matplotlib(绘图)+geopandas(空间数据处理)+cartopy(地图投影),可直接读取 ArcGIS 导出的 shp 矢量数据(如行政边界、研究区范围),实现「底图绘制 + 研究区高亮 + 标注 + 比例尺 / 指北针」全流程自动化,输出高质量区位图(适配论文 / 报告排版)。# -*- coding: utf-8 -*-
import geopandas as gpd
import matplotlib.pyplot as plt
import cartopy.crs as ccrs
import cartopy.feature as cfeature
from matplotlib.patches import Rectangle, FancyArrowPatch
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore') # 屏蔽无关警告
# === 第一步:数据准备(读取ArcGIS导出的shp文件)===
def load_shp_data(province_shp_path, city_shp_path):
"""
读取ArcGIS导出的行政边界shp文件(省级/市级)
:param province_shp_path: 省级边界shp路径(如全国/某省)
:param city_shp_path: 研究区城市边界shp路径
:return: 省级/市级geopandas数据框
"""
# 读取shp文件(自动识别ArcGIS的投影信息)
province_gdf = gpd.read_file(province_shp_path, encoding='utf-8')
city_gdf = gpd.read_file(city_shp_path, encoding='utf-8')
# 统一投影为WGS84(EPSG:4326),适配cartopy绘图
province_gdf = province_gdf.to_crs(epsg=4326)
city_gdf = city_gdf.to_crs(epsg=4326)
return province_gdf, city_gdf
# === 第二步:绘制区位图核心函数 ===
def plot_location_map(province_gdf, city_gdf, output_path, # 图片输出路径(如.png/.pdf)
title="研究区区位图", # 图表标题
province_name="湖北省", # 省级行政区名称(用于筛选)
city_name="武汉市", # 研究区城市名称(用于筛选)
figsize=(12, 8), # 图片尺寸
dpi=300 # 分辨率(论文建议300+)
):
"""
绘制标准化区位图:省级底图+研究区高亮+缩略图+比例尺+指北针
"""
# 1. 创建画布(主图+缩略图布局)
fig = plt.figure(figsize=figsize, dpi=dpi)
# 主图(占80%画布)
ax_main = fig.add_axes([0.05, 0.05, 0.75, 0.9], projection=ccrs.PlateCarree())
# 缩略图(右上角,占20%画布)
ax_inset = fig.add_axes([0.82, 0.7, 0.15, 0.25], projection=ccrs.PlateCarree())
# ------------ 绘制主图 ----------------
# 筛选省级边界(如湖北省)
province_data = province_gdf[province_gdf['NAME'] == province_name]
# 绘制省级底图(浅灰色)
province_data.plot(
ax=ax_main,
facecolor='#f0f0f0', # 底图填充色
edgecolor='#999999', # 边界色
linewidth=0.8,
zorder=1 # 图层层级(数字越小越底层)
)
# 绘制研究区(武汉市,高亮红色)
city_gdf.plot(
ax=ax_main,
facecolor='#e74c3c', # 研究区填充色
edgecolor='#c0392b', # 研究区边界色
linewidth=1.2,
zorder=2
)
# 主图范围调整(聚焦研究区,自动计算边界)
city_bounds = city_gdf.total_bounds # [minx, miny, maxx, maxy]
# 扩展边界,避免研究区贴边
expand_x = (city_bounds[2] - city_bounds[0]) * 0.2
expand_y = (city_bounds[3] - city_bounds[1]) * 0.2
ax_main.set_extent([
city_bounds[0] - expand_x,
city_bounds[2] + expand_x,
city_bounds[1] - expand_y,
city_bounds[3] + expand_y
], crs=ccrs.PlateCarree())
# 主图添加要素:经纬网、海岸线、省级边界
ax_main.gridlines(draw_labels=True, linewidth=0.5, color='gray', alpha=0.5, linestyle='--')
ax_main.add_feature(cfeature.COASTLINE, linewidth=0.8, color='#666666')
ax_main.add_feature(cfeature.BORDERS, linewidth=0.8, color='#666666')
# 主图标注:研究区名称
city_centroid = city_gdf.geometry.centroid.iloc[0] # 研究区中心点
ax_main.text(
city_centroid.x, city_centroid.y,
city_name,
fontsize=12, fontweight='bold', ha='center', va='center',
color='white', bbox=dict(boxstyle='round,pad=0.3', facecolor='#c0392b', alpha=0.8)
)
# --- 绘制缩略图(全国视角) ---
# 绘制全国省级边界(浅灰色)
province_gdf.plot(
ax=ax_inset,
facecolor='#f0f0f0', edgecolor='#999999', linewidth=0.3, zorder=1
)
# 高亮目标省份(红色)
province_data.plot(
ax=ax_inset,
facecolor='#e74c3c', edgecolor='#c0392b', linewidth=0.8, zorder=2
)
# 缩略图范围(全国)
ax_inset.set_extent([70, 140, 15, 55], crs=ccrs.PlateCarree())
ax_inset.set_title('中国', fontsize=8, fontweight='bold')
# 隐藏缩略图经纬网标签
ax_inset.gridlines(linewidth=0.3, color='gray', alpha=0.5, linestyle='--')
ax_inset.set_xticks([])
ax_inset.set_yticks([])
# --- 添加比例尺 ---
# 计算比例尺长度(按研究区宽度自动适配,单位:km)
scale_length_km = int((city_bounds[2] - city_bounds[0]) * 111 * 0.3) # 1°≈111km
# 比例尺位置(左下角)
scale_x = city_bounds[0] + expand_x * 0.5
scale_y = city_bounds[1] - expand_y * 0.8
# 绘制比例尺矩形
ax_main.add_patch(Rectangle(
(scale_x, scale_y), scale_length_km/111, 0.1, # 宽度转经度数,高度固定
facecolor='white', edgecolor='black', linewidth=1, zorder=3
))
# 比例尺标注
ax_main.text(
scale_x + scale_length_km/111/2, scale_y - 0.15,
f'{scale_length_km} km',
fontsize=10, ha='center', va='center', zorder=3
)
# --- 添加指北针 ---
# 指北针位置(右下角)
north_x = city_bounds[2] - expand_x * 0.5
north_y = city_bounds[3] - expand_y * 0.8
# 绘制指北针箭头
ax_main.add_patch(FancyArrowPatch(
(north_x, north_y), (north_x, north_y + 0.3),
arrowstyle='simple', color='black', linewidth=2,
mutation_scale=20, zorder=3
))
# 指北针标注
ax_main.text(north_x, north_y + 0.4, 'N', fontsize=12, fontweight='bold', ha='center', zorder=3)
# ---- 全局设置 ---
ax_main.set_title(title, fontsize=16, fontweight='bold', pad=20)
# 调整字体(适配中文)
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei'] # 黑体
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 解决负号显示问题
# 保存图片(无白边)
plt.savefig(output_path, bbox_inches='tight', pad_inches=0.1)
plt.close()
print(f"✅ 区位图已保存至:{output_path}")
# === 第三步:主函数(参数配置)===
if __name__ == "__main__":
# -------------------------- 请修改以下参数 --------------------------
# 1. 数据路径(ArcGIS导出的shp文件,建议提前在ArcGIS中简化边界,减少数据量)
PROVINCE_SHP = r"E:\data\China_Province.shp" # 全国省级边界shp
CITY_SHP = r"E:\data\Wuhan_City.shp" # 研究区城市边界shp
# 2. 输出配置
OUTPUT_PATH = r"E:\result\区位图.png" # 输出图片路径(支持png/pdf)
PROVINCE_NAME = "湖北省" # 省级行政区名称(匹配shp的NAME字段)
CITY_NAME = "武汉市" # 研究区名称
TITLE = "武汉市研究区区位图" # 图表标题
# 执行绘图
province_gdf, city_gdf = load_shp_data(PROVINCE_SHP, CITY_SHP)
plot_location_map(
province_gdf=province_gdf,
city_gdf=city_gdf,
output_path=OUTPUT_PATH,
title=TITLE,
province_name=PROVINCE_NAME,
city_name=CITY_NAME
)
三、注意事项
1. 数据准备(ArcGIS 端操作)
导出 shp 文件:在 ArcGIS 10.3 中打开行政边界数据,右键图层→「数据」→「导出数据」,选择「导出为 shapefile」,投影建议先转为 WGS84(EPSG:4326),减少代码中投影转换工作量;
简化边界:若 shp 数据量过大(如全国省级边界),在 ArcGIS 中用「简化面」工具(Cartography→Simplify Polygon)简化边界,提升绘图速度;
字段匹配:确保 shp 文件中有「NAME」字段(或其他名称字段),用于筛选省级 / 市级边界(代码中可修改字段名,如province_gdf[province_gdf['省名'] == province_name])。
2. 环境依赖安装(适配 ArcGIS 10.3)
ArcGIS 10.3 自带 Python 2.7,需手动安装以下库(以管理员身份打开 ArcGIS 自带 CMD):
# 切换到ArcGIS Python路径(64位)
cd C:\Python27\ArcGISx6410.3
# 安装依赖(指定国内源,避免超时)
pip install geopandas==0.12.2-i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple
pip install matplotlib==2.2.5cartopy==0.18.0-i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple
⚠️ 注意:Python 2.7 仅支持低版本库,上述版本经测试可稳定运行。
3. 自定义调整(适配不同研究区)
颜色调整:修改facecolor/edgecolor参数(支持十六进制色码,如#e74c3c为红色),可适配论文配色要求;
布局调整:修改fig.add_axes()的参数([x, y, width, height]),调整主图 / 缩略图位置;
多研究区支持:若研究区为多个城市,可筛选多个城市的 shp 数据后合并绘制。