【Python】Python Astar算法生成最短路径GPS轨迹

news2025/3/1 14:26:03

简介

最短路径问题是计算机科学中一个经典问题，它涉及找到图中两点之间距离最短的路徑。在实际应用中，最短路径算法用于解决广泛的问题，例如导航、物流和网络优化。

步骤 1：加载道路网络数据

要计算最短路径，我们需要一个表示道路网络的图。我们可以使用 NetworkX 的 read_shp 函数从 Shapefile 文件加载图。

import networkx as nx

g = nx.read_shp("path/to/roads.shp")

步骤 2：定义起点和终点
接下来，我们需要定义起点和终点坐标。我们可以使用 Shapely 的 Point 类来表示这些坐标。

from shapely.geometry import Point

start_point = Point(116.3000, 39.8600)
end_point = Point(116.4500, 39.9000)

步骤 3：寻找最近的节点
由于图中的路径通常链接节点，我们需要找到起点和终点最近的节点。我们可以遍历所有边，并使用 Shapely 的 interpolate 和 project 函数计算距离。

start_nearest_node = None
start_nearest_distance = float('inf')

for edge in g.edges(data=True):
    line = wkt_loads(edge[2]['Wkt'])
    nearest_point = line.interpolate(line.project(start_point))
    distance = nearest_point.distance(start_point)
    if distance < start_nearest_distance:
        start_nearest_distance = distance
        start_nearest_node = list(line.coords)[0]
# 重复上述步骤查找最近的终点节点

步骤 4：计算最短路径
现在，我们可以使用 NetworkX 的 shortest_path 函数计算起点和终点节点之间的最短路径。

shortest_path = nx.astar_path(g, source=start_nearest_node, target=end_nearest_node, weight='length')

步骤 5：可视化路径
最后，我们可以使用 Matplotlib 绘制最短路径。

import matplotlib.pyplot as plt

fig, ax = plt.subplots()

# 绘制道路边
edges = gpd.read_file("path/to/roads.shp")
edges.plot(ax=ax, color='gray', linewidth=0.5)

# 标记起点和终点
plt.scatter(start_point.x, start_point.y, color='green', label='Start')
plt.scatter(end_point.x, end_point.y, color='blue', label='End')

# 绘制路径
path_geom = []
for u, v in zip(shortest_path[:-1], shortest_path[1:]):
    line = wkt_loads(g[u][v]['Wkt'])
    path_geom.append(line)
    ax.plot(*line.xy, color='red', linewidth=2)

plt.legend()
plt.show()