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[Python知识库]两城市间的最短路径并绘图[BFS、排序]——Python解决方案

作者:recommend-item-box type_blog clearfix

前言:利用Python进行数据处理,并通过第三方包的支持绘画出我国主要城市的分布图,并利用BFS广搜优先搜索计算出任意两个城市间的最短路线

相关Package

import re  #正则表达式的包
import math  #数学工具包
import networkx as nx #networkx绘图包
import matplotlib  #matplotlib绘图包
import matplotlib.pyplot as plt
from collections import defaultdict  

数据准备

以下是一些城市的经纬度信息:

coordination_source = """
{name:'兰州', geoCoord:[103.73, 36.03]},
{name:'嘉峪关', geoCoord:[98.17, 39.47]},
{name:'西宁', geoCoord:[101.74, 36.56]},
{name:'成都', geoCoord:[104.06, 30.67]},
{name:'石家庄', geoCoord:[114.48, 38.03]},
{name:'拉萨', geoCoord:[102.73, 25.04]},
{name:'贵阳', geoCoord:[106.71, 26.57]},
{name:'武汉', geoCoord:[114.31, 30.52]},
{name:'郑州', geoCoord:[113.65, 34.76]},
{name:'济南', geoCoord:[117, 36.65]},
{name:'南京', geoCoord:[118.78, 32.04]},
{name:'合肥', geoCoord:[117.27, 31.86]},
{name:'杭州', geoCoord:[120.19, 30.26]},
{name:'南昌', geoCoord:[115.89, 28.68]},
{name:'福州', geoCoord:[119.3, 26.08]},
{name:'广州', geoCoord:[113.23, 23.16]},
{name:'长沙', geoCoord:[113, 28.21]},
//{name:'海口', geoCoord:[110.35, 20.02]},
{name:'沈阳', geoCoord:[123.38, 41.8]},
{name:'长春', geoCoord:[125.35, 43.88]},
{name:'哈尔滨', geoCoord:[126.63, 45.75]},
{name:'太原', geoCoord:[112.53, 37.87]},
{name:'西安', geoCoord:[108.95, 34.27]},
//{name:'台湾', geoCoord:[121.30, 25.03]},
{name:'北京', geoCoord:[116.46, 39.92]},
{name:'上海', geoCoord:[121.48, 31.22]},
{name:'重庆', geoCoord:[106.54, 29.59]},
{name:'天津', geoCoord:[117.2, 39.13]},
{name:'呼和浩特', geoCoord:[111.65, 40.82]},
{name:'南宁', geoCoord:[108.33, 22.84]},
//{name:'西藏', geoCoord:[91.11, 29.97]},
{name:'银川', geoCoord:[106.27, 38.47]},
{name:'乌鲁木齐', geoCoord:[87.68, 43.77]},
{name:'香港', geoCoord:[114.17, 22.28]},
{name:'澳门', geoCoord:[113.54, 22.19]}
"""

数据处理

一般初始数据都不是容易进行处理的,并且有许多我们不需要的信息,需要对主要信息进行提取

def get_city_info(city_coordination):
    city_location = {}
    #对数据以换行符分割
    for line in city_coordination.split("\n"):
        if line.startswith("//"): continue  #如果字符串以"//",跳过
        if line.strip() == "":continue   #去除首尾空字符,如果返回的是空字符串,直接返回
        
        #\w 匹配任何字母数字字符,与[A-Za-z0-9_]相同
        city = re.findall("name:'(\w+)'",line)[0]   
         #\d 匹配任何十进制数字,与[0-9]一致 ;\s 匹配任何空格字符
        x_y = re.findall("Coord:\[(\d+.\d+),\s(\d+.\d+)\]",line)[0] #返回的是个列表,取第一个元素
        # map 将 x_y中的元素转为浮点型数据,tuple 再将其转化为元组
        x_y = tuple(map(float,x_y))
        #将结果存入字典 city_location
        city_location[city] = x_y
    return city_location

数据处理完毕后打印写结果:

city_info = get_city_info(coordination_source)
print(city_info)
{'兰州': (103.73, 36.03),
 '嘉峪关': (98.17, 39.47),
 '西宁': (101.74, 36.56),
 '成都': (104.06, 30.67),
 '石家庄': (114.48, 38.03),
 '拉萨': (102.73, 25.04),
 '贵阳': (106.71, 26.57),
 '武汉': (114.31, 30.52),
 '郑州': (113.65, 34.76),
 '济南': (117.0, 36.65),
 '南京': (118.78, 32.04),
 '合肥': (117.27, 31.86),
 '杭州': (120.19, 30.26),
 '南昌': (115.89, 28.68),
 '福州': (119.3, 26.08),
 '广州': (113.23, 23.16),
 '长沙': (113.0, 28.21),
 '沈阳': (123.38, 41.8),
 '长春': (125.35, 43.88),
 '哈尔滨': (126.63, 45.75),
 '太原': (112.53, 37.87),
 '西安': (108.95, 34.27),
 '北京': (116.46, 39.92),
 '上海': (121.48, 31.22),
 '重庆': (106.54, 29.59),
 '天津': (117.2, 39.13),
 '呼和浩特': (111.65, 40.82),
 '南宁': (108.33, 22.84),
 '银川': (106.27, 38.47),
 '乌鲁木齐': (87.68, 43.77),
 '香港': (114.17, 22.28),
 '澳门': (113.54, 22.19)}

计算两个城市间的距离

#计算城市间距离的函数 输入的是起点和终点的经纬度信息
def geo_distance(origin, destination):
    """
    Calculate the Haversine distance.

    Examples
    --------
    >>> origin = (48.1372, 11.5756)  # Munich
    >>> destination = (52.5186, 13.4083)  # Berlin
    >>> round(distance(origin, destination), 1)
    504.2
    """
    lat1, lon1 = origin
    lat2, lon2 = destination
    radius = 6371  # km

    dlat = math.radians(lat2 - lat1)
    dlon = math.radians(lon2 - lon1)
    a = (math.sin(dlat / 2) * math.sin(dlat / 2) +
         math.cos(math.radians(lat1)) * math.cos(math.radians(lat2)) *
         math.sin(dlon / 2) * math.sin(dlon / 2))
    c = 2 * math.atan2(math.sqrt(a), math.sqrt(1 - a))
    d = radius * c

    return d

def get_city_distance(city1,city2):
    return geo_distance(city_info[city1],city_info[city2])

因为需要直到每个城市与周围城市的相连情况,需要根据情况进行连接

#建立连接 如果两个城市间的距离小于阈值 就表明可以从当前城市到另外一个城市
def build_connection(city_info):
    #cities_connection[key]  key如果不在字典中将会返回一个空列表,而不是报错
    cities_connection = defaultdict(list)
    #获取城市的名 列表
    cities = list(city_info.keys())
    for c1 in cities:
        for c2 in cities:
            if c1 == c2 : continue #同一个城市跳过
            
            #如果两个城市之间的距离小于 阈值threshold则将其连接起来
            if get_city_distance(c1,c2) < threshold:
                #在对于的字典value中添加城市名字
                cities_connection[c1].append(c2)
    return cities_connection

结果测试:

cities_connection = build_connection(city_info)
#绘制连接线
cities_connection_graph = nx.Graph(cities_connection) 
nx.draw(cities_connection_graph,city_info,with_labels=True,node_size=10)

在这里插入图片描述

#排序函数
def sort_by_distance(pathes):
    def get_distance_of_path(path):
        distance = 0
        #计算距离和
        for i,_ in enumerate(path[:-1]):
            distance += get_city_distance(path[i],path[i+1])
        return distance
    return sorted(pathes,key=get_distance_of_path)

#广度优先搜索BFS
def BFS(graph, start, destination, search_strategy):
    #初始结点
    pathes = [[start]]
    #当队列不空时
    while pathes:
        #取出队头的路径
        path = pathes.pop(0)
        #获取路径的最后一个城市
        froniter = path[-1]
        #得到该城市可以到达的城市列表
        successsors = graph[froniter]
        #遍历列表
        for city in successsors:
            #如果该城市已经在路径中之间跳过[相当于已经被标记了]
            if city in path: continue
            #不在路径中则添加在当前path中
            new_path = path + [city]
            #将当前路径入队
            pathes.append(new_path)  # bfs
        #根据排序策略对结果中的数据进行排序
        pathes = search_strategy(pathes)
        #如果paths不空并且最短距离的最后一个地点是目标地点。则返回当前路径
        if pathes and (destination == pathes[0][-1]):
            return pathes[0]

主函数代码如下:

if __name__ == '__main__':
    city_info = get_city_info(coordination_source)
    #print(city_info)
    # 绘制地图
    city_graph = nx.Graph()
    city_graph.add_nodes_from(list(city_info.keys()))
    matplotlib.rcParams['font.sans-serif'] = ['KaiTi']  # 修改字体
    nx.draw(city_graph, city_info, with_labels=True, node_size=10)

    #对城市进行连线
    cities_connection = build_connection(city_info)
    cities_connection_graph = nx.Graph(cities_connection)
    nx.draw(cities_connection_graph, city_info, with_labels=True, node_size=8)
    #plt.show()
    print(BFS(cities_connection, "北京", "上海", search_strategy=sort_by_distance))
    print(BFS(cities_connection, "郑州", "上海", search_strategy=sort_by_distance))

输出如下:

['北京', '天津', '上海']
['郑州', '南京', '上海']
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加:2021-08-18 12:39:58  更:2021-08-18 12:40:27 
 
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