geopandas

name	geopandas
description	Use when performing vector spatial data analysis in Python — reading/writing shapefiles, spatial joins, overlay operations, choropleth maps. GeoPandas: extends pandas DataFrames with geometry columns for Pythonic spatial analysis.
tags	["python","pandas","vector","geometry","geodataframe","spatial-analysis","io","visualization"]

项目地址： https://github.com/geopandas/geopandas

官方文档： https://geopandas.readthedocs.io

官网： https://geopandas.org

许可证： BSD-3-Clause

概述

GeoPandas 是 Python 地理空间矢量数据处理的核心库，在 pandas DataFrame 基础上扩展了几何列支持。核心类 GeoDataFrame（继承 pandas.DataFrame）和 GeoSeries（继承 pandas.Series）通过 Shapely 提供几何运算、通过 pyproj 提供坐标系管理、通过 pyogrio/fiona 提供文件 IO。

依赖关系

核心依赖	最低版本	用途
pandas	>= 2.0.0	DataFrame 基类
shapely	>= 2.0.0	几何对象与运算 (GEOS)
pyproj	>= 3.5.0	CRS 处理与坐标变换
pyogrio	>= 0.7.2	默认文件 IO 引擎 (GDAL/OGR)
numpy	>= 1.24	数组运算

可选依赖	用途
matplotlib >= 3.5	静态地图绘制 .plot()
folium	交互式地图 .explore()
mapclassify >= 2.7	分级设色分类方案
fiona >= 1.8.21	备选文件 IO 引擎
pyarrow >= 15.0.0	Parquet/Feather/Arrow 支持
geopy	地理编码
SQLAlchemy >= 2.0 + GeoAlchemy2	PostGIS 读写
xyzservices	瓦片底图服务

全局配置

import geopandas as gpd
gpd.options.display_precision  # int|None, WKT 小数位数 (0-16)
gpd.options.io_engine          # None|"pyogrio"|"fiona"

---

核心类 API

GeoDataFrame

gpd.GeoDataFrame(data=None, *args, geometry=None, crs=None, **kwargs)

备选构造器

方法	签名
GeoDataFrame.from_dict()	(data, geometry=None, crs=None, **kwargs)
GeoDataFrame.from_file()	(filename, **kwargs)
GeoDataFrame.from_features()	(features, crs=None, columns=None)
GeoDataFrame.from_postgis()	(sql, con, geom_col="geom", crs=None, ...)
GeoDataFrame.from_arrow()	(table, geometry=None, to_pandas_kwargs=None)

核心属性

属性	说明
.geometry	活跃几何列 (GeoSeries)
.crs	坐标参考系 (pyproj.CRS)
.active_geometry_name	活跃几何列名
.total_bounds	整体边界 [minx, miny, maxx, maxy]
.sindex	空间索引 (STRtree)

几何管理

方法	签名
set_geometry()	(col, drop=None, inplace=False, crs=None)
rename_geometry()	(col, inplace=False)
set_crs()	(crs=None, epsg=None, inplace=False, allow_override=False)
to_crs()	(crs=None, epsg=None, inplace=False)
estimate_utm_crs()	(datum_name="WGS 84") → pyproj.CRS

空间操作（GeoDataFrame 级别）

方法	签名
dissolve()	(by=None, aggfunc="first", as_index=True, sort=True, method="unary", grid_size=None)
explode()	(column=None, ignore_index=False, index_parts=False)
sjoin()	(df, how="inner", predicate="intersects", lsuffix="left", rsuffix="right")
sjoin_nearest()	(right, how="inner", max_distance=None, distance_col=None, exclusive=False)
clip()	(mask, keep_geom_type=False, sort=False)
overlay()	(right, how="intersection", keep_geom_type=None, make_valid=True)

序列化输出

方法	说明
to_file(filename, driver=None, ...)	Shapefile/GPKG/GeoJSON 等
to_parquet(path, compression="snappy", geometry_encoding="WKB", ...)	GeoParquet
to_feather(path, ...)	Feather
to_json(na="null", show_bbox=False, to_wgs84=False, ...)	GeoJSON 字符串
to_geo_dict(...)	Python dict (FeatureCollection)
to_wkb(hex=False)	DataFrame (WKB)
to_wkt()	DataFrame (WKT)
to_postgis(name, con, schema=None, if_exists="fail", ...)	PostGIS
to_arrow(geometry_encoding="WKB", ...)	Arrow Table

---

GeoSeries

gpd.GeoSeries(data=None, index=None, crs=None, **kwargs)

备选构造器

方法	签名
GeoSeries.from_wkb()	(data, index=None, crs=None, on_invalid="raise")
GeoSeries.from_wkt()	(data, index=None, crs=None, on_invalid="raise")
GeoSeries.from_xy()	(x, y, z=None, index=None, crs=None)
GeoSeries.from_file()	(filename, **kwargs)
GeoSeries.from_arrow()	(arr, **kwargs)

坐标访问器（仅限 Point）

.x, .y, .z, .m → pandas.Series

---

共享几何属性与方法（GeoDataFrame.geometry / GeoSeries）

标量属性 → pandas.Series

属性	返回类型	说明
.area	float	面积（CRS 单位）
.length	float	长度/周长
.geom_type	str	几何类型名称
.is_valid	bool	几何有效性
.is_empty	bool	空几何检查
.is_simple	bool	不自相交
.has_z	bool	含 z 坐标
.bounds	DataFrame	每几何体 (minx, miny, maxx, maxy)
.total_bounds	array	整体 (minx, miny, maxx, maxy)

几何属性 → GeoSeries

.boundary, .centroid, .convex_hull, .envelope, .exterior

一元几何方法 → GeoSeries

方法	签名
buffer()	(distance, quad_segs=None, **kwargs)
simplify()	(tolerance, preserve_topology=True)
representative_point()	()
make_valid()	(method="linework", keep_collapsed=True)
normalize()	()
reverse()	()
segmentize()	(max_segment_length)
force_2d()	()
force_3d()	(z=0)
offset_curve()	(distance, quad_segs=8, join_style="round", mitre_limit=5.0)
minimum_rotated_rectangle()	()
minimum_bounding_circle()	()
maximum_inscribed_circle()	(tolerance)
concave_hull()	(ratio, allow_holes)
extract_unique_points()	()
remove_repeated_points()	(tolerance=0.0)
line_merge()	(directed=False)
set_precision()	(grid_size, mode="valid_output")
orient_polygons()	(exterior_cw=False)
constrained_delaunay_triangles()	()

二元谓词 → Series[bool]

contains(other, align=None)          covers(other, align=None)
covered_by(other, align=None)        crosses(other, align=None)
disjoint(other, align=None)          intersects(other, align=None)
overlaps(other, align=None)          touches(other, align=None)
within(other, align=None)            contains_properly(other, align=None)
dwithin(other, distance, align=None)
geom_equals(other, align=None)       geom_equals_exact(other, tolerance, align=None)
geom_equals_identical(other, align=None)
relate_pattern(other, pattern)

二元几何运算 → GeoSeries

difference(other, align=None)          intersection(other, align=None)
symmetric_difference(other, align=None) union(other, align=None)
shortest_line(other, align=None)       snap(other, tolerance, align=None)
shared_paths(other, align=None)

距离方法 → Series[float]

distance(other, align=None)
hausdorff_distance(other, align=None)
frechet_distance(other, align=None)

线性参考

interpolate(distance, normalized=False)  → GeoSeries (线上的点)
project(other, normalized=False)         → Series[float] (沿线距离)

聚合方法

union_all(method="unary", grid_size=None)  → 单个 Shapely geometry
intersection_all()                         → 单个 Shapely geometry

仿射变换 → GeoSeries

affine_transform(matrix)
translate(xoff=0.0, yoff=0.0, zoff=0.0)
rotate(angle, origin="center", use_radians=False)
scale(xfact=1.0, yfact=1.0, zfact=1.0, origin="center")
skew(xs=0.0, ys=0.0, origin="center", use_radians=False)
transform(transformation, include_z=False)

其他方法

方法	返回	说明
clip_by_rect(xmin, ymin, xmax, ymax)	GeoSeries	矩形裁剪
relate(other, align=None)	Series[str]	DE-9IM 矩阵
count_coordinates()	Series[int]	坐标对数量
count_geometries()	Series[int]	多部件几何体部件数
get_coordinates()	DataFrame	提取所有坐标
hilbert_distance()	Series	Hilbert 曲线距离
is_valid_reason()	Series[str]	无效原因

---

空间索引 (SpatialIndex)

sindex = gdf.sindex
sindex.query(geometry, predicate=None, sort=False, distance=None)
sindex.nearest(geometry, max_distance=None, return_distance=False, return_all=True, exclusive=False)
sindex.valid_query_predicates  # 有效谓词集合
sindex.size                    # 几何体数量
sindex.is_empty                # 是否为空

---

IO 模块

文件读写

gpd.read_file(filename, bbox=None, mask=None, columns=None, rows=None, engine=None, **kwargs)
gdf.to_file(filename, driver=None, schema=None, index=None, **kwargs)
gpd.list_layers(filename)  # → DataFrame (layer_name, geometry_type)

支持的文件格式（扩展名 → 驱动）：

扩展名	驱动
.shp	ESRI Shapefile
.json, .geojson	GeoJSON
.geojsonl, .geojsons	GeoJSONSeq
.gpkg	GPKG (GeoPackage)
.gml, .xml	GML
.gpx	GPX
.csv	CSV
.fgb	FlatGeobuf
.dxf	DXF
.tab, .mif, .mid	MapInfo File

引擎选项："pyogrio"（默认）或 "fiona"。支持所有 GDAL/OGR 驱动。

GeoParquet / Feather

gpd.read_parquet(path, columns=None, storage_options=None, bbox=None, **kwargs)
gpd.read_feather(path, columns=None, **kwargs)
gdf.to_parquet(path, compression="snappy", geometry_encoding="WKB",
               write_covering_bbox=False, schema_version=None, **kwargs)
gdf.to_feather(path, compression=None, schema_version=None, **kwargs)

GeoParquet 规范版本："1.0.0", "1.1.0" 等。几何编码："WKB"（默认）、"geoarrow"。

Arrow (GeoArrow)

gdf.to_arrow(geometry_encoding="WKB", interleaved=True, include_z=None)
GeoDataFrame.from_arrow(table, geometry=None, to_pandas_kwargs=None)
gs.to_arrow(geometry_encoding="WKB", interleaved=True, include_z=None)
GeoSeries.from_arrow(arr, **kwargs)

PostGIS

gpd.read_postgis(sql, con, geom_col="geom", crs=None, index_col=None, ...)
gdf.to_postgis(name, con, schema=None, if_exists="fail", index=False, ...)

需要：SQLAlchemy + GeoAlchemy2 + psycopg/psycopg2。

WKB/WKT 与坐标构造

gpd.points_from_xy(x, y, z=None, crs=None)  # → GeometryArray
GeoSeries.from_wkb(data, crs=None, on_invalid="raise")
GeoSeries.from_wkt(data, crs=None, on_invalid="raise")
GeoSeries.from_xy(x, y, z=None, crs=None)

---

工具模块 (tools)

空间连接

gpd.sjoin(left_df, right_df, how="inner", predicate="intersects",
          lsuffix="left", rsuffix="right", distance=None, on_attribute=None)

• how: "inner", "left", "right"
• predicate: "intersects", "within", "contains", "contains_properly", "overlaps", "crosses", "touches", "covers", "covered_by", "dwithin"
• on_attribute: 附加非空间连接过滤列名

最近邻空间连接

gpd.sjoin_nearest(left_df, right_df, how="inner", max_distance=None,
                  distance_col=None, exclusive=False)

空间叠加

gpd.overlay(df1, df2, how="intersection", keep_geom_type=None, make_valid=True)

• how: "intersection", "union", "identity", "symmetric_difference", "difference"

裁剪

gpd.clip(gdf, mask, keep_geom_type=False, sort=False)

• mask: GeoDataFrame、GeoSeries、(Multi)Polygon 或 (minx, miny, maxx, maxy) 元组

地理编码

gpd.tools.geocode(strings, provider=None, **kwargs)          # → GeoDataFrame
gpd.tools.reverse_geocode(points, provider=None, **kwargs)   # → GeoDataFrame

需要 geopy。默认 provider: "photon"。返回含 geometry 和 address 列的 GeoDataFrame。

其他工具

gpd.tools.collect(x, multi=False)  # 收集几何体为多部件
gpd.show_versions()                # 打印依赖版本信息

---

可视化

静态绑图 (matplotlib)

# GeoSeries
gs.plot(cmap=None, color=None, ax=None, figsize=None, aspect="auto")

# GeoDataFrame — 支持分级设色
gdf.plot(column=None, cmap=None, color=None, ax=None, figsize=None,
         legend=False, scheme=None, k=5, vmin=None, vmax=None,
         markersize=None, categories=None, classification_kwds=None,
         missing_kwds=None, legend_kwds=None, **style_kwds)

scheme 参数需要 mapclassify，支持 "quantiles", "equal_interval", "fisher_jenks" 等分类方案。

交互式地图 (folium/leaflet)

gdf.explore(column=None, cmap=None, color=None, m=None,
            tiles="OpenStreetMap", tooltip=True, popup=False,
            categorical=False, legend=True, scheme=None, k=5,
            marker_type=None, marker_kwds={}, style_kwds={},
            tooltip_kwds={}, popup_kwds={}, legend_kwds={}, **kwargs)

---

常用模式速查

创建 GeoDataFrame

import geopandas as gpd
from shapely.geometry import Point, Polygon, LineString

# 从文件读取
gdf = gpd.read_file("data.shp")
gdf = gpd.read_file("data.gpkg", layer="my_layer")
gdf = gpd.read_parquet("data.parquet")

# 从字典创建
gdf = gpd.GeoDataFrame(
    {"name": ["A", "B"], "value": [1, 2],
     "geometry": [Point(0, 0), Point(1, 1)]},
    crs="EPSG:4326"
)

# 从 pandas DataFrame + 坐标列
import pandas as pd
df = pd.DataFrame({"lon": [116.4, 121.5], "lat": [39.9, 31.2], "city": ["北京", "上海"]})
gdf = gpd.GeoDataFrame(df, geometry=gpd.points_from_xy(df.lon, df.lat), crs="EPSG:4326")

# 从 WKT/WKB
gs = gpd.GeoSeries.from_wkt(["POINT (0 0)", "POLYGON ((0 0, 1 0, 1 1, 0 1, 0 0))"], crs=4326)

# 从 GeoJSON FeatureCollection
gdf = gpd.GeoDataFrame.from_features(feature_collection["features"], crs="EPSG:4326")

CRS 操作

gdf = gdf.set_crs("EPSG:4326")          # 赋值 CRS（数据本身不变）
gdf = gdf.to_crs("EPSG:3857")           # 投影变换（坐标重算）
gdf = gdf.to_crs(epsg=32650)            # 按 EPSG 代码投影
utm = gdf.estimate_utm_crs()            # 自动检测 UTM 分区

注意：set_crs() 仅标记 CRS 不转换坐标；to_crs() 实际执行坐标变换。面积/距离计算前务必投影到适当的投影坐标系（如 UTM）。

空间分析

# 空间连接
joined = gpd.sjoin(points_gdf, polygons_gdf, how="inner", predicate="within")

# 最近邻连接
nearest = gpd.sjoin_nearest(gdf1, gdf2, max_distance=1000, distance_col="dist_m")

# 空间叠加
result = gpd.overlay(gdf1, gdf2, how="intersection")

# 裁剪
clipped = gpd.clip(gdf, mask_polygon)
clipped = gpd.clip(gdf, (xmin, ymin, xmax, ymax))  # 矩形快速裁剪

# 按属性融合
dissolved = gdf.dissolve(by="province", aggfunc="sum")

# 多部件炸开
exploded = gdf.explode(index_parts=False)

# 缓冲区、简化
gdf["buffer_100m"] = gdf.geometry.buffer(100)
gdf["simplified"] = gdf.geometry.simplify(tolerance=50)

几何谓词与度量

gdf.geometry.intersects(other_geom)    # Series[bool]
gdf.geometry.contains(other_geom)      # Series[bool]
gdf.geometry.within(other_geom)        # Series[bool]
gdf.geometry.distance(other_geom)      # Series[float]
gdf.geometry.area                      # Series[float]
gdf.geometry.length                    # Series[float]
gdf.geometry.centroid                  # GeoSeries
gdf.geometry.bounds                    # DataFrame
gdf.total_bounds                       # array [minx, miny, maxx, maxy]

数据输出

gdf.to_file("output.gpkg", driver="GPKG", layer="result")
gdf.to_file("output.geojson", driver="GeoJSON")
gdf.to_parquet("output.parquet")
geojson_str = gdf.to_json()
gdf.to_postgis("table_name", engine, if_exists="replace")

可视化

# 静态地图
ax = gdf.plot(column="population", cmap="YlOrRd", legend=True, figsize=(12, 8))

# 多图层叠加
ax = base_gdf.plot(color="lightgrey", figsize=(12, 8))
points_gdf.plot(ax=ax, color="red", markersize=5)

# 交互式地图
m = gdf.explore(column="population", cmap="viridis",
                tooltip=["name", "population"], tiles="CartoDB positron")

---

常见错误与解决

问题	原因	解决方案
面积/距离为 0 或极小	CRS 为地理坐标系 (度)	gdf.to_crs(gdf.estimate_utm_crs()) 后计算
sjoin 无结果	两个 GDF 的 CRS 不一致	统一 CRS：gdf2 = gdf2.to_crs(gdf1.crs)
ValueError: GeoDataFrame does not support multiple columns using the geometry column name 'geometry'	多个列名为 geometry	重命名冲突列或使用 set_geometry() 指定
to_file 属性被截断	Shapefile 字段名限制 10 字符	使用 GeoPackage (.gpkg) 或 GeoJSON
set_crs vs to_crs 混淆	set_crs 仅赋值不转换	已有 CRS 需要转换用 to_crs()；无 CRS 标记用 set_crs()
Shapefile 不支持空值/日期时间	Shapefile 格式限制	使用 GeoPackage 格式
DriverError 无法写入	驱动不支持或文件被占用	检查驱动名拼写、关闭已打开的文件
align=True 导致意外 NaN	二元操作默认按索引对齐	传入 align=False 或重置索引

AI 使用建议

推荐工作流

1. 读取数据：使用 gpd.read_file() 读取矢量文件，或 gpd.read_parquet() 读取 GeoParquet
2. 检查 CRS：始终先检查 gdf.crs，需要在投影坐标系（非地理坐标系）下进行面积/距离计算
3. 空间分析：使用 gpd.sjoin() 进行空间连接，gpd.overlay() 进行叠加分析，gpd.clip() 进行裁剪
4. 可视化：使用 .plot() 快速静态出图，.explore() 生成交互式地图
5. 输出：使用 gdf.to_file() 或 gdf.to_parquet() 保存结果，优先使用 GeoPackage 或 GeoParquet 格式

关键注意事项

• set_crs() vs to_crs()：set_crs() 仅标记坐标系不转换坐标，to_crs() 执行实际坐标变换——切勿混用
• 面积/距离计算前投影：地理坐标系（EPSG:4326）下面积单位为度²无意义，应使用 gdf.to_crs(gdf.estimate_utm_crs()) 投影后再计算
• 空间操作前统一 CRS：确保参与 sjoin、overlay、clip 的所有 GeoDataFrame 使用相同 CRS
• 优先使用 GeoParquet：比 Shapefile/GeoJSON 读写快 5-10 倍，且无字段名长度限制
• 向量化操作：避免逐行循环，使用 GeoSeries 的向量化方法（buffer()、intersection() 等）批量处理
• 空间索引自动构建：.sindex 自动维护 STRtree，query() 和 nearest() 可大幅加速空间查询

相关技能

• shapely — 底层几何计算库：../shapely/SKILL.md
• gdal — 命令行数据处理：../gdal/SKILL.md
• pyqgis — QGIS Python 绑定：../pyqgis/SKILL.md
• postgis — 空间数据库：../postgis/SKILL.md
• geopipe-agent — AI 原生分析流水线：../geopipe-agent/SKILL.md

性能提示

• GeoParquet 比 Shapefile/GeoJSON 读写快 5-10 倍，优先使用
• 空间索引 .sindex 自动构建 STRtree，query() 和 nearest() 可大幅加速空间查询
• 矩形裁剪 clip_by_rect() 或 clip(gdf, (xmin,ymin,xmax,ymax)) 比多边形裁剪快
• pyogrio 引擎（默认）比 fiona 快 2-5 倍
• 大数据集用 read_file(rows=slice(0, 1000)) 先预览
• dissolve() 使用 method="coverage" 对已知不重叠的多边形更快
• 避免逐行循环几何操作，使用向量化方法（如 buffer(), intersection() 等）

---

参考资源

• GitHub 仓库： https://github.com/geopandas/geopandas
• 官方文档： https://geopandas.readthedocs.io
• 官网： https://geopandas.org
• GeoParquet 规范： https://geoparquet.org/
• 中文教程（znlgis）： https://znlgis.github.io/gis/tutorial/geopandas/