GIS学习之栅格数据

Posted 2021-02-15 zgl-gis

栅格数据用一个规则格网来描述与每一个格网单元位置相对应的空间现象特征的位置和取值。在概念上，空间现象的变化由格网单元值的变化来反映。地理信息系统中许多数据都用栅格格式来表示。栅格数据在许多方面是矢量数据的补充，将两种数据相结合是GIS项目的一个普遍特征。

一、栅格数据模型要素：

栅格数据模型在GIS中也被称为格网（Grid）、栅格地图、表面覆盖（Surface Cover）或影像。格网由行、列、格网单元组成。行、列由格网左上角起始。在二维坐标系统中，行作为y坐标、列作为x坐标。在这点上与纬度作为y坐标、经度作为x坐标有点类似。

栅格数据用单个格网单元代表点、用一系列相邻格网单元代表线、邻接格网的集合代表面。格网中的每一个格网单元有一个值，整型或浮点型。整型格网单元值通常代表类别数据。比如，土地类型常用1代表城市用地、2代表林地等。浮点型格网单元值常表示连续数据，比如，降水量模型可能有20、15、12、23等降水量值。浮点型格网比整型格网需要更多的计算机存储资源，这是涉及大范围的GIS项目必须考虑的一个重要因素。而且，浮点型网格的数据查询与显示应该基于12.0～19.0这样的值域，而非单个值。

由于栅格数据模型的分辨率受其格网单元大小的影响，因此在表示空间要素的精确位置上存在缺点。在算法上，格网可视为行与列的矩阵，其单元值为二维数组，对数据进行操作、集合和分析较矢量数据容易。

二、栅格数据类型：

1．卫星影像：遥感卫星影像是用栅格格式记录的。卫星影像像元值代表从地球表面反射或
发射的光能。通过分析像元值，影像处理系统可从卫星影像中提取各种专题，如土地利用、水文、水质、侵蚀土壤面积等。

2．数字高程模型：数字高程模型（DEM）由等间隔海拔数据的排列组成。DEM以点为基础，但也容易通过将海拔高度点置于格网单元中心的方法转换成栅格数据。

3．数字正射影像图（DOQ）：是一种由航片或其他遥感数据制备而得到的数字化影像，其中由照相机镜头倾斜和地形起伏引起的位移已被消除。数字正射影像是地理坐标参考的，并可与地形图和其他地图配准。

4．二进制扫描文件：是含数值1或数值0的扫描图像。

5．数字栅格图形：是USGS（美国地质调查局）地形图的扫描图像。

6．图形文件：如Jpg、TIFF、GIF等；

7．特定地理信息系统软件的栅格数据：

三、栅格数据结构及压缩：

栅格数据结构是指栅格数据的存储，便得它们能被计算机使用与处理。常用结构有：单元依次编码、链代码法、块码、区域四叉树（主要内容可参考《地理信息原理》、《地理信息导论》）。

栅格图像压缩通常分为有损压缩与无损压缩。

无损压缩是指利用数据的统计冗余进行压缩。保证数据压缩与还原过程中，图像信息没有损耗与失真。常见有：行程长度编码（RLE）即游程编码、增量调制编码（DM）、霍夫曼编码（LZW）；

有损压缩：利用人的视觉误差，采用高效有限失真数据压缩算法，允许压缩过程损失一定的信息。常见有JPEG压缩标准，其最高压缩比可达50：1；

JPEG压缩标准是由ISO与IEC制定的静态图像数据压缩标准。它有两种基本算法：一种是以离散余弦变换为基础的有损压缩算法。一种是以预测技术为基础的无损压缩算法。

四、栅格数据的投影与几何变换：

卫星影像的几何变换在图像处理中常称作地理坐标参照。地理坐标参照常用的两种方法有：

1、仿射变换（affine transformation）
其通过旋转、移动和比例变换对图像作地理坐标参照。其变换方程如下：
 x＇=Ax+By+C
 y＇=Dx+Ey+F
其中x,y代表列数与行数，系数E是负的,因为影像与坐标系统的原点不同.影像的坐标原点为右上角，而坐标系统的原点为左下角。

2、多项式方程：多项式方程为差异比例变换和图像旋转提供了数学模型。模型的复杂程度由多项式的阶来表达，其范围从2到5。比如，二阶多项式用下列方程来转换：
                        




3、重采样：用原格网中的单元值填充新格网中的单元值。

三种常见重采样方法：

最近邻法：用原格网中最近的单元值填入新格网每个单元中。

双线性内插法:用原格网中四个最邻近单元的加权平均值填入新网格的每一个单元中。

三次卷积法:用原网格中16个最近邻单元的加权平均值填入新网格的每一个单元中。