Отримайте найближчу відстань за допомогою двох геодефрагментів у пандах

Ось мій перший геодедрам:

!pip install geopandas
import pandas as pd
import geopandas

city1 = [{'City':"Buenos Aires","Country":"Argentina","Latitude":-34.58,"Longitude":-58.66},
           {'City':"Brasilia","Country":"Brazil","Latitude":-15.78 ,"Longitude":-70.66},
         {'City':"Santiago","Country":"Chile ","Latitude":-33.45 ,"Longitude":-70.66 }]
city2 =  [{'City':"Bogota","Country":"Colombia ","Latitude":4.60 ,"Longitude":-74.08},
           {'City':"Caracas","Country":"Venezuela","Latitude":10.48  ,"Longitude":-66.86}]
city1df = pd.DataFrame(city1)
city2df = pd.DataFrame(city2)
gcity1df = geopandas.GeoDataFrame(
    city1df, geometry=geopandas.points_from_xy(city1df.Longitude, city1df.Latitude))
gcity2df = geopandas.GeoDataFrame(
    city2df, geometry=geopandas.points_from_xy(city2df.Longitude, city2df.Latitude))

Місто1

           City    Country  Latitude  Longitude                     geometry
0  Buenos Aires  Argentina    -34.58     -58.66  POINT (-58.66000 -34.58000)
1      Brasilia     Brazil    -15.78     -47.91  POINT (-47.91000 -15.78000)
2      Santiago      Chile    -33.45     -70.66  POINT (-70.66000 -33.45000)

і мій другий геодефрагмент: City2:

         City    Country  Latitude  Longitude                     geometry
1        Bogota   Colombia      4.60     -74.08    POINT (-74.08000 4.60000)
2       Caracas  Venezuela     10.48     -66.86   POINT (-66.86000 10.48000)

я хотів би третій кадр даних з найближчим містом від міста1 до міста2 з відстані, як:

           City    Country  Latitude  Longitude                     geometry    Nearest    Distance
0  Buenos Aires  Argentina    -34.58     -58.66  POINT (-58.66000 -34.58000)    Bogota    111 Km

Ось моє фактичне рішення з використанням geodjango та dict (але це занадто довго):

from django.contrib.gis.geos import GEOSGeometry
result = []
dict_result = {}
for city01 in city1 :
  dist = 99999999
  pnt = GEOSGeometry('SRID=4326;POINT( '+str(city01["Latitude"])+' '+str(city01['Longitude'])+')')
  for city02 in city2:
    pnt2 = GEOSGeometry('SRID=4326;POINT('+str(city02['Latitude'])+' '+str(city02['Longitude'])+')')
    distance_test = pnt.distance(pnt2) * 100
    if distance_test < dist :
      dist = distance_test
  result.append(dist)
  dict_result[city01['City']] = city02['City']

Ось мої спроби:

from shapely.ops import nearest_points
# unary union of the gpd2 geomtries 
pts3 = gcity2df.geometry.unary_union
def Euclidean_Dist(df1, df2, cols=['x_coord','y_coord']):
    return np.linalg.norm(df1[cols].values - df2[cols].values,
                   axis=1)
def near(point, pts=pts3):
     # find the nearest point and return the corresponding Place value
     nearest = gcity2df.geometry == nearest_points(point, pts)[1]

     return gcity2df[nearest].City
gcity1df['Nearest'] = gcity1df.apply(lambda row: near(row.geometry), axis=1)
gcity1df

тут:

    City    Country     Latitude    Longitude   geometry    Nearest
0   Buenos Aires    Argentina   -34.58  -58.66  POINT (-58.66000 -34.58000)     Bogota
1   Brasilia    Brazil  -15.78  -70.66  POINT (-70.66000 -15.78000)     Bogota
2   Santiago    Chile   -33.45  -70.66  POINT (-70.66000 -33.45000)     Bogota

З повагою

По-перше, я зливаю два кадри даних поперечним з'єднанням. І тоді, я знайшов відстань між двома точками, використовуючи mappython. Я використовую map, тому що більшу частину часу це набагато швидше , ніж apply, itertuples, і iterrowsт.д. (Посилання: https://stackoverflow.com/a/52674448/8205554 )

Нарешті, я групую за кадром даних і отримую мінімальні значення відстані.

Ось бібліотеки,

import pandas as pd
import geopandas
import geopy.distance
from math import radians, cos, sin, asin, sqrt

Тут використовуються функції,

def dist1(p1, p2):
    lon1, lat1, lon2, lat2 = map(radians, [p1.x, p1.y, p2.x, p2.y])

    dlon = lon2 - lon1 
    dlat = lat2 - lat1 
    a = sin(dlat/2)**2 + cos(lat1) * cos(lat2) * sin(dlon/2)**2
    c = 2 * asin(sqrt(a)) 

    return c * 6373

def dist2(p1, p2):
    lon1, lat1, lon2, lat2 = map(radians, [p1[0], p1[1], p2[0], p2[1]])

    dlon = lon2 - lon1 
    dlat = lat2 - lat1 
    a = sin(dlat/2)**2 + cos(lat1) * cos(lat2) * sin(dlon/2)**2
    c = 2 * asin(sqrt(a)) 

    return c * 6373

def dist3(p1, p2):
    x = p1.y, p1.x
    y = p2.y, p2.x

    return geopy.distance.geodesic(x, y).km

def dist4(p1, p2):
    x = p1[1], p1[0]
    y = p2[1], p2[0]

    return geopy.distance.geodesic(x, y).km

І дані,

city1 = [
  {
    'City': 'Buenos Aires',
    'Country': 'Argentina',
    'Latitude': -34.58,
    'Longitude': -58.66
  },
  {
    'City': 'Brasilia',
    'Country': 'Brazil',
    'Latitude': -15.78,
    'Longitude': -70.66
  },
  {
    'City': 'Santiago',
    'Country': 'Chile ',
    'Latitude': -33.45,
    'Longitude': -70.66
  }
]

city2 = [
  {
    'City': 'Bogota',
    'Country': 'Colombia ',
    'Latitude': 4.6,
    'Longitude': -74.08
  },
  {
    'City': 'Caracas',
    'Country': 'Venezuela',
    'Latitude': 10.48,
    'Longitude': -66.86
  }
]


city1df = pd.DataFrame(city1)
city2df = pd.DataFrame(city2)

Перехресне з'єднання з geopandasкадрами даних,

gcity1df = geopandas.GeoDataFrame(
    city1df, 
    geometry=geopandas.points_from_xy(city1df.Longitude, city1df.Latitude)
)
gcity2df = geopandas.GeoDataFrame(
    city2df, 
    geometry=geopandas.points_from_xy(city2df.Longitude, city2df.Latitude)
)

# cross join geopandas
gcity1df['key'] = 1
gcity2df['key'] = 1
merged = gcity1df.merge(gcity2df, on='key')

mathфункції і geopandas,

# 6.64 ms ± 588 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100 loops each)
%%timeit

# find distance
merged['dist'] = list(map(dist1, merged['geometry_x'], merged['geometry_y']))

mapping = {
    'City_x': 'City',
    'Country_x': 'Country',
    'Latitude_x': 'Latitude',
    'Longitude_x': 'Longitude',
    'geometry_x': 'geometry',
    'City_y': 'Nearest',
    'dist': 'Distance'
}

nearest = merged.loc[merged.groupby(['City_x', 'Country_x'])['dist'].idxmin()]
nearest.rename(columns=mapping)[list(mapping.values())]

           City    Country  Latitude  Longitude                     geometry  \
2      Brasilia     Brazil    -15.78     -70.66  POINT (-70.66000 -15.78000)   
0  Buenos Aires  Argentina    -34.58     -58.66  POINT (-58.66000 -34.58000)   
4      Santiago     Chile     -33.45     -70.66  POINT (-70.66000 -33.45000)   

  Nearest     Distance  
2  Bogota  2297.922808  
0  Bogota  4648.004515  
4  Bogota  4247.586882 

geopyі geopandas,

# 9.99 ms ± 764 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100 loops each)
%%timeit

# find distance
merged['dist'] = list(map(dist3, merged['geometry_x'], merged['geometry_y']))

mapping = {
    'City_x': 'City',
    'Country_x': 'Country',
    'Latitude_x': 'Latitude',
    'Longitude_x': 'Longitude',
    'geometry_x': 'geometry',
    'City_y': 'Nearest',
    'dist': 'Distance'
}

nearest = merged.loc[merged.groupby(['City_x', 'Country_x'])['dist'].idxmin()]
nearest.rename(columns=mapping)[list(mapping.values())]

           City    Country  Latitude  Longitude                     geometry  \
2      Brasilia     Brazil    -15.78     -70.66  POINT (-70.66000 -15.78000)   
0  Buenos Aires  Argentina    -34.58     -58.66  POINT (-58.66000 -34.58000)   
4      Santiago     Chile     -33.45     -70.66  POINT (-70.66000 -33.45000)   

  Nearest     Distance  
2  Bogota  2285.239605  
0  Bogota  4628.641817  
4  Bogota  4226.710978 

Якщо ви хочете використовувати pandasзамість geopandas,

# cross join pandas
city1df['key'] = 1
city2df['key'] = 1
merged = city1df.merge(city2df, on='key')

За допомогою mathфункцій,

# 8.65 ms ± 2.21 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100 loops each)
%%timeit

# find distance
merged['dist'] = list(
    map(
        dist2, 
        merged[['Longitude_x', 'Latitude_x']].values, 
        merged[['Longitude_y', 'Latitude_y']].values
    )
)

mapping = {
    'City_x': 'City',
    'Country_x': 'Country',
    'Latitude_x': 'Latitude',
    'Longitude_x': 'Longitude',
    'City_y': 'Nearest',
    'dist': 'Distance'
}

nearest = merged.loc[merged.groupby(['City_x', 'Country_x'])['dist'].idxmin()]
nearest.rename(columns=mapping)[list(mapping.values())]

           City    Country  Latitude  Longitude Nearest     Distance
2      Brasilia     Brazil    -15.78     -70.66  Bogota  2297.922808
0  Buenos Aires  Argentina    -34.58     -58.66  Bogota  4648.004515
4      Santiago     Chile     -33.45     -70.66  Bogota  4247.586882

З geopy,

# 9.8 ms ± 807 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100 loops each)
%%timeit

# find distance
merged['dist'] = list(
    map(
        dist4, 
        merged[['Longitude_x', 'Latitude_x']].values, 
        merged[['Longitude_y', 'Latitude_y']].values
    )
)

mapping = {
    'City_x': 'City',
    'Country_x': 'Country',
    'Latitude_x': 'Latitude',
    'Longitude_x': 'Longitude',
    'City_y': 'Nearest',
    'dist': 'Distance'
}

nearest = merged.loc[merged.groupby(['City_x', 'Country_x'])['dist'].idxmin()]
nearest.rename(columns=mapping)[list(mapping.values())]

           City    Country  Latitude  Longitude Nearest     Distance
2      Brasilia     Brazil    -15.78     -70.66  Bogota  2285.239605
0  Buenos Aires  Argentina    -34.58     -58.66  Bogota  4628.641817
4      Santiago     Chile     -33.45     -70.66  Bogota  4226.710978

Я думаю, що досить складно знайти рішення зі складністю у часі кращою за O (m · n) , де m і n - розміри city1іcity2 . Зберігаючи порівняння відстані (єдине O (m · n) операція) простим та скориставшись векторизованими операціями, що забезпечуються numpy та пандами, швидкість не повинна бути проблемою для будь-якого розумного розміру вводу.

Ідея полягає в тому, щоб порівняти відстані на кулі, ви можете порівняти відстані між точками в 3D. Найближче місто - це також найближче місто, що проходить через сферу. Крім того, ви зазвичай приймаєте квадратні корінці для обчислення відстаней, але якщо вам потрібно лише порівняти їх, ви можете уникнути квадратних коренів.

from geopy.distance import distance as dist
import numpy as np
import pandas as pd

def find_closest(lat1, lng1, lat2, lng2):
    def x_y_z_of_lat_lng_on_unit_sphere(lat, lng):
        rad_lat, rad_lng = np.radians(lat), np.radians(lng)
        sin_lat, sin_lng = np.sin(rad_lat), np.sin(rad_lng)
        cos_lat, cos_lng = np.cos(rad_lat), np.cos(rad_lng)
        return cos_lat * cos_lng, cos_lat * sin_lng, sin_lat
    x1, y1, z1 = x_y_z_of_lat_lng_on_unit_sphere(lat1, lng1)
    x2, y2, z2 = x_y_z_of_lat_lng_on_unit_sphere(lat2, lng2)
    return pd.Series(map(lambda x, y, z:
                         ((x2-x)**2 + (y2-y)**2 + (z2-z)**2).idxmin(),
                         x1, y1, z1))

city1 = [{"City":"Tokyo",    "Ctry":"JP", "Latitude": 35.68972, "Longitude": 139.69222},
         {"City":"Pretoria", "Ctry":"ZA", "Latitude":-25.71667, "Longitude": 28.28333},
         {"City":"London",   "Ctry":"GB", "Latitude": 51.50722, "Longitude": -0.12574}]
city2 = [{"City":"Seattle",  "Ctry":"US", "Latitude": 47.60972, "Longitude":-122.33306},
         {"City":"Auckland", "Ctry":"NZ", "Latitude":-36.84446, "Longitude": 174.76364}]
city1df = pd.DataFrame(city1)
city2df = pd.DataFrame(city2)

closest = find_closest(city1df.Latitude, city1df.Longitude, city2df.Latitude, city2df.Longitude)

resultdf = city1df.join(city2df, on=closest, rsuffix='2')
km = pd.Series(map(lambda latlng1, latlng2: round(dist(latlng1, latlng2).km),
                   resultdf[['Latitude',  'Longitude' ]].to_numpy(),
                   resultdf[['Latitude2', 'Longitude2']].to_numpy()))
resultdf['Distance'] = km
print(resultdf.to_string())
#        City Ctry  Latitude  Longitude     City2 Ctry2  Latitude2  Longitude2  Distance
# 0     Tokyo   JP  35.68972  139.69222   Seattle    US   47.60972  -122.33306      7715
# 1  Pretoria   ZA -25.71667   28.28333  Auckland    NZ  -36.84446   174.76364     12245
# 2    London   GB  51.50722   -0.12574   Seattle    US   47.60972  -122.33306      7723

Зауважте, що будь-яке рішення, яке використовує широту і довготу, як ніби декартові координати, є неправильним, оскільки рухаючись до полюсів меридіани (лінії однакової довготи) наближаються один до одного.

Це рішення, ймовірно, не найшвидший спосіб вирішити вашу проблему, але я вірю, що це зробить трюк.

#New dataframe is basicly a copy of first but with more columns
gcity3df = gcity1df.copy()
gcity3df["Nearest"] = None
gcity3df["Distance"] = None

#For each city (row in gcity3df) we will calculate the nearest city from gcity2df and 
fill the Nones with results

for index, row in gcity3df.iterrows():
    #Setting neareast and distance to None, 
    #we will be filling those variables with results

    nearest = None
    distance = None
    for df2index, df2row in gcity2df.iterrows():
        d = row.geometry.distance(df2row.geometry)
        #If df2index city is closer than previous ones, replace nearest with it
        if distance is None or d < distance:
            distance = d
            nearest = df2row.City 
    #In the end we appends the closest city to gdf
    gcity3df.at[index, "Nearest"] = nearest
    gcity3df.at[index, "Distance"] = distance

Якщо вам потрібно працювати на метрах, а не на градусах, ви завжди можете повторно відхилити свій шар (це також видалить помилку, яку має на увазі Вальтер). Ви можете це зробити там, gcity3df = gcity3df.to_crs({'init': 'epsg:XXXX'})де XXXX - це epsg-код для використання crs у вашому регіоні світу.