.. highlight:: rst .. _gdaldatamodel: ################ GDAL数据模型 ################ 本章主要介绍GDAL的数据模型，通过上一章，我们大致了解数据集和波段的意义，这章中，我们来看GDAL中这些概念的实现。本章基本参考 `GDAL_Datamodel `_ 为了方便理解，没有完全按照原文翻译，有部分删改。 .. _dataset: ****************** 数据集 ****************** 上章介绍了，简单的说，一个数据集可以看作为一幅影像。它包括了元数据、投影信息、波段等等，GDAL中用 ``GDALDataset`` 类来表示数据集。数据集除了内部的波段，还包括以下内容： .. _coordinatesystem: 投影系统 ====================== GDAL中，使用的是 `WKT `_ 串来表示投影，具体的表示内容可以参考链接，下面用例子简单的介绍一下，#后面表示注释:: PROJCS["WGS 84 / UTM zone 52N", #投影名称 GEOGCS["WGS 84", #地理坐标系统名 DATUM["WGS_1984", #水平基准面 SPHEROID["WGS 84",6378137,298.257223 #椭球体名称、长半轴、反偏率 AUTHORITY["EPSG","7030"]], #外部权威的空间参考系统的编码 AUTHORITY["EPSG","6326"]], PRIMEM["Greenwich",0], #中央经线Greenwich，0度标准子午线 UNIT["degree",0.0174532925199433], #指定测量使用的单位。在地理坐标系下使用角度。 AUTHORITY["EPSG","4326"]], PROJECTION["Transverse_Mercator"], #投影方法，这里是通用墨卡托投影 PARAMETER["latitude_of_origin",0], #PARAMETER表示投影参数,0表示纬度起点为0度 PARAMETER["central_meridian",129], #投影带的中央经线是东经129度 PARAMETER["scale_factor",0.9996], #中央经线的长度比是0.9996 PARAMETER["false_easting",500000], #坐标纵轴向西移动500km PARAMETER["false_northing",0], #横轴没有平移 UNIT["metre",1, #指定测量使用的单位，指定米为测量单位。 AUTHORITY["EPSG","9001"]], #外部权威的空间参考系统的编码 AUTHORITY["EPSG","32652"]] 这部分和地图投影关系很大，如果没有基础，请参考 `地图投影系列介绍 `_ 和 `地图投影简明笔记 `_ 。 使用 `GDALDataset::GetProjectionRef() `_ 函数可以获取数据集的投影信息，GDAL中使用仿射变换可以将地理坐标和图像坐标进行转换，在下一节中我们将具体展示；使用 `GDALDataset::GetGCPProjection() `_ 可以获取GCP点的投影。返回均为WKT字符串，如果返回""，则表示该数据集没有投影或者投影没有被识别。 .. _affinegeotransform: 仿射地理变换 ====================== GDAL数据集有两种方式表示栅格数据中像元位置（图像中某个点在影像中的行列号）和投影坐标系（不是经纬度，是投影到二维平面的地图坐标，二者可以通过地图投影进行相互转换）间的关系：仿射变换和GCP点。大部分数据都是用仿射变换描述的，本节中描述仿射变换。 仿射变换由六个参数实现， ``GDALDataset::GetGeoTransform()`` 可以获取仿射变换参数数组。将像元位置转换为投影坐标的公式如下： .. code-block:: c++ /* 六个参数分别是： geos[0] top left x 左上角x坐标 geos[1] w-e pixel resolution 东西方向像素分辨率 geos[2] rotation, 0 if image is "north up" 旋转角度，正北向上时为0 geos[3] top left y 左上角y坐标 geos[4] rotation, 0 if image is "north up" 旋转角度，正北向上时为0 geos[5] n-s pixel resolution 南北向像素分辨率 x/y为图像的x/y坐标，geox/geoy为对应的投影坐标 */ geox = geos[0] + geos[1] * x + geos[2] * y; geoy = geos[3] + geos[4] * x + geos[5] * y 注意，上面所说的点/线坐标系是从左上角(0,0)点到右下角，也就是坐标轴从左到右增长，从上到下增长的坐标系（即影象的行列从左下角开始计算）。 点/线位置中心是(0.5,0.5) .. _GCPs: GCP点 ====================== 数据集可以由一系列控制点来定义空间参考坐标系。所有的GCP点共用 ``GDALDataset::GetGCPProjection()`` 获取的地理参考坐标系。GCP结构体在GDAL中表示如下： .. code-block:: c++ typedef struct { char *pszId; //ID，可以用字母+数字表示，不能重复 char *pszInfo; //描述信息,一般为空 double dfGCPPixel; //列号 double dfGCPLine; //行号 double dfGCPX; //投影x坐标 double dfGCPY; //投影y坐标 double dfGCPZ; //投影z坐标 } GDAL_GCP; **GDAL数据模型没有实现由GCPs产生坐标系的变化的机制** ，而是把具体的操作留给用户实现,一般采用多项式插值实现。 如果数据集有投影的话，会包含仿射变换或GCPS。两者都有的很少见， 如果两者都有，则无法用权威坐标系定义。 .. _metadata: 元数据 ====================== GDAL中，元数据是以键值对呈现的辅助数据，可以使用 :ref:`gdalinfo` 获取影像元数据，结果如图所示： .. figure:: img/keyvalue.png :alt: key-value Image :align: center 如上图中红色部分所示，在 ``MetaData`` 栏中，所有的数据都是以 **key=value** 的方式组织的。 ``key`` 中不能设置空格和一些特殊字符， ``value`` 为非空值的任意长度的内容。一个数据集的元数据一般不超过100kb，否则会导致性能严重下降。 一些数据格式支持用户自定义的基本元数据，一些数据格式会定义特殊的键。 相似的元数据可以组成一个域，如上面的红色部分和绿色部分，就属于不同的域。默认域没有名称，有些特殊用途的元数据有特殊的域。目前虽然不能列举出一个对象所需要 的所有域，但是程序可以测试任何我们已经知道确切含义的域。 下面介绍些常见的域。 .. _subdatasetsdomain: 子数据集域 ------------------- :ref:`multidatasets` 中一般都会有这个域，用于存储子数据集的信息,一般是一个类似下面的信息列表:: Subdatasets: SUBDATASET_1_NAME=NETCDF:"example.nc":auditTrail SUBDATASET_1_DESC=[2x80] auditTrail (8-bit character) SUBDATASET_2_NAME=NETCDF:"example.nc":data SUBDATASET_2_DESC=[1x61x172] data (32-bit floating-point) SUBDATASET_3_NAME=NETCDF:"example.nc":lat SUBDATASET_3_DESC=[61x172] lat (32-bit floating-point) SUBDATASET_4_NAME=NETCDF:"example.nc":lon SUBDATASET_4_DESC=[61x172] lon (32-bit floating-point) ``NAME=`` 后面的内容是子数据集名称，用来打开数据集下的子数据集。``DESC=`` 后面跟的是描述。ADRG, ECRGTOC, GEORASTER, GTiff, HDF4, HDF5, netCDF, NITF, NTv2, OGDI, PDF, PostGISRaster, Rasterlite, RPFTOC, RS2, WCS, and WMS这些数据类型都有子数据集。 .. _imagestructuredomain: 图像结构域 ------------------- 与影像格式相关的元数据信息将存在这个域中，就是上图中绿色部分。这部分元数据在转换格式的时候，一般不会自动拷贝到新数据中。其中有一些典型的条目，例如 ``COMPRESSION`` 表示压缩程度等。 .. _rpcdomain: RPC域 ------------------- RPC元数据域描述有理多项式系数几何模型，这也是描述像元和地理参考位置之间变换信息用的。更详细的信息参见 `RPCs in GeoTIFF `_ 文档。 .. _xmldomains: xml: 域 ------------------- 任何以 ``xml:`` 为前缀名的域都不是一个普通的键值对方式的元数据。它是一个存有xml字符串的单XML文档。 .. _rasterband: ****************** 波段 ****************** 波段是真正存储数据的结构，GDAL中用 ``GDALRasterBand`` 类来表示单个波段。 波段有以下的性质： * 宽和高：如果是全分辨率的波段，那长和宽与数据集中的定义是一样的。 * 数据类型：有Byte, UInt16, Int16, UInt32, Int32, Float32, Float64, and the complex types CInt16, CInt32, CFloat32, and CFloat64类型. * 块大小：缓冲块的大小，tiff中一般是以行作为缓冲块 * 描述字串：可选 * nodata数值：可选 * 光栅名称：可选，这个特性可以用来指定一些比较重要的数据。 * 波段的解释信息，枚举型： + GCI_Undefined: 默认值. + GCI_GrayIndex: 灰度值波段 + GCI_PaletteIndex: 颜色表索引 + GCI_RedBand: 红色波段 + GCI_GreenBand: 绿色波段 + GCI_BlueBand: 蓝色波段 + GCI_AlphaBand: 透明通道 + GCI_HueBand: 色调 + GCI_SaturationBand: 饱和度 + GCI_LightnessBand: 光强 + GCI_CyanBand: 青色波段 + GCI_MagentaBand: 品红波段 + GCI_YellowBand: 黄色波段 + GCI_BlackBand: t黑色波段. .. _colortable: ****************** 颜色表 ****************** 颜色表在GDAL中，由多个 ``GDALColorEntry`` 组成， ``GDALColorEntry`` 结构体描述如下： .. code-block:: c++ typedef struct { /- gray, red, cyan or hue -/ short c1; /- green, magenta, or lightness -/ short c2; /- blue, yellow, or saturation -/ short c3; /- alpha or blackband -/ short c4; } GDALColorEntry; 颜色表同时还对应一个调色板（ ``GDALPaletteInterp`` ）， ``GDALColorEntry`` 中的 ``c1/c2/c3/c4`` 的 值可以作为调色板索引得到真正的颜色值。 * GPI_Gray: c1作为灰度值。 * GPI_RGB: c1/c2/c3依次为Red/Green/Blue，c4对应alpha通道。 * GPI_CMYK: c1为cyan，c2为magenta，c3为yellow，c4为black。 * GPI_HLS: c1为hue，c2为lightness，c3为saturation。 用颜色表表示时，每个像素保存的只是像素颜色在颜色表的位置。每个颜色的索引从 0开始递增。这里并没有提供针对颜色表的缩放机制。 .. _overviews: ****************** 金字塔层 ****************** 一个波段可以有零个或多个金字塔层，这个结构在构建影像金字塔的时候将用到。每个层都相当于独立的 ``GDALRasterBand`` 。每层的行列数和原始的波段有所不同，但是覆盖的地理区域是相同的。 金字塔层是原始波段的降采样实现的，一般用于快速显示。 波段有 ``HasArbitraryOverviews`` 属性来判定在某些分辨率上是否有金字塔层。该属性可以应用于fft编码或者是网络传输切片等状况中。