6. 栅格数据
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目标： |
了解什么是栅格数据以及如何在GIS中使用栅格数据。 |
关键词： |
栅格、像素、遥感、卫星、图像、地理配准 |
6.1. 概述
In the previous topics we have taken a closer look at vector data. While vector features use geometry (points, polylines and polygons) to represent the real world, raster data takes a different approach. Rasters are made up of a matrix of pixels (also called cells), each containing a value that represents the conditions for the area covered by that cell (see 图 6.2). In this topic we are going to take a closer look at raster data, when it is useful and when it makes more sense to use vector data.
图 6.2 栅格数据集由像素(也称为单元格)行(横排)和列(横排)组成。每个像素表示一个地理区域，该像素中的值表示该区域的某些特征。
6.2. 详细的栅格数据
Raster data is used in a GIS application when we want to display information that is continuous across an area and cannot easily be divided into vector features. When we introduced you to vector data we showed you the image in 图 6.3. Point, polyline and polygon features work well for representing some features on this landscape, such as trees, roads and building footprints. Other features on a landscape can be more difficult to represent using vector features. For example the grasslands shown have many variations in colour and density of cover. It would be easy enough to make a single polygon around each grassland area, but a lot of the information about the grassland would be lost in the process of simplifying the features to a single polygon. This is because when you give a vector feature attribute values, they apply to the whole feature, so vectors aren't very good at representing features that are not homogeneous (entirely the same) all over. Another approach you could take is to digitise every small variation of grass colour and cover as a separate polygon. The problem with that approach is that it will take a huge amount of work in order to create a good vector dataset.
图 6.3 景观上的一些要素很容易表示为点、折线和多边形(例如，树木、道路、房屋)。在其他情况下，这可能会很困难。例如，你将如何代表草原？作为多边形吗？你在草地上看到的颜色变化怎么样？当您尝试表示具有不断变化的值的大区域时，栅格数据可能是更好的选择。
使用栅格数据是解决这些问题的一种方法。许多人将栅格数据用作 backdrop 在矢量层后面使用，以便为矢量信息提供更多含义。人眼非常擅长解读图像，因此使用矢量层后面的图像，会产生更有意义的地图。栅格数据不仅适用于描述真实世界表面的图像(例如卫星图像和航空照片)，还适用于表示更抽象的概念。例如，栅格可以用来显示某一地区的降雨趋势，或用来描述某一景观上的火灾风险。在这些类型的应用中，栅格中的每个单元格代表不同的值，例如从1到10的火灾风险。
An example that shows the difference between an image obtained from a satellite and one that shows calculated values can be seen in 图 6.4.
图 6.4 真彩色栅格图像(左)很有用，因为它们提供了许多细节，这些细节很难作为矢量特征捕捉，但在查看栅格图像时很容易看到。栅格数据也可以是非摄影数据，例如右侧显示的栅格层，它显示了西开普省计算出的3月份平均最低气温。
6.3. 地理配准
地理配准是定义图像或栅格数据集在地球表面的确切位置的过程。该位置信息与航拍照片的数字版本一起存储。当GIS应用程序打开照片时，它使用位置信息来确保照片出现在地图上的正确位置。通常，该位置信息包括图像中左上角像素的坐标、X方向上每个像素的大小、Y方向上每个像素的大小以及图像旋转的量(如果有的话)。有了这几条信息，GIS应用程序就可以确保栅格数据显示在正确的位置。栅格的地理配准信息通常在栅格附带的小文本文件中提供。
6.4. 栅格数据的来源
Raster data can be obtained in a number of ways. Two of the most common ways are aerial photography and satellite imagery. In aerial photography, an aeroplane flies over an area with a camera mounted underneath it. The photographs are then imported into a computer and georeferenced. Satellite imagery is created when satellites orbiting the earth point special digital cameras towards the earth and then take an image of the area on earth they are passing over. Once the image has been taken it is sent back to earth using radio signals to special receiving stations such as the one shown in 图 6.5. The process of capturing raster data from an aeroplane or satellite is called remote sensing.
图 6.5 位于约翰内斯堡附近Hartebeushek的CSIR卫星应用中心。当卫星经过头顶时，特殊的天线会跟踪卫星，并使用无线电波下载图像。
In other cases, raster data can be computed. For example an insurance company may take police crime incident reports and create a country wide raster map showing how high the incidence of crime is likely to be in each area. Meteorologists (people who study weather patterns) might generate a province level raster showing average temperature, rainfall and wind direction using data collected from weather stations (see 图 6.5). In these cases, they will often use raster analysis techniques such as interpolation (which we describe in Topic 空间分析(插值法)).
有时，栅格数据是从矢量数据创建的，因为数据所有者希望以一种易于使用的格式共享数据。例如，拥有公路、铁路、地籍和其他矢量数据集的公司可能会选择生成这些数据集的栅格版本，以便员工可以在Web浏览器中查看这些数据集。这通常只在用户需要注意的属性可以用标注或符号系统表示在地图上时才有用。如果用户需要查看数据的属性表，则以栅格格式提供数据可能不是一个好的选择，因为栅格图层通常没有任何与其关联的属性数据。
6.5. 空间分辨率
Every raster layer in a GIS has pixels (cells) of a fixed size that determine its spatial resolution. This becomes apparent when you look at an image at a small scale (see 图 6.6) and then zoom in to a large scale (see 图 6.7).
图 6.6 这张卫星图像在使用小比例尺时看起来很好。
图 6.7 ...但当以大比例查看时，您可以看到图像组成的各个像素。
有几个因素决定了图像的空间分辨率。对于遥感数据，空间分辨率通常由用于拍摄图像的传感器的能力决定。例如，SPOT5卫星可以拍摄每个像素为10米x 10米的图像。其他卫星，例如MODIS，只能拍摄每个像素500米x 500米的图像。在航空摄影中，像素尺寸为50厘米x 50厘米的情况并不少见。像素大小覆盖较小区域的图像被称为 high resolution ‘图像，因为可以在图像中分辨出高度的细节。像素大小覆盖较大区域的图像被称为 low resolution ‘图像，因为图像显示的细节数量较低。
在通过空间分析计算的栅格数据中(例如我们前面提到的雨量图)，用于创建栅格的信息的空间密度通常将决定空间分辨率。例如，如果要创建高分辨率的平均降雨量地图，理想情况下需要相互靠近的多个气象站。
对于以高空间分辨率捕获的栅格，需要注意的主要事项之一是存储要求。设想一个3x3像素的栅格，每个像素都包含一个代表平均降雨量的数字。要存储栅格中包含的所有信息，您需要在计算机内存中存储9个数字。现在，假设您想要拥有一个像素为1 KM x 1 KM的整个南非的栅格层。南非大约有1219,090公里 2 。这意味着你的计算机需要在硬盘上存储100多万个数字才能保存所有信息。将像素尺寸变小会极大地增加所需的存储量。
有时，当您想要处理较大的区域并且对查看任何一个区域的细节不感兴趣时，使用低空间分辨率会很有用。你在天气预报上看到的云图就是一个例子-看到整个国家的云层是很有用的。在高分辨率下放大到某个特定的云层并不能告诉你即将到来的天气！
另一方面，如果你对一个小区域感兴趣，使用低分辨率的栅格数据可能会有问题，因为你可能无法从图像中辨别出任何单独的特征。
6.6. 光谱分辨率
如果你用数码相机或手机上的相机拍摄彩色照片，相机会使用电子传感器来探测红、绿和蓝光。当图片在屏幕上显示或打印出来时，红、绿、蓝(RGB)信息会组合在一起，向您显示您的眼睛可以识别的图像。虽然信息仍然是数字格式，但该RGB信息以单独的颜色存储 bands 。
虽然我们的眼睛只能看到RGB波长，但相机中的电子传感器能够检测到我们的眼睛无法检测到的波长。当然，在手持相机中，从 non-visible 因为大多数人只想看他们的狗的照片或你有的东西。包含光谱中不可见部分的数据的栅格图像通常称为多光谱图像。在地理信息系统中记录光谱中不可见的部分是非常有用的。例如，测量红外光在识别水体方面很有用。
由于包含多个波段的图像在GIS中非常有用，因此栅格数据通常以多波段图像的形式提供。图像中的每个波段都像一个单独的层。地理信息系统将组合其中三个波段，并将它们显示为红色、绿色和蓝色，以便人眼可以看到它们。栅格图像中的波段数称为其 spectral resolution 。
如果一个图像只包含一个带，则通常将其称为 grayscale 形象。对于灰度图像，您可以应用假彩色来使像素中值的差异更加明显。应用了假彩色的图像通常被称为 pseudocolour images 。
6.7. 栅格到矢量的转换
在讨论矢量数据时，我们解释了通常将栅格数据用作背景层，然后将其用作数字化矢量要素的基础。
另一种方法是使用先进的计算机程序自动从图像中提取矢量特征。一些特征，如道路，在图像中表现为相邻像素颜色的突然变化。计算机程序寻找这种颜色变化，并创建矢量特征。这种功能通常只在非常专业的(通常也是昂贵的)地理信息系统软件中可用。
6.8. 矢量到栅格的转换
有时，将矢量数据转换为栅格数据非常有用。这样做的一个副作用是，当发生转换时，属性数据(即与原始矢量数据相关联的属性)将丢失。但是，当您想要将GIS数据提供给非GIS用户时，将矢量转换为栅格格式可能会很有用。对于更简单的栅格格式，您提供栅格图像的人可以在他们的计算机上简单地将其作为图像查看，而不需要任何特殊的地理信息系统软件。
6.9. 栅格分析
有很多分析工具可以在栅格数据上运行，但不能与矢量数据一起使用。例如，可以使用栅格来模拟地表上的水流。此信息可用于根据地形计算流域和河流网络的位置。
栅格数据也经常用于农业和林业，以管理作物生产。例如，通过一张农民土地的卫星图像，你可以识别出植物生长不良的地区，然后利用这些信息只在受影响的地区施用更多的肥料。林业员使用栅格数据来估计一个地区可以采伐多少木材。
栅格数据对于灾害管理也是非常重要的。分析数字高程模型(一种栅格，其中每个像素包含海平面以上的高度)然后可以用来识别可能被洪水淹没的区域。然后，这可以用于将救援和救济工作定向到最需要它的地区。
6.10. 需要注意的常见问题/事情
正如我们已经提到的，高分辨率栅格数据可能需要大量的计算机存储。
6.11. 我们学到了什么？
让我们总结一下我们在此工作表中介绍的内容：
栅格数据是大小规则的格网 pixels.
栅格数据非常适合显示 continually varying information.
栅格中像素的大小决定其 spatial resolution.
栅格图像可以包含一个或多个 bands ，每个覆盖相同的空间区域，但包含不同的信息。
当栅格数据包含来自电磁频谱不同部分的波段时，这些波段称为 multi-spectral images 。
多光谱图像的三个波段可以显示为红色、绿色和蓝色，这样我们就可以看到它们。
具有单个波段的图像称为灰度图像。
单波段、灰度图像可在地理信息系统中以伪彩色显示。
栅格图像可能会占用大量存储空间。
6.12. 现在你来试试吧！
以下是一些建议，可供您尝试与您的学习者：
与学员讨论在哪些情况下会使用栅格数据，在哪些情况下会使用矢量数据。
让你的学生用画有网格线的A4透明纸制作一张你的学校的栅格地图。将透明胶片覆盖在拓扑纸或学校的航拍照片上。现在让每个学习者或一组学习者在代表特定类型的特征的单元格中涂色，例如建筑、操场、运动场、树木、人行道等。当它们都完成后，将所有的表格叠加在一起，看看它是否能很好地代表你的学校的栅格地图。哪些类型的要素在表示为栅格时效果良好？您对像元大小的选择如何影响您表示不同要素类型的能力？
6.13. 一些值得思考的事情
如果您没有可用的计算机，则可以使用笔和纸来理解栅格数据。在一张纸上画一个正方形的网格来代表你的足球场。在表格中填入代表足球场上草地覆盖价值的数字。如果面片是裸露的，则将该单元格的值设为0。如果补丁是裸露和覆盖的混合，则给它赋值1。如果一个区域完全被草覆盖，给它赋值2。现在用铅笔和蜡笔根据单元格的值给它们上色。为值为2的单元格上色，颜色为深绿色。值1应显示为淡绿色，值0应显示为棕色。当你完成时，你应该有一个你的足球场的栅格地图！
6.14. 进一步阅读
Book ：
张康宗(2006)。地理信息系统概论。第三版。麦格劳·希尔。ISBN：0070658986
迈克尔·N·德默斯(2005)。地理信息系统基础。第三版。威利。ISBN：9814126195
Website: Https://en.wikipedia.org/wiki/GIS_file_formats#Raster
《QGIS用户手册》还提供了有关在QGIS中使用栅格数据的更多详细信息。
6.15. 下一步是什么？
在接下来的部分中，我们将更仔细地了解 topology 了解如何使用矢量要素之间的关系来确保最佳数据质量。