche su un computer dove non puoi installare programmi, ed è un modo chiaro per imparare cosa fa Clip, perché vedi ogni passo sulla mappa.

10 casi d'uso reali

Clip si usa in quasi ogni settore che lavora con le mappe. Questi sono i lavori che vedo più spesso.

1. Strade dentro un confine comunale. Una pianificatrice dei trasporti ha la rete stradale nazionale, ma le servono solo le strade di una città. Ritagliare la rete sul confine comunale dà la lunghezza esatta delle strade in città, pronta per un report o un modello di traffico.
2. Valutazione di impatto ambientale. I consulenti ritagliano carte degli habitat, aree protette e zone umide sull'impronta di un progetto o sul suo buffer. Il risultato mostra quali habitat tocca il progetto e quanti ettari di ciascuno verrebbero interessati.
3. Pianificazione di aziende agricole e campi. Un agricoltore o un agronomo ritaglia una carta regionale dei suoli sui confini dei campi. Ogni campo ha così i suoi poligoni di suolo con gli attributi originali, la base per piani di concimazione o semina a rateo variabile.
4. Reti di servizi per zona. Le aziende di acqua, energia e telecomunicazioni ritagliano tubazioni, cavi o fibra su un distretto di manutenzione o un'area di servizio. Ogni squadra riceve solo la sua parte di rete, e la lunghezza ritagliata aiuta a pianificare e a fare il budget.
5. Particelle e zonizzazione di un'area di sviluppo. Urbanisti e analisti immobiliari ritagliano i layer catastali e di zonizzazione su un'area di sviluppo prevista. Gli attributi, come proprietario, uso del suolo e codice di zona, restano su ogni particella ritagliata.
6. Emergenze nelle zone alluvionali. La protezione civile ritaglia edifici, scuole, ospedali e strade su una zona alluvionale o di evacuazione. L'output è l'elenco dei beni a rischio con i loro attributi, che può entrare direttamente in un piano di intervento.
7. Tracce GPS dentro un parco. Guardiaparco ed escursionisti ritagliano tracce GPX sul confine di un parco nazionale o di una riserva naturale. Così vedono quanti chilometri di un percorso passano davvero nel parco, con la quota mantenuta su ogni punto.
8. Selvicoltura e tagli boschivi. I forestali ritagliano i poligoni dei popolamenti su una particella di taglio o un'unità amministrativa. I popolamenti ritagliati mantengono specie, età e provvigione, e l'area ritagliata entra direttamente nel calcolo del taglio.
9. File più leggeri per le mappe web. Gli sviluppatori web partono spesso da un grande GeoJSON o Shapefile nazionale. Ritagliarlo sulla regione mostrata dalla mappa può ridurre molto la dimensione del file, e la mappa web si carica molto più in fretta.
10. Ricerca e didattica. I ricercatori ritagliano punti di rilievo, stazioni o traiettorie sulla loro area di studio prima delle statistiche. Gli insegnanti usano lo strumento nei corsi di GIS perché gli studenti vedono come funziona Clip senza installare programmi.

Domande frequenti

Venti domande comuni sul ritaglio nei GIS, con risposte dirette.

Librerie usate e ringraziamenti

Questo strumento è costruito su software open source. Grazie di cuore alle persone che scrivono e mantengono questi progetti.

• Leaflet 1.9 · BSD-2-Clause · Volodymyr Agafonkin and contributors
  Disegna la mappa interattiva, i layer, gli strumenti di disegno e i popup.
• Turf.js 7 (@turf/intersect, @turf/union, @turf/area, @turf/boolean-point-in-polygon) · MIT · Turf authors
  Intersezione di poligoni per ritagliare i poligoni, unione per dissolvere il layer di ritaglio, area geodetica e test di punto nel poligono.
• polyclip-ts · MIT · Luiz Felipe Machado Barboza, based on polygon-clipping by Mike Fogel
  Il motore booleano per poligoni dietro intersect e union di Turf. Usa l'algoritmo a linea di scansione di Martinez-Rueda con aritmetica a precisione arbitraria.
• point-in-polygon-hao · MIT · Rowan Winsemius
  Il test veloce di punto nel poligono che decide quali punti e tratti di linea sono dentro l'area di ritaglio.
• shpjs · MIT · Calvin Metcalf
  Legge gli Shapefile Esri zippati (.shp, .shx, .dbf, .prj, .cpg) nel browser.
• proj4js · MIT · proj4js contributors
  Converte gli Shapefile proiettati in WGS84 grazie al loro file .prj (usato da shpjs).
• @tmcw/togeojson · BSD-2-Clause · Tom MacWright
  Converte i file KML e GPX in GeoJSON.
• JSZip · MIT or GPL-3.0 · Stuart Knightley
  Apre gli archivi KMZ per leggere il file KML che contengono.
• @terraformer/wkt · MIT · Terraformer contributors
  Legge l'input WKT e scrive la colonna di geometria WKT nell'esportazione CSV.
• OpenStreetMap, Protomaps (hosted by KONAKTIVE), CARTO, Esri World Imagery · ODbL / provider terms · OpenStreetMap contributors, Protomaps, KONAKTIVE, CARTO, Esri
  Tessere e immagini della mappa di base, mostrate solo quando attivi la mappa di base.

Il passo di ritaglio delle linee (dividere i segmenti agli attraversamenti del confine e testare ogni pezzo) è stato scritto per questo strumento. Il motore di ritaglio è verificato da test automatici che coprono linee che attraversano buchi, linee lungo il confine, punti sul bordo, poligoni sopra buchi, poligoni di ritaglio sovrapposti e l'interpolazione di Z.

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