栅格数据的存储方法或格式数字高程模型课件.ppt

1、地地 理理 信信 息息 系系 统统第四第四章章 GIS栅格栅格数据模型数据模型栅格数据模型要素栅格数据模型要素栅格数据类型栅格数据类型 栅格数据结构栅格数据结构栅格数据压缩栅格数据压缩数据转换与综合数据转换与综合地地 理理 信信 息息 系系 统统 矢量数据模型矢量数据模型用点、线、面来表示空间要素，对有确定位置的用点、线、面来表示空间要素，对有确定位置的离散离散要素要素较为理想，对连续变化数据的表示不很理想。对较为理想，对连续变化数据的表示不很理想。对连续变化的数据连续变化的数据（如海拔、降水量、土壤侵蚀等）较好的选择是（如海拔、降水量、土壤侵蚀等）较好的选择是栅格数据模型栅格数据模型。第一节

2、第一节 栅格数据模型要素栅格数据模型要素30年来，栅格数据模型没有变化，用年来，栅格数据模型没有变化，用规则的格网单元规则的格网单元表示。表示。 栅格数据模型包括栅格数据模型包括数字高程数据、数字高程数据、卫星影像、数字正射影像、扫描卫星影像、数字正射影像、扫描地图和图形文件地图和图形文件等。等。地地 理理 信信 息息 系系 统统 栅格由行、列、像元（像素）组成栅格由行、列、像元（像素）组成 起始点（格网单元地址）起始点（格网单元地址）- 左上角左上角Rows 行行 用用 y 坐标坐标 Columns 列列 用用 x 坐标坐标栅格中每个像元由其行、列位置明确定义，用栅格中每个像元由其行、列位置

3、明确定义，用像元值像元值表示空间对象的类型、等级等特征，且每个像元表示空间对象的类型、等级等特征，且每个像元具有具有一个像元值一个像元值。Real worldGrid点点线线面面Value=0=1=2=3行行列列地地 理理 信信 息息 系系 统统 像元的大小决定了栅格数据模型的分辨率像元的大小决定了栅格数据模型的分辨率Resolution 。 栅格数据中栅格像元尺寸越小，分辨率越高。栅格数据中栅格像元尺寸越小，分辨率越高。1、栅格像元大小的确定：栅格像元大小的确定：u 像元太大，忽略较小图斑，造成信息丢失，无法表示精确位置。像元太大，忽略较小图斑，造成信息丢失，无法表示精确位置。u 像元越小，

4、分辨率愈高，数据量愈大（按分辨率的平方指数增加），像元越小，分辨率愈高，数据量愈大（按分辨率的平方指数增加），计算成本就越高，处理速度越慢。计算成本就越高，处理速度越慢。地地 理理 信信 息息 系系 统统2、栅格像元属性值的确定：栅格像元属性值的确定： 当一个栅格像元内有多个可选属性值时，按一定方法来确定当一个栅格像元内有多个可选属性值时，按一定方法来确定栅格属性值。栅格属性值。1、中心点法：、中心点法：取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。 2、面积占优法：、面积占优法：栅格单元属性值为面积最大者，常用于分类较栅格单元属性值为面积最大者，常用于分类较

5、细，地理类别图斑较小时。细，地理类别图斑较小时。3、重要性法：、重要性法：定义属性类型的重要级别，取重要的属性值为栅定义属性类型的重要级别，取重要的属性值为栅格属性值，常用于有重要意义而面积较小的要素。格属性值，常用于有重要意义而面积较小的要素。 参见参见P68注释栏注释栏4.1地地 理理 信信 息息 系系 统统A.OBC中心点中心点法法重要性法重要性法面积占优法面积占优法栅格数据结构中混合像元的处理栅格数据结构中混合像元的处理中心点中心点法法重要性法重要性法地地 理理 信信 息息 系系 统统3、栅格波段栅格波段Single band (elevations) 单波段（每个像元只有一个像元值）

6、 高程栅格Multiband (satellite images) 多波段（每个像元与一个以上像元值相关联） 卫星影像地地 理理 信信 息息 系系 统统 卫星影像卫星影像 数字高程模型数字高程模型 数字正射影像数字正射影像 二值扫描文件二值扫描文件 数字栅格图数字栅格图 图形文件图形文件 特定特定GIS软件中的栅格数据软件中的栅格数据第二节第二节 栅格数据类型栅格数据类型所有的数据类型都具有栅格数据模型的相同基本要素所有的数据类型都具有栅格数据模型的相同基本要素地地 理理 信信 息息 系系 统统1、卫星影像、卫星影像 Satellite Imagery 遥感卫星数据遥感卫星数据 Remotel

7、y sensed satellite data 空间分辨率空间分辨率 与地面像元大小相关与地面像元大小相关 像素值就是亮度值像素值就是亮度值表示从地球表面反射或发射的光能表示从地球表面反射或发射的光能地地 理理 信信 息息 系系 统统 Landsat 陆地卫星 Terra spacecraft (ASTER) 高级星载热发射与反射辐射计 AVHRR and other weather satellites 高级甚高分辨率辐射计和其它气象卫星 SPOT 地球观测卫星 IKONOS 高空分辨率陆地卫星 QuickBird 快鸟（载有高分辨率传感器）地地 理理 信信 息息 系系 统统2、 数字高程模

8、型数字高程模型 Digital Elevation Models (DEMs)USGS的数字高程模型 非USGS的数字高程模型全球数字高程模型数字高程模型由等间隔海拔数据的排列组成数字高程模型由等间隔海拔数据的排列组成。USGS（美国地质调查局）的（美国地质调查局）的DEM 7.5 分, 30 分, 1度, 15分地地 理理 信信 息息 系系 统统非非USGS的数字高程模型的数字高程模型立体测图仪，具有重叠区的航片从卫星影像生产数字高程模型雷达，激光测速仪 Radar，LIDAR DEM数据LIDAR数据地地 理理 信信 息息 系系 统统 由航片或其他遥感数据而得由航片或其他遥感数据而得的数字

9、化影像。的数字化影像。 由于照相机镜头倾斜和地形由于照相机镜头倾斜和地形起伏引起的位移已被消除，起伏引起的位移已被消除，可与地形图和其他地图配准可与地形图和其他地图配准。3、 数字正射影像数字正射影像 Digital Orthophoto Quad (DOQ)USGS 1m 黑白数字正射影像地地 理理 信信 息息 系系 统统4、 二值扫描文件二值扫描文件 Bi-Level Scanned Files 含数值含数值1或或0的扫描图像的扫描图像 常用于进行数字化常用于进行数字化地地 理理 信信 息息 系系 统统5、 数字栅格图数字栅格图 Digital Raster Graph (DRG) 地形图

10、的扫描图像地形图的扫描图像地地 理理 信信 息息 系系 统统6、 图形文件图形文件 地图、照片和影像可存储为图形文件地图、照片和影像可存储为图形文件 如如TIFF、JPEG、GIF等等7、 特定特定GIS软件的栅格数据软件的栅格数据 GIS软件包使用从软件包使用从DEM、卫星影像、扫描图像、图形、卫星影像、扫描图像、图形文件导入的栅格数据，或从矢量数据转换而来文件导入的栅格数据，或从矢量数据转换而来地地 理理 信信 息息 系系 统统 逐个像元编码逐个像元编码 Cell-by-cell encoding 栅格数据存为矩阵，逐行记录代码数据。栅格数据存为矩阵，逐行记录代码数据。 特点：特点：最直观

11、、最基本的网格存贮结构，没有进行任何压缩数据处理。最直观、最基本的网格存贮结构，没有进行任何压缩数据处理。第三节第三节 栅格数据结构栅格数据结构 栅格数据结构栅格数据结构栅格数据的存储方法或格式栅格数据的存储方法或格式 数字高程模型、卫星影像采用此方法存储数据数字高程模型、卫星影像采用此方法存储数据地地 理理 信信 息息 系系 统统442225555555557777 行行1：2255 行行2：2755 行行3：7775 行行4：5555地地 理理 信信 息息 系系 统统地地 理理 信信 息息 系系 统统 游程编码游程编码 Run-Length Encoding（RLE） 栅格数据相邻单元之间

12、存在着相似性即许多重复格网值时用栅格数据相邻单元之间存在着相似性即许多重复格网值时用特点：特点： 在栅格压缩时，数据量不会明显增加，压缩率高，并最大限度地保留原始在栅格压缩时，数据量不会明显增加，压缩率高，并最大限度地保留原始栅格结构，编码解码运算简单，且易于检索、叠加、合并等操作，这种编码应栅格结构，编码解码运算简单，且易于检索、叠加、合并等操作，这种编码应用广泛。用广泛。 二值扫描文件常用此方法存储数据二值扫描文件常用此方法存储数据地地 理理 信信 息息 系系 统统地地 理理 信信 息息 系系 统统基本思想：基本思想： 将一幅栅格数据层或图像等分为四部分，逐块将一幅栅格数据层或图像等分为四

13、部分，逐块检查其格网属性值（或灰度）；如果某个子区的检查其格网属性值（或灰度）；如果某个子区的所有格网值都具有相同的值，则这个子区就不再所有格网值都具有相同的值，则这个子区就不再继续分割，否则还要把这个子区再分割成四个子继续分割，否则还要把这个子区再分割成四个子区；这样依次地分割，直到每个子块都只含有相区；这样依次地分割，直到每个子块都只含有相同的属性值或灰度为止。同的属性值或灰度为止。 最后得到一颗四分叉的倒立树。最后得到一颗四分叉的倒立树。 四叉树四叉树 Quad Tree将格网分成象限层次将格网分成象限层次AAAAABBBAABBAABB地地 理理 信信 息息 系系 统统只记录叶结点的只

14、记录叶结点的位置，深度位置，深度（节点所在层数）和属性。（节点所在层数）和属性。 地址码地址码/定位码定位码/Morton码码 （四进制四进制或或十进制十进制）线性四叉树线性四叉树 四叉树可有效地存储四叉树可有效地存储面状数据面状数据，尤其是仅包含少数类别时；，尤其是仅包含少数类别时； 四叉树是一种有效的空间检索方法。四叉树是一种有效的空间检索方法。地地 理理 信信 息息 系系 统统 四进制四进制Morton码码:四叉树从上而下形成，由叶四叉树从上而下形成，由叶结点找结点找Morton码。码。每分割一次，增加一位数字，每分割一次，增加一位数字，大分割在前，小分割在后。所大分割在前，小分割在后。

15、所以，以，码的位数表示分割的次数。码的位数表示分割的次数。每一个位均是不大于每一个位均是不大于3的四进的四进制数，表达位置。制数，表达位置。由由Morton码找出四叉树叶结点码找出四叉树叶结点的具体位置。的具体位置。0312象限编码象限编码地地 理理 信信 息息 系系 统统 关于栅格数据的信息关于栅格数据的信息数据结构、区域范围、格网单元大小、光谱波段数，数据结构、区域范围、格网单元大小、光谱波段数，每一像元的比特数每一像元的比特数 也包括统计文件、色彩文件等也包括统计文件、色彩文件等 头文件头文件地地 理理 信信 息息 系系 统统 数据压缩数据压缩是将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一

16、是将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术。分为：项技术。分为：无损压缩：无损压缩：在编码过程中信息没有丢失，经过解码可恢复原有的在编码过程中信息没有丢失，经过解码可恢复原有的信息。信息。常用来分析或产生新的数据常用来分析或产生新的数据有损压缩有损压缩：为最大限度压缩数据，在编码中损失一些认为不太重为最大限度压缩数据，在编码中损失一些认为不太重要的信息，解码后，这部分信息无法恢复要的信息，解码后，这部分信息无法恢复。常用于背景影像常用于背景影像处理而不是分析处理而不是分析第四节第四节 栅格数据压缩栅格数据压缩地地 理理 信信 息息 系系 统统第五节第五节 数据转换与综合数据转换与综合

17、栅格化栅格化Rasterization 矢量数据转换为栅格数据矢量数据转换为栅格数据 矢量化矢量化Vectorization 栅格数据转换为矢量数据栅格数据转换为矢量数据地地 理理 信信 息息 系系 统统 与矢量化相比，较简单与矢量化相比，较简单 步骤：步骤：1）建立像元大小的格网，并将所有像元的初始值赋为0；2）改变格网单元值3）填充多边形轮廓线的内部栅格化栅格化地地 理理 信信 息息 系系 统统三个基本要素：三个基本要素： 栅格线的细化最好细化到只占据一个像元宽度 矢量线提取决定独立线段的起、止点的过程 拓扑关系重建将栅格图像中提取出来的线条连接，及显示数字化错误。矢量化矢量化地地 理理

18、信信 息息 系系 统统栅格与矢量数据的综合栅格与矢量数据的综合 使用栅格影像作为显示背景 二值扫描文件用于现状或面状要素的屏幕数字化 数字高程模型用作提取等高线等地形特征 矢量数据作为处理卫星影像的辅助信息地地 理理 信信 息息 系系 统统矢量数据结构矢量数据结构栅格数据结构栅格数据结构优优点点1、数据结构严密，冗余度小，数据量小；、数据结构严密，冗余度小，数据量小；2、空间拓扑关系清晰，易于网络分析；、空间拓扑关系清晰，易于网络分析；3、面向对象目标的，不仅能表达属性编码，而、面向对象目标的，不仅能表达属性编码，而且能方便地记录每个目标的具体的属性描述信息；且能方便地记录每个目标的具体的属性

19、描述信息；4、能够实现图形数据的恢复、更新和综合；、能够实现图形数据的恢复、更新和综合；5、图形显示质量好、精度高。、图形显示质量好、精度高。1、数据结构简单，易于算法实现、数据结构简单，易于算法实现;2、空间数据的叠置和组合容易，、空间数据的叠置和组合容易，有利于与遥感数据的匹配应用和有利于与遥感数据的匹配应用和分析；分析；3、各类空间分析，地理现象模拟、各类空间分析，地理现象模拟均较为容易；均较为容易；4、输出方法快速简易，成本低廉。、输出方法快速简易，成本低廉。缺缺点点1、数据结构处理算法复杂；、数据结构处理算法复杂；2、叠置分析与栅格图组合比较难；、叠置分析与栅格图组合比较难；3、数学

20、模拟比较困难；、数学模拟比较困难；4、空间分析技术上比较复杂，需要更复杂、空间分析技术上比较复杂，需要更复杂的软、硬件条件；的软、硬件条件；5、显示与绘图成本比较高。、显示与绘图成本比较高。1、图形数据量大，用大像元减小、图形数据量大，用大像元减小数据量时，精度和信息量受损失数据量时，精度和信息量受损失;2、难以建立空间网络连接关系；、难以建立空间网络连接关系；3、投影变化实现困难；、投影变化实现困难；4、图形数据质量低，地图输出不、图形数据质量低，地图输出不精美。精美。矢量和栅格数据的结合矢量和栅格数据的结合矢栅一体化数据结构矢栅一体化数据结构特特点点 定位明显，属性隐含定位明显，属性隐含 属性明显，定位隐含属性明显，定位隐含地地 理理 信信 息息 系系 统统1、理解栅格数据像元大小、分辨率和空间要素之间的关系。、理解栅格数据像元大小、分辨率和空间要素之间的关系。2、栅格数据模型和矢量数据模型相比各有哪些优缺点？、栅格数据模型和矢量数据模型相比各有哪些优缺点？3、理解栅格数据结构的几种类型及各自优缺点。、理解栅格数据结构的几种类型及各自优缺点。4、理解无损压缩和有损压缩的不同。、理解无损压缩和有损压缩的不同。5、结合你的专业理解矢量数据和栅格数据相结合的好处。、结合你的专业理解矢量数据和栅格数据相结合的好处。 复习题复习题