Ferramenta de recorte GIS: recorte camadas vetoriais por um limite

O que a ferramenta de recorte faz

Recortar (Clip) é uma das ferramentas mais usadas em GIS. Você entrega duas camadas a ela. A primeira é a camada de entrada: os dados que você quer cortar, por exemplo estradas, rios, pontos de ônibus ou lotes. A segunda é a camada de recorte: um ou mais polígonos que descrevem a sua área de interesse, por exemplo o limite de um município ou a área de um projeto. A ferramenta funciona como um cortador de biscoitos. Ela mantém só as partes da entrada que ficam dentro dos polígonos de recorte e descarta todo o resto.

A saída tem o mesmo tipo de geometria da entrada. Estradas recortadas continuam sendo linhas, pontos de ônibus recortados continuam sendo pontos e lotes recortados continuam sendo polígonos. Uma estrada que atravessa o limite é cortada exatamente onde atravessa, e só o trecho de dentro fica. A tabela de atributos da entrada é copiada sem mudanças, então uma estrada mantém o nome, o tipo e qualquer outro campo. A camada de recorte só entrega a sua forma. Os atributos dela não são adicionados. É a mesma regra que a ferramenta Recortar segue no ArcGIS Pro, no ArcMap e no QGIS.

Criei esta ferramenta para os muitos recortes pequenos que não justificam abrir um GIS de desktop. Você pode arrastar para o mapa um Shapefile compactado em ZIP, GeoJSON, KML, KMZ, GPX ou WKT, ou desenhar as suas próprias formas e retângulos de recorte. Escolha a camada de entrada e a de recorte, clique em Clip e baixe o resultado. Todo o cálculo roda no seu navegador com bibliotecas de geometria de código aberto, então os seus arquivos nunca saem do seu computador. O mapa começa sem mapa base para ficar rápido e manter o foco nos seus dados. Você pode ligar um mapa de ruas ou de satélite quando quiser.

Formatos de arquivo suportados

Você pode carregar vários arquivos de uma vez e misturar formatos. Cada arquivo vira uma camada no painel Layers. Uma camada pode ter pontos, linhas e polígonos ao mesmo tempo, e cada um é recortado com o método certo.

Cada arquivo pode ter até 50 MB. Para conjuntos de dados nacionais muito grandes, um GIS de desktop continua sendo a melhor escolha. Veja a comparação mais abaixo nesta página.

Detalhes técnicos

Aqui está exatamente o que a ferramenta faz com os seus dados. Se você conhece a ferramenta Recortar do ArcGIS Pro ou do QGIS, quase tudo vai parecer familiar.

Tipos de geometria de entrada

Point, MultiPoint, LineString, MultiLineString, Polygon e MultiPolygon. Uma mesma camada pode misturar todos.

Tipos de geometria de recorte

Polygon e MultiPolygon, com ou sem buracos. Uma camada sem polígonos não pode ser escolhida como camada de recorte.

Vários polígonos de recorte

Todos os polígonos da camada de recorte são fundidos (dissolvidos) em uma única máscara antes do recorte. Onde os polígonos de recorte se sobrepõem, a entrada é cortada uma vez só, então você não recebe feições duplicadas.

Atributos

Cada atributo da feição de entrada é copiado sem mudanças. Os atributos da camada de recorte não são adicionados (para isso existe a Ferramenta de Interseção de Polígonos). Como opção, a ferramenta adiciona clip_status (inside ou clipped), clip_area_m2, clip_length_m ou clip_points.

Sistema de coordenadas

Longitude e latitude WGS84 (EPSG:4326), como no GeoJSON. Um Shapefile em ZIP com arquivo .prj é convertido para WGS84 ao carregar.

Modelo geométrico

O corte é feito em um plano em graus, o mesmo modelo usado pelo Turf.js e pela maioria das bibliotecas GIS web. As áreas e comprimentos do painel de resultados são medidos na esfera (geodésicos), em metros quadrados e metros.

Regra do limite

Um ponto exatamente sobre o limite de recorte é mantido. Um trecho de linha que corre ao longo do limite também é mantido. O ArcGIS e o QGIS seguem a mesma regra.

Altitude (Z)

Os valores Z existentes ficam nos seus vértices. Um novo vértice criado onde uma linha é cortada recebe um valor Z interpolado entre os dois vizinhos.

Saída multiparte

Se uma feição é cortada em várias partes, as partes ficam juntas como uma única feição multiparte (MultiLineString, MultiPolygon ou MultiPoint), como no ArcGIS Pro. Marque "Split multipart results" para ter uma feição por parte.

Geometria inválida

Se uma feição de entrada tem geometria quebrada (por exemplo, um polígono que se cruza), essa feição é pulada e contada, e o resto da camada é recortado mesmo assim.

Limites

50 MB por arquivo. Você pode enviar vários arquivos de uma vez. A velocidade depende do seu dispositivo. Dezenas de milhares de feições costumam ser recortadas em cerca de um segundo.

Privacidade

Tudo roda no seu navegador. Nenhum arquivo e nenhuma geometria é enviado a um servidor.

Como usar a ferramenta de recorte, passo a passo

Aqui está o processo completo com os dados de exemplo incluídos. Com os seus próprios arquivos funciona do mesmo jeito.

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Passo 1: Abra a ferramenta

O mapa abre vazio e sem mapa base, então nada que você não precisa é carregado. A barra de ferramentas tem as ferramentas de desenho Point, Line, Polygon e Clip Rectangle, um botão Upload e um botão Sample Data.

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Passo 2: Adicione uma camada de entrada e uma camada de recorte

Arraste os seus arquivos para o mapa ou clique em Upload. Aqui eu cliquei em Sample Data: isso adiciona uma camada de cidade com lotes, estradas e pontos, e um polígono de área de estudo com um lago recortado no meio.

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Passo 3: Escolha as camadas e as opções

No painel Clip, escolha a camada de entrada (os dados a cortar) e a camada de recorte (o limite em polígono). Na lista de recorte só aparecem camadas com polígonos. Decida se você quer os campos extras clip_status, área e comprimento, e se os resultados multiparte devem ser separados.

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Passo 4: Clique em Clip Layer

O resultado aparece como uma nova camada em cor sólida, e a camada de entrada é ocultada. O quadro de resultados mostra quantas feições entraram e saíram, quantas estavam totalmente dentro, quantas foram cortadas no limite ou descartadas, e a área, o comprimento e o número de pontos mantidos.

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Passo 5: Confira o resultado com mapa base e atributos

Marque "Show basemap" para ver o resultado sobre um mapa de ruas ou de satélite. Clique em qualquer feição recortada para abrir os seus atributos. Todos os campos originais estão lá, mais os campos de recorte opcionais.

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Passo 6: Baixe a camada recortada

No painel Export, escolha a camada e baixe como GeoJSON, KML ou CSV com uma coluna WKT. A pequena seta ao lado de cada camada no painel Layers é um download rápido em GeoJSON.

Como recortar um polígono (e linhas e pontos)

A ideia é a mesma em qualquer programa GIS: uma camada é cortada, outra camada corta. Veja como recortar uma camada de polígonos nesta ferramenta, no ArcGIS Pro, no ArcMap e no QGIS, e como fazer isso em um script com arcpy.

O mesmo recorte em código

Se você recorta o mesmo tipo de dado toda semana, um script economiza tempo. Todos estes exemplos cortam uma camada de estradas por um polígono de área de estudo.

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)

Minha opinião: para um recorte avulso em um arquivo de tamanho normal, esta ferramenta é o caminho mais rápido do arquivo ao resultado. Para recortes que se repetem ou fazem parte de um fluxo maior, escreva uma vez um script em arcpy ou PyQGIS e reutilize.

Como a ferramenta funciona, passo a passo

Este é o caminho dos seus dados a partir do clique em Clip Layer. Cada passo roda no seu navegador.

1. Ler e limpar a entrada. Cada arquivo é transformado em feições GeoJSON em WGS84. Uma GeometryCollection é separada em feições independentes com os mesmos atributos, assim o recortador só vê tipos de geometria simples.
2. Dissolver a camada de recorte. Todos os polígonos da camada de recorte são fundidos em uma única geometria, a máscara M, com uma união de polígonos. Buracos continuam sendo buracos. Como polígonos de recorte sobrepostos viram uma só forma, uma estrada dentro de dois polígonos sobrepostos é mantida uma vez só.
3. Teste rápido da caixa envolvente. A ferramenta compara a caixa envolvente de cada feição de entrada com a caixa envolvente de M. Se as duas caixas não se tocam, a feição não pode estar dentro e é descartada na hora, sem mais cálculos. Em camadas grandes isso poupa a maior parte do trabalho.
4. Recortar pontos. Cada ponto passa por um teste de ponto em polígono contra M. Pontos dentro ou sobre o limite são mantidos. Em um MultiPoint, só os pontos de dentro ficam.
5. Recortar linhas. Cada segmento de linha é comparado com cada aresta de M que está perto dele. A ferramenta encontra cada lugar onde o segmento cruza uma aresta e corta ali. Depois olha o meio de cada pedaço: se o meio está dentro de M, o pedaço fica. Pedaços que se tocam são unidos de novo em uma única linha.
6. Recortar polígonos. Cada polígono é intersectado com M por um algoritmo booleano de linha de varredura (Martinez-Rueda). Isso devolve a área comum exata, incluindo novos buracos onde M tem buracos.
7. Copiar atributos e adicionar campos. Cada feição de saída recebe uma cópia de todos os atributos da sua feição de entrada. Se você pediu, a ferramenta adiciona clip_status e a área, o comprimento ou o número de pontos mantidos. Se você marcou a opção multiparte, os resultados multiparte são separados em partes simples aqui.
8. Resumir e desenhar. A ferramenta conta as feições que estavam totalmente dentro, cortadas no limite, descartadas ou puladas, soma a área e o comprimento mantidos e adiciona o resultado como nova camada no mapa. A camada de entrada é ocultada para você ver o resultado com clareza.

Os passos são separados assim porque cada tipo de geometria precisa de uma matemática diferente. Pontos só precisam de um teste de dentro ou fora. Linhas precisam dos pontos de cruzamento. Polígonos precisam de uma sobreposição booleana completa. Usar para cada tipo o método correto mais barato mantém a ferramenta rápida.

A teoria e a matemática do recorte

Recortar parece simples no mapa, mas se apoia em alguns resultados clássicos da geometria computacional. Aqui estão eles, na ordem em que a ferramenta os usa.

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

M = M₁ ∪ M₂ ∪ … ∪ Mₖ     (todos os polígonos de recorte, fundidos antes)

Ponto P = (x, y). Aresta de (xi, yi) até (xj, yj).

A aresta é cruzada quando:
  (yi > y) ≠ (yj > y)
  e  x < xi + (y − yi) · (xj − xi) / (yj − yi)

P está dentro  ⇔  o número de arestas cruzadas é ímpar

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

Cruzamento real  ⇔  0 < t < 1  e  0 ≤ u ≤ 1
cross(r, s) = 0  ⇔  segmento e aresta são paralelos

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

Pedaço (t)     Meio x     Teste         Fica
0.00 – 0.25    −2.5       fora          não
0.25 – 0.45     2.0       dentro        sim → (0, 5) – (4, 5)
0.45 – 0.55     5.0       no buraco     não
0.55 – 0.75     8.0       dentro        sim → (6, 5) – (10, 5)
0.75 – 1.00    12.5       fora          não

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

Área de um anel (λ = longitude, φ = latitude, em radianos):
A = (R² / 2) · | Σ (λ(i+1) − λ(i−1)) · sin φi |

Comprimento de um segmento (haversine):
h = sin²(Δφ / 2) + cos φ1 · cos φ2 · sin²(Δλ / 2)
d = 2R · asin(√h)

R = 6 371 008.8 m

A melhor ferramenta de recorte GIS: esta ferramenta, o ArcGIS Pro e o QGIS comparados

Muita gente me pergunta qual é a melhor ferramenta de recorte em GIS. A resposta honesta é que depende do trabalho. Aqui vai uma comparação lado a lado.

Minha recomendação: se você já tem o ArcGIS Pro e os seus dados estão em uma geodatabase, use o Clip ou o Pairwise Clip lá mesmo. Os resultados se encaixam no resto do projeto, e o arcpy deixa você repetir o trabalho. Se você quer um GIS de desktop completo sem custo, o QGIS tem uma ótima ferramenta Recortar e lê quase qualquer formato.

Esta ferramenta ganha quando o que mais importa é ir rápido do arquivo ao resultado: um colega manda um KML ou um Shapefile em ZIP, você só precisa da parte dentro do limite de uma área e não quer instalar nem abrir nada. Ela também é útil em um computador onde você não pode instalar programas, e é um jeito claro de aprender o que o Clip faz, porque você vê cada passo no mapa.

10 casos de uso reais

O Clip é usado em quase todas as áreas que trabalham com mapas. Estes são os trabalhos que eu vejo com mais frequência.

1. Estradas dentro do limite de uma cidade. Uma planejadora de transportes tem a malha rodoviária nacional, mas só precisa das estradas de uma cidade. Recortar a malha pelo limite do município dá o comprimento exato de estradas dentro da cidade, pronto para um relatório ou um modelo de tráfego.
2. Estudo de impacto ambiental. Consultorias recortam mapas de habitats, áreas protegidas e áreas úmidas pela área de um empreendimento ou pelo seu buffer. O resultado mostra quais habitats o projeto atinge e quantos hectares de cada um seriam afetados.
3. Planejamento de fazendas e talhões. Um produtor ou agrônomo recorta um mapa regional de solos pelos limites dos talhões. Cada talhão fica com os seus próprios polígonos de solo e os atributos originais, a base para planos de adubação ou semeadura em taxa variável.
4. Redes de serviços por área de atuação. Empresas de água, energia e telecomunicações recortam tubulações, cabos ou fibra por um distrito de manutenção ou uma área de atendimento. Cada equipe recebe só a sua parte da rede, e o comprimento recortado ajuda no planejamento e no orçamento.
5. Lotes e zoneamento de um empreendimento. Urbanistas e analistas imobiliários recortam camadas de lotes e de zoneamento pela área de um empreendimento previsto. Os atributos, como proprietário, uso do solo e código de zoneamento, ficam em cada lote recortado.
6. Defesa civil em áreas de inundação. Equipes de defesa civil recortam edifícios, escolas, hospitais e estradas por uma área de inundação ou de evacuação. A saída é a lista dos elementos em risco com os seus atributos, que pode ir direto para um plano de resposta.
7. Trilhas GPS dentro de um parque. Guarda-parques e trilheiros recortam trilhas GPX pelo limite de um parque nacional ou reserva. Assim eles veem quantos quilômetros de um percurso passam de verdade dentro do parque, com a altitude mantida em cada ponto.
8. Manejo florestal e talhões de colheita. Engenheiros florestais recortam polígonos de povoamentos por uma unidade de colheita ou uma unidade administrativa. Os povoamentos recortados mantêm espécie, idade e volume, e a área recortada entra direto no cálculo da colheita.
9. Arquivos menores para mapas web. Desenvolvedores web muitas vezes começam com um GeoJSON ou Shapefile nacional grande. Recortar pela região que o mapa mostra pode reduzir muito o tamanho do arquivo, e o mapa web carrega bem mais rápido.
10. Pesquisa e ensino. Pesquisadores recortam pontos de coleta, estações ou trajetórias pela sua área de estudo antes da estatística. Professores usam a ferramenta em aulas de GIS porque os alunos veem como o Clip funciona sem instalar nenhum programa.

Perguntas frequentes

Vinte perguntas comuns sobre recorte em GIS, com respostas diretas.

Bibliotecas usadas e créditos

Esta ferramenta é construída sobre software de código aberto. Muito obrigado às pessoas que escrevem e mantêm estes projetos.

• Leaflet 1.9 · BSD-2-Clause · Volodymyr Agafonkin and contributors
  Desenha o mapa interativo, as camadas, as ferramentas de desenho e os popups.
• Turf.js 7 (@turf/intersect, @turf/union, @turf/area, @turf/boolean-point-in-polygon) · MIT · Turf authors
  Interseção de polígonos para recortar polígonos, união para dissolver a camada de recorte, área geodésica e o teste de ponto em polígono.
• polyclip-ts · MIT · Luiz Felipe Machado Barboza, based on polygon-clipping by Mike Fogel
  O motor booleano de polígonos por trás do intersect e do union do Turf. Ele usa o algoritmo de linha de varredura de Martinez-Rueda com aritmética de precisão arbitrária.
• point-in-polygon-hao · MIT · Rowan Winsemius
  O teste rápido de ponto em polígono que decide quais pontos e trechos de linha estão dentro da área de recorte.
• shpjs · MIT · Calvin Metcalf
  Lê Shapefiles da Esri compactados (.shp, .shx, .dbf, .prj, .cpg) no navegador.
• proj4js · MIT · proj4js contributors
  Converte Shapefiles projetados para WGS84 usando o arquivo .prj (usado pelo shpjs).
• @tmcw/togeojson · BSD-2-Clause · Tom MacWright
  Converte arquivos KML e GPX para GeoJSON.
• JSZip · MIT or GPL-3.0 · Stuart Knightley
  Abre pacotes KMZ para ler o arquivo KML que está dentro.
• @terraformer/wkt · MIT · Terraformer contributors
  Lê a entrada WKT e grava a coluna de geometria WKT na exportação CSV.
• OpenStreetMap, Protomaps (hosted by KONAKTIVE), CARTO, Esri World Imagery · ODbL / provider terms · OpenStreetMap contributors, Protomaps, KONAKTIVE, CARTO, Esri
  Tiles e imagens do mapa base, mostrados só quando você liga o mapa base.

O passo de recorte de linhas (dividir segmentos nos cruzamentos com o limite e testar cada pedaço) foi escrito para esta ferramenta. O motor de recorte é verificado por testes automáticos que cobrem linhas atravessando buracos, linhas ao longo do limite, pontos na borda, polígonos sobre buracos, polígonos de recorte sobrepostos e a interpolação de Z.

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