一种提取跨图幅地理范围分幅栅格数据的方法与流程

本发明涉及地理空间数据处理技术领域，具体涉及的是一种提取跨图幅地理范围分幅栅格数据的方法。

背景技术：

随着地理信息与航空航天技术的发展，海量的栅格数据被一幅幅图幅顺次存储下来，用以记录和分析地球表面的自然、社会活动过程。栅格数据是以场的方式来表达在一定空间范围内，且具有连续分布的特征实体的一种空间数据，其具体形式包括栅格数字地图、航空航天影像、数字高程模型等。栅格数据主要表达的对象不仅具有连续分布的特征，同时也具有地理空间范围特征。因此，栅格数据在基本的数字图像存储部分之外，还包括对应于该图像的地理信息部分，如坐标系、参考椭球、空间分辨率、坐标信息等。这些按图幅存储的栅格数据，以像元为基本单位来记录大片地理区域的地表过程，其数据存储量往往较大。同时，其空间范围呈规则的平面几何形状，如具有一定长度和宽度的矩形，或者瓦片形。多幅栅格数据通过有组织的排列，对相关地表区域进行相互间具有一定重叠的全面覆盖，形成对该区域内自然和社会过程的全面记录。以特定地理空间范围的地表为研究区域进行分析时，需收集可以完全覆盖该空间范围的一定图幅数量的栅格数据。

通常，研究区域可能是某个国家、地区的行政区，也可能是某条河流的流域，其占据的空间范围形状多样。因此，研究区域的地理空间范围与栅格空间数据的空间范围并不相同，甚至具有较大差异。研究区域的地理空间范围可能完全在一幅栅格数据的空间范围内，也可能超出该范围，即发生跨越多幅栅格数据的情况。为了获取研究区域的栅格数据，需要按其空间范围的确切边界，在一幅或者多幅栅格数据的基础上，提取出边界内部的栅格数据。这涉及到地理空间数据处理中的图像镶嵌和裁剪过程。图像镶嵌是将多幅栅格数据按照各自的地理信息(主要是坐标与空间范围信息)拼接在一起，构成一幅栅格数据的过程。裁剪是将一整幅栅格数据按照指定的地理空间范围，保留其边界内部数据的过程。综合利用镶嵌和裁剪手段，可达到从众多按图幅存储的栅格数据中准确提取出研究区域的栅格数据的目的。

在提取研究区域的栅格数据时，可能面对以下三种情况：

(1)研究区域的空间范围完全在一幅栅格数据的空间范围内，即不跨越图幅的情况；

(2)研究区域的空间范围少部分超出一幅栅格数据的空间范围，即跨越少量图幅的情况；

(3)研究区域的空间范围多部分超出一幅栅格数据的空间范围，即跨越大量图幅的情况。

现有技术在处理这三种情况时，一般是采用了如下的技术方式：在不跨越图幅的情况下，需要将研究区域的地理空间范围数据(一般以矢量数据的形式来表达其地理空间范围)直接叠加在相应图幅的栅格数据之上，利用该矢量数据裁剪栅格数据，直接提取出研究区地理空间范围的栅格数据；在跨越少量图幅的情况下，需要将相应图幅的栅格数据一一找出，然后将这些栅格数据镶嵌为一整幅大的栅格数据，此时研究区域的地理空间范围已被包括在这幅大的栅格数据内，即可利用矢量数据裁剪该栅格数据，间接提取出研究区地理空间范围的栅格数据；在跨越大量图幅的情况下，需要将相应大量图幅的栅格数据一一找出，然后将这些栅格数据镶嵌为一整幅巨大的栅格数据，此时研究区域的地理空间范围已被包括在这幅巨大的栅格数据内，即可利用矢量数据裁剪该栅格数据，间接提取出研究区地理空间范围的栅格数据。现有技术存在的问题主要在于以下几个方面。首先，相应图幅的查找工作对人工依赖性较强，自动化程度不高。在查找完全覆盖研究区域的栅格数据时，需要在地理信息软件中将研究区的矢量数据作为基准范围，依次加入多个图幅的栅格数据，直到这些图幅的栅格数据完全而又互不重复地覆盖住研究区域的地理范围，进而记录下这些栅格数据。这些栅格数据对基准范围的完全覆盖与否是由操作人员，通过目视对比的方式完成的。其次，对计算机内存占用耗费大，适用性不强。当研究区域跨越的图幅数量较多时，在镶嵌操作时需加载大量的栅格数据，对于计算机内存的耗费较大；同时，在裁剪操作时，需将镶嵌得出的一幅大的栅格数据输入内存，这一过程对于内存较小的计算机来说难以完成。该现象导致进行地理空间数据处理的计算机对配置要求较严格，难以适用于普通配置的个人计算机。最后，大量跨图幅研究区域的栅格数据提取时，作业量巨大。单个研究区域的栅格数据提取时，其作业量取决于跨越的分幅栅格数据图幅的数量；当面对大量的跨图幅研究区域时，其总作业量为单个研究区域作业量的图幅数次方倍，作业量急剧增大。造成这些问题的主要原因在于：尽管栅格数据自身带有地理空间范围特征，但其存在形式是以行和列排列的像元集合，难以与研究区域的地理范围直接进行空间运算，因此，其空间关系的判别不得不依赖人工目视判别的方式来处理；对各个地理范围的栅格数据提取均是视其地理范围为一个整体来处理，在保证该整体的完整性的条件下，不得不先将多幅栅格数据镶嵌为一大幅栅格数据，然后再进行裁剪操作，这种限制造成该处理对计算机内存占用大，以及处理多个研究区域时作业量大的问题。

技术实现要素：

基于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种提取跨图幅地理范围分幅栅格数据的方法，以解决现有技术中存在的前述问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种提取跨图幅地理范围分幅栅格数据的方法，该方法利用所有的分幅栅格数据，构建出矢量形式的空间分布图；建立该矢量空间分布图与相应分幅栅格数据索引路径的映射关系；对地理范围与矢量空间分布图进行空间相交运算，将地理范围的面要素“化整为零”，得到带有地理范围与图幅范围信息的多个子面要素；按照相应的映射关系，提取得到各个子面要素的栅格数据；将相同地理范围子面要素的栅格数据进行镶嵌，合并得到该地理范围的栅格数据。

该方法的步骤可以概括为：

(a).将所有的分幅栅格数据，利用其各自包含的地理空间信息，计算出矢量的覆盖范围，进而构建出这些栅格数据的矢量空间分布图；

(b).构建由步骤(a)得出的矢量空间分布图上各个面要素与相应分幅栅格数据索引路径的映射关系，使其为一一映射关系；

(c).将待提取的研究区域地理范围数据与空间分布图做空间相交运算，使得研究区域地理范围各面要素被空间分布图上该范围内多个面要素分为多个子面要素，并记录下该子面要素的空间范围在地理范围和空间分布图所属的两个面要素代号；

(d).利用由步骤(c)得出的研究区地理范围各子面要素在空间分布图的面要素代号与相应索引路径对应关系，获得分幅的栅格数据，将子面要素直接叠加在该栅格数据上，裁剪得到子面要素的栅格数据；

(e).在步骤(c)得出的多个子面要素数据的基础上，搜索带有研究区域相同面要素代号信息的所有子面要素，将这些子面要素的栅格数据合并，镶嵌为该研究区域的栅格数据。

本发明的进一步方案，在步骤(a)中所述在构建栅格数据的矢量空间分布图上，应确保每个面要素的地理位置和空间范围与相应的分幅栅格数据有效，数据覆盖范围相同，且相邻面要素间的空间关系为相邻关系。

本发明的再进一步方案，在步骤(c)中，所述待提取的研究区域地理范围数据若不是面要素类型的矢量数据，需先利用矢量化算法转换为矢量数据，再利用空间相交运算将研究区域地理范围各面要素被空间分布图上该范围内多个面要素分为多个子面要素。

本发明的再进一步方案，在步骤(c)～(e)中，所述子面要素在空间分布图的面要素代号与相应索引路径映射关系，获得分幅的栅格数据，在该单幅的分幅栅格数据上，裁剪得到子面要素的栅格数据；通过合并带有研究区域相同面要素的所有子面有素的栅格数据，得到所有完整镶嵌的研究区域栅格数据。

为了清楚描述本发明的技术方案，请参阅附图1～图5，该方法的具体技术方案的形式化描述如下：

图1为地理范围数据示意图，包括了跨图幅研究区域在内的地理范围矢量数据，设为a，a是其上的多个研究区域面要素的集合(公式1中，m为正整数)；

a＝{a1，a2，…，am}(1)

图2为由分幅栅格数据构建得到的矢量空间分布图，设为b，是多个分幅栅格数据空间范围的面要素集合(公式2中，n为正整数)；

b＝{b1，b2，…，bn}(2)

图3为矢量空间分布图与相应分幅栅格数据索引路径的映射关系，记为f(公式3中，右箭头为映射符号，b为多个分幅栅格数据空间范围的面要素集合，c为分幅栅格数据索引路径)；

f：b→c(3)

对a和b进行空间相交运算，得到带有地理范围与图幅范围信息的多个子面要素，如图4所示，设其集合为d(如公式4所示)；

d＝a∩b(4)

由公式1和公式4展开，可得公式5，进而由集合相交关系，得到公式6；如图4所示，a1与b空间相交，可得到5个子面要素，即按图1中a1与图2中相应地理位置的图幅(按图2中代码按行编号顺序)依次为b6、b7、b11、b12、b17，即可得公式7；由a1在空间上与每幅的相交，可进一步得到公式(8)，该集合中各元素即是地理范围a1与分幅空间分布图相交得到的子面要素；

d＝{a1，a2，…，an}∩b(5)

d＝(a1∩b)∪(a2∩b)∪…∪(an∩b)(6)

a1∩b＝a1∩{b6，b7，b11，b12，b17}(7)

a1∩b＝{a1b6，a1b7，a1b11，a1b12，a1b17}(8)

由公式8与公式3，按照映射关系f，可进一步推导得到公式9，其中各元素指代子面要素及该子面要素所在分幅栅格数据的索引路径；同理，对公式6中其他部分，按照映射关系f，可得到映射后的集合(如公式10)；

f(a1∩b)＝{a1b6c6，a1b7c7，a1b11c11，a1b12c12，a1b17c17}(9)

f(d)＝f(a1∩b)∪f(a2∩b)∪…∪f(an∩b)(10)

按照公式10，将相同地理范围子面要素的栅格数据镶嵌，合并得到该地理范围的栅格数据，即完成了这些地理范围内的栅格数据提取过程。

本发明与现有技术共有的技术特征是：

在提取跨图幅地理范围的栅格数据时，均是采用了图像镶嵌和裁剪的技术手段。

本发明新的技术特征表现在如下几个方面：

构建空间分布图：步骤(a)中，将所有的分幅栅格数据，利用其各自包含的地理空间信息，构建出这些栅格数据的空间分布图(以矢量数据的形式来表达)；该空间分布图上每个面要素的地理位置和空间范围与相应的栅格数据有效，覆盖范围相同，且相邻面要素间的空间关系为相邻关系；

构建映射关系：步骤(b)中，构建该矢量空间分布图面要素与相应分幅栅格数据索引路径的映射关系，保障其为一一映射关系；

进行空间相交运算：步骤(c)中，将待提取的研究区域地理范围数据(以矢量数据的形式来表达)与空间分布图做空间相交运算，使得研究区域地理范围各面要素被空间分布图上该范围内多个面要素分为多个子面要素，并记录下该子面要素的空间范围在地理范围和空间分布图所属的两个面要素代号；

提取子面要素地理范围的栅格数据：步骤(d)中，利用子面要素在空间分布图的面要素代号与相应索引路径映射关系，获得分幅的栅格数据，将子面要素直接叠加在该栅格数据上，裁剪得到子面要素的栅格数据；

获得研究区域地理范围的栅格数据：步骤(e)中，将带有研究区域相同面要素的所有子面有素的栅格数据合并，镶嵌为研究区域的栅格数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：首先，本发明将现有处理中的分幅栅格数据和地理范围的查找与覆盖判别过程，由原有的人工加载与目视判别，改为由空间关系运算自动判别，实现了该环节完全自动化，可降低人工成本；其次，本发明拓宽了该项处理过程对计算机应用平台的适用性，减小了对计算机内存大小的限制，使原有仅能在服务器级或工作站级配置的计算机上处理的作业，现在可在市面一般配置的个人计算机上进行，可降低用于该处理过程的生产资料成本；最后，本发明将跨图幅栅格数据提取流程进行了归纳，提供了统一的形式化描述框架，便于计算机串行或并行编程实现，可提高生产效率。

附图说明

图1为地理范围数据示意图。(a1、a2、am表示三个地理范围，黑点表示省略的其他形状地理范围)

图2为分幅栅格数据的矢量空间分布图。(b1、b2、bn表示三幅栅格数据的面要素代号，黑点表示省略的其他面要素代号)

图3为分幅栅格数据的空间分布图与其索引路径的映射关系示意图。(b1、b2、bn表示三幅栅格数据的面要素代号，c1、c2、cn表示相应的索引路径，黑点表示省略的其它映射)

图4为地理范围子面要素数据示意图。(a1b6、a1b7、a1b11、a1b12、a1b17表示图1中a1地理范围的五个子面要素)

图5为本方法的整体流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的上述技术内容和构造特点能更容易地被本领域一般技术人员所理解，下面结合技术要点对本申请做进一步的说明。

本实施例，一种提取跨图幅地理范围分幅栅格数据的方法，所使用的分幅栅格数据是以文件形式存储于计算机磁盘上的栅格文件；所使用的研究区域地理范围数据是面要素类型的矢量文件。

一种提取跨图幅地理范围分幅栅格数据的方法，步骤(a)～(e)的具体实施方式如下：

步骤(a)的实施例：

在arcmap软件中，利用arctoolbox工具箱中的创建镶嵌数据集功能，创建一个镶嵌数据集；然后，利用向栅格数据集添加栅格功能，将所有的分幅栅格文件添加到该镶嵌数据集中，同时生成该镶嵌数据集的脚印；最后，将该镶嵌数据集的脚印导出为面要素类型的矢量文件，即为所有分幅栅格文件的矢量空间分布图；

步骤(b)的实施例：

步骤(a)中得到的矢量空间分布图中，已自动生成了name字段，是其各面要素对应的分幅栅格文件名称。新建fullname字段，将该字段利用字段计算器功能，设置为栅格文件的磁盘存储路径+栅格文件名称的形式，即建立了矢量空间分布图上各个面要素与相应分幅栅格文件存储路径的映射关系；

步骤(c)的实施例：

将研究区域地理范围矢量文件和矢量空间分布图文件，加载到arcmap软件中，利用地理处理选项中的相交功能，将这两个矢量文件做空间相交运算，使得研究区域地理范围各面要素被空间分布图上该范围内多个面要素分为多个子面要素，得到子面要素矢量文件，其中即包含了相交前的两个面要素文件中对应相交面要素的字段，各子面要素利用其自身的字段，即可得知其属于研究区域面要素、位于哪个分幅栅格文件内部和该栅格文件的存储路径；

步骤(d)的实施例：

利用由步骤(c)得出子面要素矢量文件，将其属性表导出到excel表中，选出栅格文件路径字段、子面要素名称字段，建立输出栅格字段，其值为栅格文件存储路径+子面要素名称；在arcmap软件arctoolbox工具箱的栅格处理功能中，使用批处理功能，将excel表中的所有记录，保留以上三个字段，拷贝到批处理功能界面的对应字段中，同时将所有记录的使用输入要素作为裁剪多边形设置为是，即可裁剪得到子面要素的栅格数据；

步骤(e)的实施例：

利用步骤(d)得到的excel表，利用筛选功能，选择出相同研究区域面要素的多个输出栅格字段值，将这些子面要素栅格文件存储路径以分号“；”为分隔符，组成一个字符串，得到存储有相同研究区面要素代号与子面要素栅格文件字符串的对应表；利用arcmap软件arctoolbox工具箱的镶嵌到新栅格功能，使用批处理选项，将该对应表中的每条记录输入到批处理对应字段中，其中输入栅格框中拷贝为对应表的字符串，栅格数据集名称框中拷贝为研究区面要素代号，输出位置框拷贝为磁盘根目录路径；即可将这些子面要素的栅格数据合并，镶嵌为研究区域的栅格数据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。