基於地理數據的肌理分析圖——QGIS 用例

原問題：如何做高大上的城市肌理分析圖？

文長，圖多，敬請注意。

在上面引用的問題中，我給出的回答事實上是偏題的，僅僅給出了一個獲得肌理的方式，而沒有觸及到關鍵部分。趁有機會，來填一下坑，畫一個建築高度分析圖。

但是，在此仍然需要強調我在原回答中的一個觀點——這類圖的核心在於地理數據。如果有數據，這無非是在 GIS 軟體中，將屬性表內的相關欄位映射到不同色彩上；沒有數據，做這樣的圖只能採取近乎手工的方式。而不巧的是，在中國大陸，地理信息數據集並不易得；而 OpenStreetMap（本文示例的數據來源）這個「維基式」的地圖網站，在中國大陸的資料目前仍相當欠缺。考慮到地理數據的可得性問題，本文對於國內讀者的價值或許相對較低，而對於身處國外的讀者——尤其是在紐約這樣的有著大量公開數據的城市——的參考意義更大一些。

本文使用的工具是 Quantum GIS (QGIS)。當然，使用 QGIS 絕非製作此類肌理分析圖的唯一手段，用 ArcGIS、Rhino + Grasshopper + ELK 或是 MapBox，都能做。

以下是內容大綱：

1. 工具
2. 準備
3. 數據獲取
4. 數據處理
5. 表達
6. 出圖

* * * * * *

工具

我選擇用 QGIS，主要有兩個原因：

1. QGIS 有 Mac 版。我個人更傾向於在 OS X 里做各種事情，除了要打《老滾 5》的時候。
2. QGIS 的圖更好看。圖面效果極度依賴於樣式設置（QGIS 的默認圖形樣式也很醜），而 QGIS 的樣式設置能做到的事情，ArcGIS 應該也都能做到，但 QGIS 導的圖是帶抗鋸齒的。當然，在 ArcGIS 里也能通過將出圖解析度設置到 600 PPI 然後再縮小來實現抗鋸齒，但 QGIS 在工作區里的圖形也是抗鋸齒的。

除卻上面相當個人化的兩點因素，QGIS 還有不少特色，包括而不限於免費、開源、體積相對較小、支持多種數據格式。QGIS 和 ArcGIS 的對比，可參考此問題：QGIS 和 ArcGIS 的區別和優缺點有哪些呢？ - GIS（地理信息系統）

雖然功能無法與售價高昂的 ArcGIS 相提並論，但 QGIS 的使用者數目也不少，Stack Exchange 的 GIS 子站 上也有很多關於 QGIS 的問答，我在使用 QGIS 過程中遇到的不少問題，都是在上面找到解決方案的。

準備

做出題圖，理應不需要太熟悉 QGIS 的使用方法，因為我也沒接觸 QGIS 多長時間，在後文中，我也會給出相對詳細的步驟。不過，若有興趣，多了解一下界面總是好的。QGIS 官網提供了一份很詳盡的入門教程，雖說未有中文版，但讀起來應當不會算很難。我也用搜索引擎找到了一些用中文書寫的 QGIS 使用手冊，若有需要，可以找找。

QGIS 提供中文界面。不過，之前為了便於在 Stack Exchange 和官方文檔中找答案，我將界面語言設為了英文。在後面，我也會以英文界面為基礎，來說明功能的位置。

在作圖的過程中用到了一些插件。它們分別是：

• OpenLayers Plugin，用來將 OpenStreetMap (OSM) 底圖載入到工作區，方便尋找要目標位置，也就是本例的曼哈頓。
• OSM place search，可以輸入地名，搜索位置——類似於地圖網站和谷歌地球。當然，不安裝這個插件也沒問題。
• QuickOSM，用以處理 OSM 數據包。如果直接使用 QGIS 導入 OSM 數據，會有一些屬性被放到 other_tags 欄位中——譬如本例中關鍵的 height.

QGIS 的插件可以在 菜單欄→Plugins→Manage and Install Plugins 中進行安裝。在搜索欄中鍵入插件的名稱，就能找到上述插件。

圖 1

本例中使用到的工具條如下，最好在 菜單欄→View→Toolbars 中設置為與 圖 2 相同，以免產生找不到工具的麻煩：

圖2

數據獲取

前文提到，本例使用的數據來自 OpenStreetMap。導出 OpenStreetMap 最常用的方式，應該就是到其網站上直接使用導出功能。用這個途徑獲取數據，範圍比較直觀，也可以免去使用上文提到的 OpenLayer 和 OSM place search 兩個插件。

圖 3

但是，我試圖使用這個方法導出數據的時候失敗了（可能是數據量太大，下載時出現了問題）。雖然說 OSM 在網頁上也提供了其他備選導出途徑，不過 QGIS 本身也附帶 OSM 數據下載功能，所以，我就改為使用該工具來進行下載。

首先，使用 菜單欄→Web→OpenLayer Plugin→ OpenStreetMap，將 OSM 底圖添加到 QGIS 工作區中。視乎網速，載入的速度可能會有差異。然後，通過 菜單欄→Panel→OSM place search 打開地點搜索麵板，輸入 Manhattan。等下方列表出現後，點按 Zoom 來縮放到所選目標區域。

圖 4

可以發現，地圖的形狀並不符合實際情況。這是因為當前所選的參考坐標系 (CRS) 是 WGS 84，一個以經緯度為單位的坐標系統。因為要將地球這個橢球體展開成正交的經緯網格，工作區域中的圖形發生了形變。要解決這個問題，可以點擊上圖中界面右下角「Render」旁邊寫著 EPSG:4326 (OTF) 的區域，然後在彈出的窗口中勾選 Enable 『on the fly』 CRS transformation（啟用動態參考坐標系變換），並在 Filter 中搜索 WGS 84 / Pseudo Mercator，選中，確認，之後的圖形形狀，就是「正常」的了。關於不同投影方式和 CRS 的內容，並非本文的重點，此處暫且略過。

圖 4 中，右側窗口是 QGIS 自帶的 OSM 數據下載界面，開啟位置在 菜單欄→Vector→OpenStreetMap→Download Data。可以向上圖的預選設置那樣，下載工作區視圖範圍的數據，也可以手動輸入經緯度界定出的矩形框範圍。範圍越大，需要下載的數據量越多（OSM 導出是會導出最詳細層級的數據的），下載需要一段時間。

數據處理

通過上一步，我們獲得了一個約莫 50 M 大小的 OSM 數據包，裡面包含了道路、興趣點 (POI)、用地、建築之類的信息。然而，製作本例的肌理分析圖，僅僅需要其中部分數據。

此時，需要使用 QuickOSM 這個插件。在 菜單欄→Vector→QuickOSM 中打開插件，在 OSM File 一欄中打開剛才下載好的文件，僅勾選 Multipolygon，選擇 All tags. 點擊 Open 後，是漫長的等待（我下載的 OSM 文件包含了將近五萬個多邊形面）。本來，有一個速度比使用 QuickOSM 快得多的導入方法，但經試驗後，發現這個方法存在 bug，會導致一些要素的屬性缺失——這個錯誤還是比較致命的。我也翻查了 Stack Exchange，發現這個 bug 目前無解，只好使用 QuickOSM 插件了。

載入成功後，要素會自動添加到工作區域中。這時候，就可以在圖層面板中右鍵單擊剛才導入進來的圖層，先保存 (Save as…)。

圖 5

Multipolygon 除了包含建築外輪廓，也包含其他面狀要素——譬如 圖 5 中那些奇怪的多邊形塊。而這些要素，顯然並非本例需要的。要去除這些塊狀，可以利用表達式選取工具（圖 5 中高亮的圖標）。在窗口中輸入以下表達式——

"building" is not Nulln

然後點窗口右下角的 Select, 就可以選取所有屬於建築的面狀要素。不同的數據集，其欄位很可能是不同的（當然，OSM 數據的格式相當固定，`building` 欄位表示的就是建築類型，若是 Null，也就是非建築了），在處理數據的時候，需要查看屬性表（圖 5 高亮圖標右邊的工具，或者右鍵單擊圖層，Open Attribute Table）根據情況來寫表達式。

默認情況下，選中的要素會變成亮黃色。此時，再右鍵單擊圖層面板中的當前圖層（我這裡取名為 Polygons），再執行一次另存為操作。記得在這一次操作中，勾選 Save only selected features。

表達

雖然紐約的 OSM 數據相對完善，但查看屬性表之後，會發現仍然有部分建築的高度信息 (height) 為 Null——也就是說，該要素缺失高度信息。同時，屬性表中 `height` 欄位的類型是 Text (String)，也就是字元串。但是，如果想將數據映射到顏色漸變上，數據類型必須是整數 (Integer) 或者實數 (Real)。解決方法有兩個

第一種方法是對數據本身進行轉換：

1. 打開圖層的屬性表（方法見上文），按屬性表窗格中最左側的黃色鉛筆圖標，開啟編輯模式；
2. 按右數第二個圖標 (New Column)，新建一個欄位，名為 `BldgHeight`，類型 (Type) 選擇 Real，Width 填 5，Precision 填 2（Width 指整個數據總位數，而 Precision 為小數位數。按需選擇）；
3. 按最右邊的算盤 (?!) 圖標，打開欄位計算器 (Field Calculator)。如 圖 6，勾選 Update existing field, 選擇剛才創建的 `BldgHeight`，並在填寫表達式的文本框中填入下述表達式，確定。case when "height" is Null then 0 else "height" end
4. 最後保存。

第二種方法，是直接使用原來的數據，但是在設置圖層樣式時使用表達式來進行轉換。設置樣式的方法很簡單，在圖層面板中右鍵單擊建築圖層，然後點選 Properties。在出現的窗口中選擇 Style，就可以看到如下界面。在最頂端的下拉菜單中選擇 Graduated，以使用按數據選取漸變顏色這種表達類型，然後在 Column 中選擇需要使用的數據——如果在上面使用了「方法一」，那麼在這裡就直接選擇 BldgHeight；如果不打算動原始數據，那麼就點擊右邊的 epsilon 圖標，填入這個表達式：

case when "height" is Null then 0 else toreal("height") endn

圖 6

在初始狀態下，這個窗口的分類列表中是沒有任何項目的。在 Mode 的分類菜單中選取一種分類法——譬如圖中的自然間斷法——並且填寫分類數量，然後點按「Classify」按鈕，就能進行分類。當然，也可以自己進行手動分類 (Add Class)。

最後按 Apply，就能在工作區域中看到效果了。此時，可能會發現每個色塊都是帶描邊的——而在這個例子中，描邊的效果並不好。要取消掉描邊，只需要點按 圖 6 窗口中碩大的「Change」按鈕，在彈出來的窗口中，選中 Fill 裡面的 Simple Fill，最後更改描邊樣式 (Border Style) 即可。具體操作摸索一下就能搞懂，懶得截圖了。

出圖

出圖前，不妨改一改底圖的底色。通過 菜單欄→Project→Project Properties 打開文檔選項，在 General 一項中，就可以看到底色設置了。

將圖做出來了，還得導圖。QGIS 提供了類似 AutoCAD 中布局的功能 (Composer). 在 菜單欄→Project→Composer Manager 中，可以對地圖布局進行增加、刪除等管理。

新建一個 Composer。在出現的窗口左側，很容易就能找到「Add new map」這個圖標，戳一下，就能在畫布上繪製矩形地圖框了——類似於 AutoCAD 的視口。而在右手邊的 Composition 窗格，是關於文檔本身的信息設置——譬如，紙張大小，導出圖形的解析度，是否以點陣圖方式導出 PDF（如果打算獲得矢量文稿，在 AI 中進一步修改，就不要勾選了），等等；而 Item Properties 窗格，則是當前選中的對象自身的特性，譬如地圖的比例、比例尺 / 指北針這些對象的樣式等等。功能不複雜，自己玩一玩，很快就能弄懂怎麼用了。

後記

算上下載 OSM 文件和等待 QuickOSM 載入文件的時間，這張圖做起來其實大概只需要三四十分鐘。如果網和硬體夠好，估計用更少時間就能做出來了。然而，這篇教程 (?) 卻磕磕碰碰地寫了大概有四五小時。

雖然這篇文章選用的工具是 QGIS，但用 ArcGIS 也能舉一反三地去做，畢竟這兩個軟體的內在邏輯也比較相似。或許用 ArcGIS 會在數據獲取、轉換方面遇到一些本文沒有提到的麻煩，但如果已經有一定的 ArcGIS 使用經驗，大概也能通過查詢文檔和 Stack Exchange 之類的方法來解決吧。Grasshopper + ELK 方面，相關教程應該也不少了。

因為我也僅僅是個 QGIS 入門用戶，對軟體不熟，上述流程或許有不少繞彎的地方。如果讀者有更便捷的方法，在評論中指出，那就最好不過了。

感謝閱讀。