GIS學習之柵格數據

柵格數據用一個規則格網來描述與每一個格網單元位置相對應的空間現象特征的位置和取值。在概念上，空間現象的變化由格網單元值的變化來反映。地理信息系統中許多數據都用柵格格式來表示。柵格數據在許多方面是矢量數據的補充，將兩種數據相結合是GIS項目的一個普遍特征。

一、柵格數據模型要素：

柵格數據模型在GIS中也被稱為格網（Grid）、柵格地圖、表面覆蓋（Surface Cover）或影像。格網由行、列、格網單元組成。行、列由格網左上角起始。在二維坐標系統中，行作為y坐標、列作為x坐標。在這點上與緯度作為y坐標、經度作為x坐標有點類似。

柵格數據用單個格網單元代表點、用一系列相鄰格網單元代表線、鄰接格網的集合代表面。格網中的每一個格網單元有一個值，整型或浮點型。整型格網單元值通常代表類別數據。比如，土地類型常用1代表城市用地、2代表林地等。浮點型格網單元值常表示連續數據，比如，降水量模型可能有20、15、12、23等降水量值。浮點型格網比整型格網需要更多的計算機存儲資源，這是涉及大范圍的GIS項目必須考慮的一個重要因素。而且，浮點型網格的數據查詢與顯示應該基於12.0～19.0這樣的值域，而非單個值。

由於柵格數據模型的分辨率受其格網單元大小的影響，因此在表示空間要素的精確位置上存在缺點。在算法上，格網可視為行與列的矩陣，其單元值為二維數組，對數據進行操作、集合和分析較矢量數據容易。

二、柵格數據類型：

1．衛星影像：遙感衛星影像是用柵格格式記錄的。衛星影像像元值代表從地球表面反射或
發射的光能。通過分析像元值，影像處理系統可從衛星影像中提取各種專題，如土地利用、水文、水質、侵蝕土壤面積等。

2．數字高程模型：數字高程模型（DEM）由等間隔海拔數據的排列組成。DEM以點為基礎，但也容易通過將海拔高度點置於格網單元中心的方法轉換成柵格數據。

3．數字正射影像圖（DOQ）：是一種由航片或其他遙感數據制備而得到的數字化影像，其中由照相機鏡頭傾斜和地形起伏引起的位移已被消除。數字正射影像是地理坐標參考的，並可與地形圖和其他地圖配准。

4．二進制掃描文件：是含數值1或數值0的掃描圖像。

5．數字柵格圖形：是USGS（美國地質調查局）地形圖的掃描圖像。

6．圖形文件：如Jpg、TIFF、GIF等；

7．特定地理信息系統軟件的柵格數據：

三、柵格數據結構及壓縮：

柵格數據結構是指柵格數據的存儲，便得它們能被計算機使用與處理。常用結構有：單元依次編碼、鏈代碼法、塊碼、區域四叉樹（主要內容可參考《地理信息原理》、《地理信息導論》）。

柵格圖像壓縮通常分為有損壓縮與無損壓縮。

無損壓縮是指利用數據的統計冗余進行壓縮。保證數據壓縮與還原過程中，圖像信息沒有損耗與失真。常見有：行程長度編碼（RLE）即游程編碼、增量調制編碼（DM）、霍夫曼編碼（LZW）；

有損壓縮：利用人的視覺誤差，采用高效有限失真數據壓縮算法，允許壓縮過程損失一定的信息。常見有JPEG壓縮標准，其最高壓縮比可達50：1；

JPEG壓縮標准是由ISO與IEC制定的靜態圖像數據壓縮標准。它有兩種基本算法：一種是以離散余弦變換為基礎的有損壓縮算法。一種是以預測技術為基礎的無損壓縮算法。

四、柵格數據的投影與幾何變換：

衛星影像的幾何變換在圖像處理中常稱作地理坐標參照。地理坐標參照常用的兩種方法有：

1、仿射變換（affine transformation）
其通過旋轉、移動和比例變換對圖像作地理坐標參照。其變換方程如下：
 x＇=Ax+By+C
 y＇=Dx+Ey+F
其中x,y代表列數與行數，系數E是負的,因為影像與坐標系統的原點不同.影像的坐標原點為右上角，而坐標系統的原點為左下角。

2、多項式方程：多項式方程為差異比例變換和圖像旋轉提供了數學模型。模型的復雜程度由多項式的階來表達，其范圍從2到5。比如，二階多項式用下列方程來轉換：
                        




3、重采樣：用原格網中的單元值填充新格網中的單元值。

三種常見重采樣方法：

最近鄰法：用原格網中最近的單元值填入新格網每個單元中。

雙線性內插法:用原格網中四個最鄰近單元的加權平均值填入新網格的每一個單元中。

三次卷積法:用原網格中16個最近鄰單元的加權平均值填入新網格的每一個單元中。