python

Как сделать интерактивную карту с помощью Python и open source библиотек

  • среда, 7 октября 2020 г. в 00:31:50
https://habr.com/ru/company/skillfactory/blog/521840/
  • Блог компании SkillFactory
  • Open source
  • Python
  • Программирование
  • OpenStreetMap



Сегодня делимся с вами пошаговым руководством создания интерактивных карт для веб-приложения или блога. Просто сохраните эту статью в закладках. Хоть и существует, например, библиотека d3.js, которая может создавать пользовательские карты, есть несколько инструментов еще проще. В этом посте посмотрим на три простые в обращении, но мощные библиотеки Python с открытым исходным кодом и поработаем с ними.


Когда документация вводит в ступор


Несколько месяцев назад я хотел создать интерактивную карту для интересного веб-приложения, которое мы разрабатывали. Я провел часы в интернете в поисках идеальной библиотеки для начала работы, но мне было очень трудно смотреть документацию, так как не было надлежащего пошагового руководства для реализации и настройки визуальных элементов по мере необходимости. Мне хотелось, чтобы у меня было руководство, в котором сравниваются функции и правильная реализация вместе с подробностями о настройке. Эта статья — попытка написать такое руководство.

Далее в статье сравниваются реализации интерактивной фоновой карты (хороплета) с использованием трех популярных библиотек, доступных для Python, а также подробности и настройки окончательного результата.

  1. Altair — простая и быстрая реализация с легкодоступным набором функций.
  2. Plotly — обладает богатой функциональностью. Включает в себя Mapbox, пользовательские настройки и стилизацию.
  3. Folium — Leaflet — полностью настраиваемая и интерактивная. Включает в себя подсказки, всплывающие окна и многое другое.

Предварительные требования


Хороплетная карта требует двух видов данных в фоновом режиме, один из которых — это геопространственные данные, географические границы для заполнения карты (обычно это векторный файл .shp (Shapefile) или GeoJSON), и две точки данных на каждом квадрате карты для цветового кодирования карты в зависимости от самих данных.

Библиотека Geo Pandas полезна, когда нужно получить данные в требуемом формате. В примере используется файл GeoJSON индийских штатов. Вы можете начать с любого общедоступного Shapefile или GeoJSON.

Altair



Altair — библиотека визуализации для Python, основанная на Vega. Хороплет реализуется минимальными усилиями и включает интерактивные элементы — выделение, всплывающие подсказки и т.д.

Altair совместима с fastpages. Вы можете создавать простые записи блога в считанные минуты, просто конвертируя файлы Jupyter Notebook с помощью минимального количества кода. Ознакомьтесь с Readme на GitHub.

Фрагмент кода:

# Importing required Libraries
import geopandas as gpd
import json
import altair as alt
import pandas as pd

Читаем Shapefile как фрейм GeoPandas:

gdf = gpd.read_file('states_india.shp')

Фрейм выглядит так:



Создаем базовый слой и слой хороплета:

# Creating configs for color,selection,hovering
multi = alt.selection_multi(fields=['count','state'], bind='legend')
color = alt.condition(multi,
                  alt.Color('count', type='ordinal',
                  scale=alt.Scale(scheme='yellowgreenblue')),
                  alt.value('lightgray'))
hover = alt.selection(type='single', on='mouseover', nearest=True,
                      fields=['x', 'y'])
#Creating an altair map layer
choro = alt.Chart(gdf).mark_geoshape(
    stroke='black'
).encode( 
    color=color, 
    tooltip=['state','count']
).add_selection(
        multi
    ).properties( 
    width=650,
    height=800
)
# Legend
c1 = alt.layer(choro).configure_legend(
    orient = 'bottom-right',
    direction = 'horizontal',
    padding = 10,
    rowPadding = 15
)
#Adding Labels
labels = alt.Chart(gdf).mark_text().encode(
    longitude='x',
    latitude='y',
    text='count',
    size=alt.value(8),
    opacity=alt.value(0.6)
)
c2 = alt.Chart(gdf).mark_geoshape(
    stroke='black'
).encode( 
    color=color, 
    tooltip=['state','count']
).add_selection(
        hover
    ).project(
    scale=100, 
)
(c1+labels).configure_view(strokeWidth=0)

Код выше должен визуализировать интерактивную карту с функцией отображения подсказки и подсветки при выборе (клике).

Плюсы:

  • Простая и быстрая реализация. Включает предопределенный набор функций, чтобы ускорить работу.
  • Совместимость с fastpages

Минусы:

  • Мало вариантов настройки и ограниченная интерактивность.
  • Нет возможности использовать внешние стилизованные части карты, такие как OSM, Mapbox и т.п.
  • API плохо документирован.

Реализация c помощью Plotly



Библиотека Plotly для построения графиков на Python отрисовывает готовые к публикации карты с большим количеством интерактивных и настраиваемых функций.

Доступны пользовательские конфигураций базовой карты из Mapbox, OSM и другие стилевые опции, а также простая реализация с помощью Plotly Express и обширная документация. Это делает Plotly одним из предпочтительных вариантов для создания интерактивных карт.

Фрагмент кода:

# Importing required libraries

from plotly.graph_objs import Scatter, Figure, Layout
import plotly
import plotly.graph_objs as go
import json
import numpy as np
import geopandas as gpd

Импортирование Shapefile:

gdf = gpd.read_file('states_india.shp')
with open('states_india_1.json') as response:
 india = json.load(response)

Создание базового слоя и добавление частей карты:

fig = go.Figure(go.Choroplethmapbox(geojson=india, locations=gdf['st_nm'], z=gdf['state_code'],featureidkey="properties.st_nm",colorscale="Viridis", zmin=0, zmax=25,marker_opacity=0.5, marker_line_width=1))
fig.update_layout(mapbox_style="carto-positron",
                  mapbox_zoom=3.5,mapbox_center = {"lat":23.537876 , "lon": 78.292142} ) 
fig.update_layout(margin={"r":0,"t":0,"l":0,"b":0})
fig.show()

Код выше должен визуализировать интерактивную карту с отображением подсказки и функцией масштабирования. Эта реализация включает большое количество других возможностей, подробнее о которых написано здесь.

Плюсы:

  • Очень простая реализация с помощью библиотек диаграмм и Plotly Express. Имеется обширная документация.
  • Множество настроек и настраиваемых опций стилизации.
  • Совместимость с Dash и другими вариантами для встраивания фрагмента во внешние веб-приложения.

Минусы:

  • Нет возможности добавлять всплывающие окна и другие интерактивные элементы, кроме предварительно заданных вариантов.
  • Может потребоваться доступ по токену для работы с несколькими внешними стилями. Ограниченные возможности управления ограничениями масштабирования и связанной с этими возможностями интерактивностью.

Реализация с помощью Folium



Folium сочетает в себе простоту использования экосистемы Python и сильные стороны картографирования библиотеки leaflet.js. Это позволяет визуализировать настраиваемые, отзывчивые и интерактивные хороплетные карты, а также передавать богатые векторные, растровые, HTML-визуализации в виде маркеров на карте.

Библиотека имеет ряд встроенных наборов частей карт из OpenStreetMap, Mapbox и Stamen, а также поддерживает пользовательские наборы через API Mapbox или Cloudmade. Поддерживаются изображения, видео, GeoJSON и TopoJSON.

Фрагмент кода:

# Importing required Libraries
import geopandas as gpd
import pandas as pd
import folium
import branca
import requests
import json
from folium.features import GeoJson, GeoJsonTooltip, GeoJsonPopup

Импортирование Shapefile:

gdf = gpd.read_file('states_india.shp')
with open('states_india_1.json') as response:
    india = json.load(response)
#Creating a custom tile (optional)
import branca
# Create a white image of 4 pixels, and embed it in a url.
white_tile = branca.utilities.image_to_url([[1, 1], [1, 1]])

Добавление базовых слоев и слоев Choropleth:

#Base layer
f = folium.Figure(width=680, height=750)
m = folium.Map([23.53, 78.3], maxZoom=6,minZoom=4.8,zoom_control=True,zoom_start=5,
               scrollWheelZoom=True,maxBounds=[[40, 68],[6, 97]],tiles=white_tile,attr='white tile',
               dragging=True).add_to(f)
#Add layers for Popup and Tooltips
popup = GeoJsonPopup(
    fields=['st_nm','cartodb_id'],
    aliases=['State',"Data points"], 
    localize=True,
    labels=True,
    style="background-color: yellow;",
)
tooltip = GeoJsonTooltip(
    fields=['st_nm','cartodb_id'],
    aliases=['State',"Data points"],
    localize=True,
    sticky=False,
    labels=True,
    style="""
        background-color: #F0EFEF;
        border: 1px solid black;
        border-radius: 3px;
        box-shadow: 3px;
    """,
    max_width=800,
)
# Add choropleth layer
g = folium.Choropleth(
    geo_data=india,
    data=gdf,
    columns=['st_nm', 'cartodb_id'],
    key_on='properties.st_nm',
    fill_color='YlGn',
    fill_opacity=0.7,
    line_opacity=0.4,
    legend_name='Data Points',
    highlight=True,
    
).add_to(m)
folium.GeoJson(
    india,
    style_function=lambda feature: {
        'fillColor': '#ffff00',
        'color': 'black',
        'weight': 0.2,
        'dashArray': '5, 5'
    },
    tooltip=tooltip,
    popup=popup).add_to(g)
f

Код выше должен отображать интерактивную хороплетную карту с подсказкой по наведению, кликом для увеличения масштаба и пользовательским окном, всплывающим по клику.

Плюсы:

  • Количество настроек и настраиваемых опций стиля наряду с уникальными интерактивными функциями, такими как пользовательские всплывающие окна/части карты/фон, а также увеличение по клику.
  • Опция передачи векторных, растровых, HTML визуализаций в виде маркеров на карте.
  • Опция отображения карты в виде HTML и другие опции встраивания фрагмента во внешние веб-приложения.
  • Достойный объем документации для изучения всех доступных функций.

Минусы:

  • Зависит от нескольких библиотек.

Заключение


Эти три инструмента позволяют без особых хлопот реализовать индивидуально настроенные интерактивные карты для веб-сайтов.

Уважаемые читатели, а вам приходилось делать такие интерактивные карты для своих проектов?

image

Получить востребованную профессию с нуля или Level Up по навыкам и зарплате, можно пройдя онлайн-курсы SkillFactory:


Eще курсы