R Academy · 课时

空间连接与空间操作

应用 st_join()、st_intersection()、st_buffer() 和 st_distance()

空间连接与空间操作 是 CoddyKit 上的免费 R Academy 课时。这是第 3 节课，共 4 节。你可以在下方免费阅读本课时的完整内容 — 然后在浏览器中使用内置代码编辑器和全天候 AI 导师进行实践。这是 R Academy 学习路径的一部分，你的进度在网页和 CoddyKit 应用中同步。 R Academy 课程共包含 4 节课。

使用 st_join 进行空间连接

st_join(x, y) 会执行空间左连接：对于 x 中的每个要素，它会查找 y 中满足空间谓词（默认值：st_intersects）的要素，并附加这些要素的属性。多个匹配项会产生多行。

library(sf)

nc <- st_transform(
  read_sf(system.file('shape/nc.shp', package = 'sf')), 4326
)

# Create random points within NC bounding box
set.seed(42)
bbox <- st_bbox(nc)
pts <- data.frame(
  lon = runif(20, bbox['xmin'], bbox['xmax']),
  lat = runif(20, bbox['ymin'], bbox['ymax'])
)
pts_sf <- st_as_sf(pts, coords = c('lon', 'lat'), crs = 4326)

# Spatial join: assign county attributes to each point
pts_with_county <- st_join(pts_sf, nc['NAME'])

cat('Points with county:\n')
print(head(pts_with_county[, c('NAME', 'geometry')], 5))

st_within：点在多边形内

st_within(x, y) 会返回一个稀疏逻辑矩阵，用于指示 x 中的每个要素是否完全位于 y 中的某个要素内。它比 st_intersects 更严格——仅接触边界不算在内。

library(sf)

nc <- st_transform(
  read_sf(system.file('shape/nc.shp', package = 'sf')), 4326
)

# Random points
set.seed(7)
bbox <- st_bbox(nc)
pts_sf <- st_as_sf(
  data.frame(
    lon = runif(30, bbox['xmin'], bbox['xmax']),
    lat = runif(30, bbox['ymin'], bbox['ymax'])
  ),
  coords = c('lon', 'lat'), crs = 4326
)

# Which points are within NC at all?
within_nc <- st_within(pts_sf, st_union(nc), sparse = FALSE)[, 1]
cat('Points within NC:', sum(within_nc), '/ 30\n')

# Keep only points inside NC
pts_inside <- pts_sf[within_nc, ]
cat('Kept:', nrow(pts_inside), 'points\n')

st_intersects：重叠检查

当要素共享任何几何部分（边界或内部）时，st_intersects(x, y) 会返回 TRUE。它是限制最宽松的拓扑谓词。传入 sparse = FALSE，可以获得逻辑矩阵，而不是索引向量列表。

library(sf)

# Create two overlapping polygons
poly1 <- st_polygon(list(matrix(c(0,0, 2,0, 2,2, 0,2, 0,0), ncol=2, byrow=TRUE)))
poly2 <- st_polygon(list(matrix(c(1,1, 3,1, 3,3, 1,3, 1,1), ncol=2, byrow=TRUE)))
poly3 <- st_polygon(list(matrix(c(5,5, 6,5, 6,6, 5,6, 5,5), ncol=2, byrow=TRUE)))

sfc <- st_sfc(poly1, poly2, poly3, crs = 32119)

# Intersects matrix
mat <- st_intersects(sfc, sparse = FALSE)
cat('Intersects matrix:\n')
print(mat)
cat('\npoly1 intersects poly2:', mat[1, 2], '\n')
cat('poly1 intersects poly3:', mat[1, 3], '\n')

st_buffer：创建缓冲区

st_buffer(sf_obj, dist) 会以指定距离围绕每个要素创建缓冲区多边形。在地理 CRS 中，距离单位是度；在投影 CRS 中，距离单位是米——为了获得准确结果，请始终先进行投影，再创建缓冲区。

library(sf)

# City points in WGS84
cities <- data.frame(
  city = c('Raleigh', 'Charlotte', 'Greensboro'),
  lon  = c(-78.639, -80.843, -79.792),
  lat  = c(35.779,  35.227,  36.073)
)
cities_sf <- st_as_sf(cities, coords = c('lon', 'lat'), crs = 4326)

# Project to metres for accurate buffering (NC State Plane)
cities_proj <- st_transform(cities_sf, 32119)

# 25 km buffer around each city
buffers <- st_buffer(cities_proj, dist = 25000)

cat('Buffer geometry type:', unique(as.character(st_geometry_type(buffers))), '\n')
cat('Buffer area (km2):', round(as.numeric(st_area(buffers[1, ])) / 1e6, 2), '\n')
cat('Expected (pi*25^2):', round(pi * 25^2, 2), 'km2\n')

st_area：多边形面积

st_area(sf_obj) 会计算每个多边形的面积。在地理 CRS 中，它返回以球面度量单位表示的值（没有实用意义）；在使用米制单位的投影 CRS 中，它返回平方米。结果会携带 units 软件包提供的单位信息。

library(sf)
library(units)

nc <- read_sf(system.file('shape/nc.shp', package = 'sf'))
nc_proj <- st_transform(nc, 32119)  # NC State Plane, metres

# Area in m2 with units
nc_proj$area_m2 <- st_area(nc_proj)

# Convert to km2
nc_proj$area_km2 <- set_units(nc_proj$area_m2, 'km^2')

# Summary statistics
cat('Smallest county:', nc_proj$NAME[which.min(nc_proj$area_km2)],
    round(min(as.numeric(nc_proj$area_km2)), 1), 'km2\n')
cat('Largest county: ', nc_proj$NAME[which.max(nc_proj$area_km2)],
    round(max(as.numeric(nc_proj$area_km2)), 1), 'km2\n')

st_distance：成对距离

st_distance(x, y) 会计算 x 中所有要素与 y 中所有要素之间的距离矩阵。在 WGS84 上，它使用大地测量距离；在投影 CRS 上，它使用欧几里得距离。结果会携带 units 元数据。

library(sf)

cities <- data.frame(
  city = c('Raleigh', 'Charlotte', 'Greensboro', 'Wilmington'),
  lon  = c(-78.639, -80.843, -79.792, -77.909),
  lat  = c(35.779,  35.227,  36.073,  34.226)
)
cities_sf <- st_as_sf(cities, coords = c('lon', 'lat'), crs = 4326)

# Geodesic distance matrix (metres)
dist_m <- st_distance(cities_sf)
dist_km <- round(dist_m / 1000)

rownames(dist_km) <- cities$city
colnames(dist_km) <- cities$city

cat('Distance matrix (km):\n')
print(dist_km)

# Nearest neighbour for Raleigh
raleigh_dist <- as.numeric(dist_km['Raleigh', -1])
cat('\nNearest to Raleigh:',
    cities$city[-1][which.min(raleigh_dist)],
    min(raleigh_dist), 'km\n')

st_union：融合几何对象

st_union(sf_obj) 会将所有要素合并为一个几何对象，并消除内部边界。它适合用于根据多个县多边形创建单一轮廓多边形，或合并一组缓冲区。

library(sf)

nc <- st_transform(
  read_sf(system.file('shape/nc.shp', package = 'sf')), 32119
)

# Dissolve all counties into the NC state outline
nc_state <- st_union(nc)

cat('Counties before union:', nrow(nc), '\n')
cat('Features after union:', length(nc_state), '(single geometry)\n')
cat('Geometry type:', as.character(st_geometry_type(nc_state)), '\n')

# Area check: sum of counties == state area
county_area_sum <- sum(as.numeric(st_area(nc)))
state_area     <- as.numeric(st_area(nc_state))
cat('Sum of county areas:', round(county_area_sum / 1e9, 2), 'km2\n')
cat('State area:         ', round(state_area     / 1e9, 2), 'km2\n')

st_intersection：裁剪

st_intersection(x, y) 会返回每对要素的几何交集，即两个几何对象共同覆盖的区域。它用于将一个图层裁剪到另一个图层的范围内。

library(sf)

nc <- st_transform(
  read_sf(system.file('shape/nc.shp', package = 'sf')), 4326
)

# Clip NC counties to a bounding rectangle (eastern NC)
clip_box <- st_as_sfc(st_bbox(c(
  xmin = -78, xmax = -75,
  ymin = 33.5, ymax = 36.5
), crs = 4326))

eastern_nc <- st_intersection(nc, clip_box)
cat('Original features:', nrow(nc), '\n')
cat('Clipped features: ', nrow(eastern_nc), '\n')
cat('Geometry types:   ', paste(unique(as.character(st_geometry_type(eastern_nc))), collapse = ', '), '\n')

使用 dplyr 进行空间聚合

将 st_join() 与 dplyr::group_by() 和 summarise() 结合使用，可以按多边形聚合点数据。对 sf 对象进行分组时，几何列也会自动聚合（默认进行合并）。

library(sf)
library(dplyr)

nc <- st_transform(
  read_sf(system.file('shape/nc.shp', package = 'sf')), 4326
)

# Generate random sales events in NC
set.seed(99)
bbox <- st_bbox(nc)
pts <- st_as_sf(
  data.frame(
    lon   = runif(200, bbox['xmin'], bbox['xmax']),
    lat   = runif(200, bbox['ymin'], bbox['ymax']),
    sales = runif(200, 100, 1000)
  ),
  coords = c('lon', 'lat'), crs = 4326
)

# Join then aggregate
result <- st_join(pts, nc['NAME']) |>
  filter(!is.na(NAME)) |>
  st_drop_geometry() |>
  group_by(NAME) |>
  summarise(total_sales = sum(sales), n_events = n()) |>
  arrange(desc(total_sales))

cat('Top 5 counties by sales:\n')
print(head(result, 5))

st_nearest_feature

st_nearest_feature(x, y) 会为 x 中的每个要素返回 y 中最近要素的索引。将它与 st_distance() 结合使用，可以同时获得最近邻要素及其距离，这对分配问题很有用。

library(sf)

# Hospitals (facilities)
hospitals <- data.frame(
  name = c('Hospital A', 'Hospital B', 'Hospital C'),
  lon  = c(-79.5, -80.2, -78.8),
  lat  = c(35.8,  35.3,  36.1)
)
hosp_sf <- st_as_sf(hospitals, coords = c('lon', 'lat'), crs = 4326)

# Patient locations
patients <- data.frame(
  id  = 1:5,
  lon = c(-79.9, -80.5, -79.0, -78.5, -80.1),
  lat = c(35.7,  35.2,  35.9,  35.5,  36.0)
)
pt_sf <- st_as_sf(patients, coords = c('lon', 'lat'), crs = 4326)

# Find nearest hospital for each patient
nearest_idx <- st_nearest_feature(pt_sf, hosp_sf)
pt_sf$nearest_hospital <- hospitals$name[nearest_idx]

print(st_drop_geometry(pt_sf))

实用工作流程：缓冲并计数

一种常见的实际应用模式是：先为一组要素（例如学校）创建缓冲区，然后使用 st_join() 和 dplyr::count() 统计每个缓冲区内有多少个兴趣点（例如公交车站）。

library(sf)
library(dplyr)

# Schools as points
schools <- data.frame(
  id  = 1:3,
  lon = c(-79.8, -80.2, -79.4),
  lat = c(35.9,  35.5,  36.1)
)
schools_sf <- st_as_sf(schools, coords = c('lon', 'lat'), crs = 4326) |>
  st_transform(32119)  # project to metres

# Random bus stops
set.seed(5)
stops <- data.frame(
  stop_id = 1:50,
  lon = rnorm(50, -79.8, 0.3),
  lat = rnorm(50,  35.8, 0.2)
) |>
  st_as_sf(coords = c('lon', 'lat'), crs = 4326) |>
  st_transform(32119)

# 2 km buffer around each school
buffers <- st_buffer(schools_sf, dist = 2000)
buffers$school_id <- schools$id

# Count bus stops within each school buffer
joined <- st_join(stops, buffers['school_id'])
counts <- count(st_drop_geometry(joined), school_id)
cat('Bus stops within 2km:\n')
print(counts)

快速检查

您想找出图层 B 中与图层 A 的每个多边形重叠的所有多边形要素，并将 B 的属性附加到 A。应该使用哪个函数？

回顾：空间连接与操作

要点：

st_join(x, y)——使用谓词执行空间左连接（默认值：st_intersects）
st_within()——当 x 完全位于 y 内时返回 TRUE（不包括边界）
st_intersects()——当 x 的任意部分接触 y 时返回 TRUE（限制最宽松）
st_buffer(sf_obj, dist)——创建缓冲区；要获得以米为单位的准确缓冲区，请使用投影 CRS
st_area() / st_distance()——计算面积和距离（为确保准确，请先进行投影）
st_union()——融合所有要素；st_intersection()——将一个图层裁剪到另一个图层
st_nearest_feature(x, y)——查找最近邻要素

library(sf)
nc <- st_transform(
  read_sf(system.file('shape/nc.shp', package = 'sf')), 32119
)

# Quick operations summary
cat('Largest county:', nc$NAME[which.max(st_area(nc))], '\n')
nc_outline <- st_union(nc)
cat('State area km2:', round(as.numeric(st_area(nc_outline)) / 1e6, 0), '\n')

常见问题解答

「空间连接与空间操作」课时是免费的吗？

是的 — 「空间连接与空间操作」的完整文本可在网页上免费阅读。要进行交互式练习（内置代码编辑器和全天候 AI 导师）并解锁 R Academy 课程的其余内容，请升级到 CoddyKit PRO。 R Academy 课程共包含 4 节课。

「空间连接与空间操作」这节课中我会学到什么？

应用 st_join()、st_intersection()、st_buffer() 和 st_distance() 你通过在浏览器中直接运行的动手代码来练习 R Academy，全天候 AI 导师会在你学习这节课的过程中回答你的问题。

学习 R Academy 需要有经验吗？

无需任何先前经验。CoddyKit 上的 R Academy 课程适合初学者到高级学习者，你可以从这里开始或从头开始，按照自己的节奏学习。这是第 3 节课，共 4 节。

「空间连接与空间操作」课时需要多长时间？

大多数 CoddyKit 课程大约需要 5–10 分钟。每节课都很精短且互动，所以你能稳步进步，并在网页和应用中从离开的地方继续。

我能在这节 R Academy 课中编写并运行代码吗？

能。每节 R Academy 课都包含内置代码编辑器，你可以在浏览器中直接编写并运行真实代码，并获得即时 AI 反馈 — 无需本地设置。

此课程中的所有课时

← 返回 R Academy