实验四 栅格数据结构

第二章将地球“装入”计算机利用计算机分析地理世界，需要在计算机中建立一个地理世界的模型，而不能直接将地理世界的实体装入计算机，这个过程就是建模。如何建模呢？首先要对地理世界进行抽象，地理学中描述地理世界，不仅要描述组成地物的特征，还要描述这些地物的位置；然后，将描述的结果转换为计算机能够接受的形式，这个过程称为“编码”；最后，将编码结果在计算机中表示出来，这个过程称为“解码”，经过以上三个步骤就实现了将现实世界装入了计算机，生成了各种类型的空间数据。

本章内容包括两个实验，实验四—栅格数据结构和实验五—矢量数据结构，分别介绍两种将地球“装入”计算机的方法。

实验四栅格数据结构

一、实验目的

1.通过实验，加深对栅格数据结构的认识。

2.通过实验，了解栅格数据坐标系统。

3.通过实验，掌握栅格矩阵结构、游程编码结构、四叉树编码结构的栅格数据压缩的方法。

二、实验内容

1.掌握栅格矩阵结构数据文件头的定义。

2.以扫描地图为基础，运用混合像元属性值确定方法，确定栅格单元的属性值。

3.根据栅格数据文件格式要求，手工制作栅格矩阵结构的栅格数据文件。

4.根据栅格数据压缩编码的要求，对手工制作的栅格矩阵结构进行游程压缩编码和解码。

5.尝试实现栅格数据的四叉树压缩编码和解码。

三、实验要求

1.掌握对空间区域进行格网化的方法。

2.了解栅格数据文件头中各参数的含义。

3.掌握栅格数据单元格属性取值方法。

4.了解栅格数据的可视化表达方法。

5.掌握栅格数据的游程长度编码、四叉树编码的原理，了解四叉树编码在VB环境下的实现过程。

四、实验数据

1.

图1 栅格数据文件举例

五、实验步骤

1、拟解决的问题

地理环境中的实体或者现象有一部分是连续的，如温度、气压等地理现象，为了将这些内容输入计算机，必须将它们转换为计算机能接受的形式。地学中常用的方法就是将连续的研究对象格网化，将其规则地分成若干独立的单元，每个单元的位置用格网行列号表示，单元的特征用一个具体数值来表示，所有的单元按照行列号的顺序组织在一起，就实现了对连续分布的地物或者地理现象的有效地描述。这种格网化的方法得到的结果，就是地理信息系统常见的数据类型之一——栅格数据。GIS中的栅格数据目前主要类型有数字高程模型（DEM）、遥感影像数据、栅格地形图等，虽然以上几种栅格数据在形式、文件结构等方面存在着一定的差别，但原理基本上是一样的。本实验主要介绍如何实现栅格

数据的编码、解码和压缩。

2、原理

（一）、格网化方法

为了表示连续的地理目标，通常将地理目标所在的区域等分为若干行、列构成的网格，网格行列号表示位置，用一个值来表示每个网格的属性，将所有的单元格位置和属性记录下来，这样就得到了栅格数据，而对于一个单元格而言，可能会出现多种地物共存的现象，为了方便记录，最终只能取一种地物的属性作为这一单元的记录属性，因而需要以一定的方式决定哪种地物作为这个单元格的代表，栅格单元的取值方法有多种：当栅格单元中有多个地物时只能选择一个代表栅格单元，如何选择呢？常用的选择方案主要有：1）中心点法则：栅格单元的属性值以网格中心点对应的面域属性值来确定。

2）重要性法则：根据栅格内不同地物的重要性程度，选取特别重要的空间实体决定对应的栅格单元值。

3）面积占优法则：每个栅格单元的值以在该网格单元中占据最大面积的属性值

4）长度占优法则：每个栅格单元的值以网格中线（水平或垂直）的大部分长度所对应的面域的属性值来确定。

（二）、编码

确定了栅格单元中的属性值之后，则可建立栅格数据文件，这个过程称为栅格数据的编码。编码首先要确定栅格数据文件的构成，每个单元格中的属性值是栅格数据文件中最重要的部分，但是为了高效率的对栅格数据文件进行读取、管理，需要在文件头部加上一些参数对其进行必要的说明，因而一般栅格数据文件的组成包括文件头和数据主体两部分，其中文件头主要定义栅格数据的行、列数，栅格单元的大小，位置等内容，文件体是格网化描述以后的属性数值构成矩阵。

栅格数据文件的文件头和文件体组成，文件头是对格网化方法和文件体的描述。以DEM 数据文件头为例，其文件头定义如下：

表1 ArcVIEW的DEM数据文件头说明

文件格式举例含义

ncols 15 列数

nrows 10 行数

xllcorner 50 西南角格网单元横坐标X0

yllcorner 50 西南角格网单元纵坐标Y0

cellsize 100 格网间距

nodata_value -9999 无效数据区的属性值

图１是一个用记事本打开的栅格数据文件，其中第一行到第六行就是栅格数据文件的文件头，六个参数描述的意义分别是列数15、行数10、西南角栅格单元的X坐标50、西南栅格单元Y坐标50、栅格单元的边长100和无数据区的表示值-9999。从第七行开始，记录的则是栅格数据文件的具体内容，也就是将现实世界描述的结果，排列为10行、15列的二维矩阵。

（三）解码

运用不同的编码方法，可以得到各种不同格式的栅格文件，当需要应用这些数据时，必须通过一定的方式将这些数据通过计算机表达并显示出来，这个过程称为解码。

（四）压缩

（1）游程压缩

（2）四叉树压缩

（3）金字塔压缩

3、工具与使用方法

（一）Command Line工具

Command Line工具是ArcMap提供的命令行工具，通过点击Window—Command Line

可以打开CommandLine浮动工具栏。该工具栏分上下两个部分，上面用于输入各种命令和参数，下面用于显示运行信息。

在Command Line中输入命令的方法是通过键盘输入命令名称，后空一格，再必要的输入参数，如果有多个参数，参数之间用空格分开。如果不知道命令完整名称，可以先输入命令的前面几个字符，在出现的提示信息中进行选择。参数的输入也可以利用提示信息，如果用已经加载的数据作参数，这些已经加载的数据会出现在提示信息中，直接选择即可。

在Command Line的命令输入框中输入A然后用鼠标选择AsciiToRaster，即可。（二）ASCIIToRaster工具

ASCIIToRaster是将ASCII格式保存的栅格数据转换为ESRI的Grid格式的栅格数据的工具。具体步骤如下：

步骤一复制创建ASC格式的栅格数据文件。将图1中的数据复制到记事本中另存为ASC 格式的文件，比如文件命名为doc1.asc。

步骤二将ASC格式的栅格数据转换为ESRI格式的GRID数据。打开Command Line，输入AsciiToRaster，输入空格，再输入包含完整路径的文件，比如：“C：\doc1.asc”，再输入空格，接着输入转换结果保存路径，例如“D:\ddd”，空格，在弹出的选项中选择Integer。

步骤三转换运算。弹出转换对话框，运算结束后，自动添加到当前视图。

（三）ArcToolBox工具