1.2 Python语言基础_ArcGIS Python编程基础与应用-QQ阅读男生武侠网

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1.2　Python语言基础

1.2.1　入门概念

我们虽然可以使用ArcGIS的Python脚本编写地学数据处理代码，但是仍然需要学习基本的Python语法。Python是一种比较简单的编程语言。

本节介绍Python基本的语法，用户能够初步掌握变量的定义与赋值。使用不同的语句、对象、读写数据文件及导入第三方的Python代码，就可以尝试在ArcGIS中用Python编写代码来处理地学数据了。

每种编程语言都有一系列规则，描述在那种语言中什么样的字符串被认为是有效程序。这些规则定义了语法。Python语言也不例外，其也是通过自身的语法定义的一种编程语言。下面介绍Python的语法基础。

1．标识符

字母、数字、下画线组成了Python的标识符。在Python中，所有标识符可以以英文、下画线开头，但是不能以数字开头；Python的标识符区分字母大小写；以下画线开头的标识符是有特殊含义的，如以单下画线开头的变量（_abc）表示不能直接访问的类属性，需要通过类提供的接口进行访问，不能用from *** import *导入；以双下画线开头的变量（__abc）表示类的私有成员；以下画线开头并以下画线结尾的变量（_abc_）表示Python中特殊用法的专用标识，如“_init_()”标识类的构造函数。

2．注释代码

Python脚本语言具有通用的代码结构。脚本开始时，应说明代码的编写人员姓名、代码的功能描述，代码编写日期和修改日志等基本信息，便于代码的阅读。此外，在代码编写过程中通常可以使用注释的方式来对程序功能、思路等进行描述。多写注释是一种良好的编程风格。

可以用#或##开头的语句表示注释。注释符号后的任何内容都不会被编译执行。

3．导入模板

Python除语言内置的一些函数外，最大的特点就是可以调用外部模块的函数功能。比如，可以通过math模块进行数值计算，可以通过R模块进行数理统计方面的计算。网络上有大量的模块资源，用户可以根据需要进行调用，这是使用Python最大的优点之一。

模块通过import语句导入，如用户要使用ArcGIS提供的地学数据处理模块，必须首先导入ArcPy模块。可以在程序的第一行添加导入该模块的语句（一般写在整个程序注释说明的后面），如下：

1.2.2　变量、函数和类的定义使用

1．变量的定义

在创建变量时，变量名必须符合以下规则：

（1）变量名中可以有数字、字母和下画线；

（2）变量名的第一个字符必须是字母；

（3）除下画线外，变量名中不允许出现其他特殊字符；

（4）变量名不能和Python语言自带的关键词相同。

Python语言自带的关键词常见的有class、if、for、while等。

下面是几个命名合法的变量名：

　featureClassParcel

　filedPopulation

　filed2

　my_name

下面是几个命名不合法的变量名：

　class（Python关键词）

　return（Python关键词）

　$featureClass（非法字符、没有以字母开头）

　2fileds（没有以字母开头）

　parcels&class（非法字符）

需要注意的是，Python语言属于C语言系列，它是一种对大小写敏感的编程语言。使用Python语言编程时，变量的名字必须一致，比较常用的策略是采用驼峰型的变量，也就是第一个字符采用小写，变量后续中有独立词义的第一字母取大写。下面是一个例子：

2．变量的类型

在Python语言中，变量是动态生成的，所谓动态生成是指在编程时可以定义一个变量并给它赋值，而不需要先定义该变量的类型。变量主要包括简单的数据类型和复杂的数据类型。简单的数据类型有字符串型（string）、数值型（number）等；复杂的数据类型有列表型（list）、元组型（tuple）、字典型（dictionary）和对象型（object）等。

在其他语言中，通常在使用变量时必须首先定义变量的名称和类型。但是在Python语言中却不需要这样做。Python中的变量不需要声明，变量的赋值操作就是变量声明和定义的过程。每个变量在内存中被创建，包括变量的标识、名称和数据等信息。在使用前必须对每个变量赋值，变量赋值以后该变量才会被创建。

等号运算符（=）用来给变量赋值。等号运算符左边是变量名，右边是存储在变量中的值，如下：

下面详细介绍Python的数据类型。

1）简单的数据类型

Python有很多简单的数据类型。字符串型数据有很多操作功能，在编程时使用也非常广泛，因此首先介绍字符串数据类型。

　字符串型（string）

字符串是字符按照一定顺序排列的集合，主要用于存储和表达文本信息。字符串型数据在赋值时由一对单引号或双引号表示。在地理信息系统（Geographic Information System，GIS）中，字符串型数据常用来表示地址名称、对象名称、where子句的条件或其他可用文本表示的信息。

Python语言对字符串型数据有很多操作方式。字符串连接是用得最多的操作方式之一，可以使用“+”操作符实现两个字符串的连接，连接后产生一个新的字符串，如下：

运行这段代码后，会得到以下结果：

字符串是否相等可用“==”算子判断。这里一定要注意，不要把两个变量是否相同的判断算子和赋值算子混淆，给变量赋值使用一个等号，而判断两个变量是否相同使用两个等号。

运行这段代码后，结果如下：

字符串能够用in算子测试包含关系，如果第一个字符串包含在第二个字符串里，则返回True，如下：

运行这段代码后，结果如下：

还可以通过索引（indexing）取到字符串里的每一个字符，或者通过截取（slicing）取到一个子字符串。字符可以通过“[]”下标取到。例如，想取到上面fcName中的第一个字符，可以使用fcName[0]获得，这里的索引号可以使用负数，表示从字符串的最后一个字符向前提取。需要注意的是，字符串中的最后一个字符如果要用负数提取，下标为“-1”，如上面的例子，提取fcName字符串中最后一个字符可以用fcName[-1]来实现。下面举几个字符串提取的例子。

这里的索引号，下标是从0开始的，这要和VB等语言区别。进一步提取字符串的方法和上面类似，不过要给出偏移字符的数量，如下：

运行这段代码后，结果如下：

字符串操作还有很多算子，如求字符串的长度、大小写转换、删除空格符号、从某个字符串中查找特定字符、替换字符、分割字符及格式化字符输出等，读者可以自行查阅相关的资料。

在使用Python处理ArcGIS地学数据时，经常需要访问存储在本地或者服务器上的文件。通常使用一个字符串来存储这个文件全名。Python将反斜杠“\”用作转义字符。例如，“\n”表示换行符，“\t”表示制表符。在Python语言中反斜杠字符用于表示escape字符和续行字符，因此要表示文件路径时，必须采用双反斜杠（而不是一条）或一个正斜杠“/”或一个反斜杠前加一个r来表示，才能避免语法错误。下面给出几个例子。

非法的路径变量赋值：

合法的路径变量赋值：

　数值型（number）

Python数值型主要支持int、long、float和复杂的数据。数值型数据赋值方法和上面类似，只是不需要单引号或者双引号，并且赋的值必须是个数字。

Python支持数值的基本操作，如加、减、乘、除等。内置的数值方法只提供了对数值的基本运算功能，如果想用更加复杂的运算，如绝对值、三角函数、对数、指数等，可以通过math模块完成，math模块中有很多数值计算函数。当然，使用math模块时，必须在程序前面首先导入math模块，语句如下：

可以通过dir命令查看math库中的函数，方法如下：

运行后结果如下：

dir(module)是一个非常有用的命令，可以通过它查看任何模块中所包含的工具。在 math 模块中，可以计算 sin(a)、cos(a)、sqrt(a)等各种常见的数值。

这些计算的方式我们称为函数。模块 math 中提供了各种计算函数，如计算乘方，可以使用 pow函数。但是这些函数怎么用呢？Python提供了help命令，可供使用者查看每个函数的使用方法。如要想查看pow函数的用法，可以输入以下命令：

输出结果如下：

第一行意思是说，这里是 math 模块的内建函数 pow的帮助信息（built-in称为内置函数，代表这个函数是Python默认就有的)。第三行表示这个函数的参数有两个，也是函数的调用方式。第四行是对函数的说明，返回“x**y”的结果，并且在后面解释了“x**y”的含义。读者可以使用这个命令查看不同函数的用法。

2）复杂的数据类型

序列是Python中最基本的数据结构。序列中的每个元素都分配有一个数字，即它的位置或索引，第一个索引是“0”，第二个索引是“1”，以此类推。序列的顺序也可以反过来，反过来最后一个索引是“-1”，倒数第二个索引是“-2”，以此类推。Python有6个序列的内置类型，但最常用的是列表型和元组型。

　列表型（list）

列表是最常用的Python数据类型，列表的命名规则就是一个方括号“[]”，数据项以方括号内的逗号分隔出现。列表的数据项不需要具有相同的类型。创建一个列表，只要把逗号分隔的不同的数据项使用方括号括起来即可，如下所示：

要访问列表中的元素，只需按照下标索引操作即可，如下面的例子：

输出：

可以替换列表元素：

就会输出：

可以使用del语句删除列表的元素：

输出：

　元组型（tuple）

Python的元组与列表类似，不同之处在于元组的元素不能修改，元组使用圆括号，列表使用方括号。元组创建很简单，只需要在圆括号中添加元素，并使用逗号隔开即可。实例如下：

　字典型（dictionary）

字典也是Python语言提供的一种对象集合管理方式，它和列表比较类似，但是字典是非排序的对象集合。和列表通过索引序号访问列表对象不同，字典主要通过关键字（key）存储和获取对象。在字典中，每个关键字都有对应的值。和列表类似，字典通过dictionary类提供了对象集合增加元素和删除元素的操作方法。

下面给出创建和操作字典对象的例子：

　对象型（object）

在Python中可以对对象进行赋值等各种操作。在ArcPy中会大量使用对象，读者将在后面的介绍中看到ArcPy中对象操作的具体方法，这里不再赘述。

综上所述，可以给变量赋值的数据类型如表1.2所示。

表1.2　可以给变量赋值的数据类型

3．函数

函数是组织好的、可重复使用的、用来实现单一或相关功能的代码段。函数能提高应用的模块性和代码的重复利用率。Python提供了许多内置函数，如print()等。用户也可以自己创建函数，这被称为用户自定义函数。

用户可以定义一个自己想要功能的函数，以下是简单的规则。

（1）函数代码块以 def 关键词开头，后接函数标识符名称和圆括号。

（2）任何传入参数和自变量必须放在圆括号中间，圆括号可以用于定义参数。

（3）函数的第一行语句可以选择性地使用文档字符串，用于存放函数说明。

（4）函数内容以冒号起始，并且缩进。

（5）以return [表达式] 结束函数时，选择性地返回一个值给调用方。不带表达式的return相当于返回 None。

1）函数的定义

以下为一个简单的Python函数，它将一个字符串作为传入参数，再打印到标准显示设备上。

2）函数的调用

定义一个函数需要给定函数名称，指定函数里包含的参数和代码块结构。

这个函数的基本结构完成以后，可以通过另一个函数调用执行，也可以直接从Python提示符执行。以下实例调用了printme()函数：

在Python中，strings、tuples和numbers是不可更改的对象，而list和dictionary等则是可以更改的对象，因此需要注意这些参数在函数传递时是否可更改。Python函数的参数传递有以下两种。

（1）不可变类型：类似C++的值传递，如整数、字符串、元组。例如，fun（a）传递的只是a的值，没有影响a对象本身。在fun（a）内部修改a的值，只是修改另一个复制的对象，不会影响a本身。

（2）可变类型：类似C++的引用传递，如列表、字典。例如，列表变量la作为参数，调用函数fun（la），则是将la真正传递过去，修改后fun外部的la也会受影响。

Python中一切都是对象，严格意义上不能说值传递还是引用传递，应该说传不可变对象和传可变对象。

4．类

类和对象是面向对象编程的基础。Python虽然总体上是一种面向过程的语言，但是也支持面向对象的编程。在面向对象的编程语言中，类主要用于创建对象的实例，一个类可以创建多个对象实例，每个对象都享用类相同的属性和方法，但是每个对象中的数据通常是不一样的。在Python语言中，对象是一种复杂的数据类型，包括属性和方法，也能像其他数据类型的变量一样赋值。

1）面向对象技术的几个基本概念

（1）类（class）：用来描述具有相同属性和方法的对象的集合。它定义了该集合中每个对象所共有的属性和方法。对象是类的实例。

（2）类变量：在整个实例化的对象中是公用的。类变量定义在类中且在函数体之外。类变量通常不作为实例变量使用。

（3）数据成员：类变量或者实例变量用于处理类及其实例对象的相关数据。

（4）方法重写：如果从父类继承的方法不能满足子类的需求，可以对其进行改写，这个过程叫作方法覆盖（override），也称为方法重写。

（5）实例变量：定义在方法中的变量，只作用于当前实例的类。

（6）继承：即一个派生类（derived class）继承基类（base class）的字段和方法。继承也允许把一个派生类的对象作为一个基类对象对待。

（7）实例化：即创建类的实例、类的具体对象。

（8）方法：类中定义的函数。

（9）对象：通过类定义的数据结构实例。对象包括两个数据成员（类变量和实例变量）和方法。

2）类的定义

使用class语句来创建一个新类，class之后为类的名称且类以冒号结尾。

以下是一个简单的Python类的例子。

empCount变量是一个类变量，它的值将在这个类的所有实例之间共享，可以在内部类或外部类使用Employee.empCount访问。

第一个__init__()方法是一种特殊的方法，被称为类的构造函数或初始化方法，当创建了这个类的实例时就会调用该方法。如果开发者没有为该类定义任何构造方法，那么Python会自动为该类定义一个只包含一个self参数的默认构造方法。

self代表类的实例，self在定义类的方法时是必须有的，虽然在调用时不必传入相应的参数。

3）类的使用

定义好类之后，要使用类的功能时，必须首先将类实例化，并将其赋给一个对象，通过这个对象可以访问类的属性和方法。

（1）创建实例对象。

实例化类在其他编程语言中一般使用关键字new，但是在Python中并没有这个关键字，类的实例化类似函数调用方式。

以下使用类的名称Employee来实例化，并通过__init__()方法接受参数，Python在进行类的实例化时，不需要使用new。

（2）访问属性。

可以使用点“.”来访问对象的属性，如以下使用类的名称访问类变量

1.2.3　语句

在Python中，每一行代码称为一条语句。Python中有许多不同类型的语句，如变量创建和赋值语句、判断语句、循环语句等，它们同样都要遵循Python的语法规定。上面已经介绍了变量的创建和赋值语句，下面介绍判断语句、循环语句、try语句、with语句、break与continue语句、pass语句。

1．判断语句

在Python中主要使用if/elif/else实现判断语句。通过判断条件是否满足(true/false)，判断语句可以帮助用户控制程序的流程。需要注意的是，在Python里面是没有switch语句的，多分支判断需要用别的方式来实现。下面举几个判断语句的例子。

1）单分支判断语句（if）

2）双分支判断语句（if else）

3）多分支判断语句（if elif else）

通过对判断语句的简单介绍，相信读者已对Python的判断语句有了一个比较好的认识。读者只需要熟练掌握上面的3个句法，就能写出所需要的控制结构。

2．循环语句

1）while循环

Python编程中while语句用于循环执行程序，即在某种条件下，循环执行某段程序，以处理需要重复处理的相同任务，其基本形式为：

实例：

运行结果是：

while语句还有另外两个重要命令——continue和break，continue用于跳过循环，break则用于退出循环。

2）for循环

Python中的for循环可以遍历任何序列的项目，如一个列表或者一个字符串。for循环的语法格式如下：

实例：

运行结果是：

3）嵌套循环

Python语言允许在一个循环体内嵌入另一个循环。嵌套循环可以是while与while的嵌套、while与for的嵌套，也可以是for与for的嵌套。

另外，while循环、for循环、嵌套循环都有循环控制语句来更改语句执行的顺序。Python提供了break、continue、pass三个循环控制语句。

3．try语句

与其他语言相同，在Python中，try语句主要用于处理程序正常执行过程中出现的一些异常情况，如语法错误（Python作为脚本语言没有编译的环节，在执行过程中对语法进行检测，出错后发出异常消息）、数据除零错误、从未定义的变量上取值等。

默认情况下，在程序段的执行过程中，如果没有提供try/except的处理，脚本文件执行过程中所产生的异常消息会自动发送给程序调用端，如Pythonshell，而Pythonshell对异常消息的默认处理是终止程序的执行并打印具体的出错信息。这也是在Pythonshell中执行程序错误后所出现的出错打印信息的由来。

Python主要提供了两种try语句：try/except/else（处理异常）和try/finally（无论是否发生异常都将执行最后的代码）。

1）try/except/else语法格式

2）try/finally语法格式

下面给出一个简单的例子说明try语句的使用，读者可以修改变量number的值测试不同的运行结果。

4．with语句

有一些任务，可能需要事先设置，事后做内存自动清理工作。对于这种情况，Python的with语句提供了一种非常方便的处理方式。

下面给出一个例子，获取一个文件句柄，从文件中读取数据，然后关闭文件句柄。

不用with语句，代码如下：

这里会出现两个问题：

（1）可能忘记关闭文件句柄；

（2）文件读取数据发生异常，没有进行任何处理。

下面是处理上面两个问题的加强代码：

上面的代码虽然解决了两个问题，但是代码冗长。Python提供的with语句不仅可以“优雅地”解决问题，而且还可以很好地处理上下文环境产生的异常。下面是使用with语句的代码：

5．break与continue语句

在Python中，break和continue语句用于改变普通循环的流程。通常情况下，循环遍历一段代码，直到判断条件为False时结束循环，但有时，可能在一定的需求下应该终止当前迭代甚至整个循环，这种情况下需要使用break和continue语句。

1）break语句

在Python中，break语句终止当前循环中下一条语句的继续执行。break的最常见用途是一些外部条件被触发需要从循环中跳出。break语句可用在while循环和for循环。例如：

运行结果：

2）continue语句

continue语句用于结束当前循环中所有语句的执行，将控制返回到循环的顶部，进行下一次循环。continue语句可用在while循环和for循环语句。例如：

运行结果：

6．pass语句

当编写一个程序时，若执行语句部分思路还没有完成，可以用pass语句来占位，也可以将其理解成一个标记，即要过后来完成的代码。例如：

上述代码的含义：定义一个函数ArcPython()，但是函数整体部分暂时还没有完成，又不能空着不写内容，因此可以用pass来代替，占一个位置。

pass语句也常用于为复合语句编写一个空的主体，比如令一个while语句无限循环，每次迭代时不需要任何操作，可以这样写：

这只是一个例子，现实中最好不要编写这样的代码，因为执行代码块为pass也就是什么也不做，这时Python会进入死循环。

1.2.4　数据文件操作

掌握了Python语言的基本语法后，首先要运用Python语句对数据文件进行读和写的操作。在计算机硬盘上读取或写入文件是最重要的操作，Python内置的对象提供了多种读写文件的功能，本书只介绍其中最基本的部分。读写文件最重要的功能主要包括打开文件、关闭文件、从文件读取数据和向文件写入数据。

Python的open()函数创建了一个file对象，该对象提供了获取计算机上文件的一个链接。读写文件时，必须使用open()函数。open()函数有两个参数，第一个参数是要读写文件的路径，第二参数是操作文件的模式。操作文件的模式主要有3种：read(r)、write(w)和append(a)。如果只有r参数，表示只打开文件读取数据；w参数则表示打开文件后往文件中写入数据，这会覆盖文件中已有的数据内容，所以这种模式要谨慎使用；a参数表示追加模式，允许用户打开文件并往文件中写入数据，但是写入的数据只是追加在文件的最后，而不会覆盖原来的数据内容。下面介绍文件读取的例子：

完成读写操作后，一定要使用close()函数关闭文件。

1．读取文件数据

当一个文件被打开后，就可以采用不同的方法来读取数据了。最典型的数据读取方式是按行读取，这种方法主要针对文本文件。Python提供了readline()函数读取文件的一行数据。readline()函数能够一次读取文本文件的一行数据，并交给一个字符串变量。接下来需要使用一个循环机制，一行一行地读取下面的文件，只到文件结束。如果想要一次直接读取整个文件并赋值给一个变量，可以使用read()函数，它可以直接从文件头读到文件尾。如果想一次读取整个文件，并将文件的内容按照行分割成不同的字符串，则可以使用readlines()函数。

下面给出一个例子，读取气象雨量计的文本文件，统计一个月的下雨量。

2．写入文件数据

Python提供了很多可以往文件中写入数据的方法，write()函数是一种比较简单的写文件的方法，该函数只需要一个参数。

1.2.5　数据库操作

数据库操作是地理专业常用的功能，目前ArcGIS很多地方都涉及地学数据库的概念，这就要求使用者掌握Python读写数据库的基本技能。这里以Python操作Access数据库为例，介绍Python操作数据库的一般功能，其他数据库操作大同小异，读者可以类推。在Python操作Access数据库之前，首先应安装了Python和PythonforWindows extensions。Python操作Access数据库步骤如下。

1．建立数据库连接

2．打开一个记录集

3．对记录集操作

4．关闭记录集和连接句柄

1.2.6　中文字符操作

在GIS操作中会大量使用到中文目录或者中文的文件名，Python2对中文的支持还不太完善，而Python3则基本解决了中文问题。在使用Python2编程时，需要对中文字符进行特殊处理，才能使程序正确运行。若在程序中直接使用了汉字字符串，则必须使用编码转换，如Grouplayer_name=="图层组1".decode('gb2312')。这里decode的作用是将其他编码的字符串转换成unicode编码，表示将gb2312编码的字符串str1转换成unicode编码。encode的作用是将unicode编码转化成其他编码的字符串，表示将unicode编码的字符串str2转换成gb2312编码。因此，转码的时候一定要先明确字符串str是什么编码，然后decode成unicode，最后根据需要再encode成其他编码。

下面假设电脑桌面上有中文文件夹“中文测试文件夹”，该文件夹中有一个中文文件“测试文档.txt”，以Python读取中文路径为例，介绍几种常见的处理方式。

1．路径拆分单独编码