Introduction to GIS —— Chapter 4（Raster Data Model）
Key Concepts and Terms
1. Raster Data Model
A data model that uses rows, columns, and cells to construct spatial features.
栅格数据模型是用规则的格子（像素）来表示地理事物的方式。比如，一张数字高程图，每个格子存储的是某个位置的高度值。一张30米分辨率的DEM，每个格子代表30米 × 30米的地面面积。
2. Cell Value
The value in a raster cell, which can be categorical (like land use types) or numeric (like elevation or rainfall).
每个格子里存的数值。它可以是分类（比如 1 表示城市、2 表示森林、3 表示水体），也可以是连续数值（比如降雨量 25.3 毫米）。
3. Cell Size (Spatial Resolution)
The area represented by a raster cell; it determines the spatial resolution of the raster.
格子的大小，决定地图的清晰程度。格子越小，地图越精细。
4. Cell Depth (Bit Depth)
The number of bits used to store cell values; it affects the range of values a raster can hold.
一个格子能存多少种数值取决于它的位数。比如8位能存256个值，16位能存65536个值。灰度卫星影像常用8位，每个像素灰度值在0–255之间。
5. Raster Bands
Layers of data in a raster. A raster may have one band (single-band) or multiple bands (multiband).
栅格图像可以有一层或多层数据。单波段像是黑白照片，多波段像是彩色遥感影像。举例：Landsat影像有多个波段，可以分别反映红光、近红外等信息，用于识别植被、水体等。
6. Digital Elevation Model (DEM)
A digital model with an array of uniformly spaced elevation data in raster format.
DEM 是用规则格子记录地面高度的数字地形图。举例：三维地形图上的山脉、河谷都是根据DEM生成的，比如美国USGS提供的30米分辨率DEM。
7. Digital Orthophoto Quad (DOQ)
A digitized image in which distortions from camera tilt and terrain relief are removed.
数字正射影像是经过几何校正的航拍照片，看起来就像地图一样，比例精确。一张经过处理的航拍图可以直接用来量测道路长度，而不会因为倾斜变形。
8. Run-Length Encoding (RLE)
A raster data structure that records cell values by row and by groups of the same value, instead of cell by cell.
一种压缩存储方法，把连续相同的值合并存储，减少数据量。举例：如果一行有100个格子都是“水”，用RLE只需记录“水×100”，而不是写100次。
具体解释：
Run-Length Encoding (RLE) 是一种 无损数据压缩算法，主要用于压缩包含大量 连续重复元素 的数据。
核心思想是：把 连续相同的值（一个“游程” Run）用 该值和出现次数 来表示。
假设有一段数据：
AAAAABBBBCCDAA
A连续出现 5 次 →5AB连续出现 4 次 →4BC连续出现 2 次 →2CD连续出现 1 次 →1DA连续出现 2 次 →2A
编码后变成：
5A4B2C1D2A
9. Quadtree
A raster data structure that divides a raster into a hierarchy of quadrants until each contains only one cell value.
四叉树是一种把栅格不断分割的存储方法。它先把地图分成4块，再看每块里是否一致，不一致再继续分。
假设有一个 8×8 的栅格图像：
- 左上角 4×4 区域都是值 1 → 不再拆分，这部分存为一个节点。
- 右上角 4×4 区域里有 0 和 1 混合 → 继续拆成 4 个 2×2 区块。
- 拆分继续，直到某个子块里的值完全一致为止。
10. Rasterization & Vectorization
- Rasterization: Conversion of vector data (points, lines, polygons) into raster data.
- Vectorization: Conversion of raster data into vector data.
- 栅格化：把线、面转换成格子形式。比如，把公路地图转成栅格，每个格子标注“是否有道路”。
- 矢量化：把格子转成线、面。比如，把扫描的地籍图转成可编辑的地块边界。
Questions
- Explain the advantages and disadvantages of the raster data model versus the vector data model.
Raster data model:
- Advantages: It facilitates computation.
- Disadvantages: It lacks the precision and requires large computer memory.
因为每个格子表示一个区域，所以无法精确表示复杂边界，而且高分辨率的栅格会占用很多存储空间。比如用栅格表示一条蜿蜒的河流时，河流边界会显得不光滑，并且格子越小文件越大。
- Explain the relationship between cell size, raster data resolution, and raster representation of spatial features.
- Cell size refers to the size of the area represented by a single cell. It determines spatial resolution of a raster.
栅格的单元格大小指每个格子表示的实际地面面积，它决定栅格的空间分辨率。 - Raster uses grid to represent spatial features.
栅格使用格网来表示空间特征。
栅格的分辨率越高（格子越小），地图表示的细节越多；格子越大，细节越模糊。
- Explain the difference between passive and active satellite systems.
- Passive systems: acquire spectral bands from the electromagnetic spectrum. 被动系统通过接收电磁波的光谱带来获取信息。
- Active systems: provide their energy to illuminate an area of interest and measure the radar waves. 主动系统自己发射能量照射目标区域，然后测量返回的雷达波。
被动卫星类似“照相机”，利用太阳光反射来拍照；主动卫星类似“雷达”，自己发射信号来探测目标。
eg.光学卫星拍摄城市影像是被动系统；雷达卫星在云雾天气仍能获取地形数据是主动系统。
- Explain the difference between lossless and lossy compression methods.
- Lossless compression: allow the original image to be precisely reconstructed. 无损压缩可以完全还原原始图像。
- Lossy compression: high compression which means the original image cannot be precisely reconstructed. 有损压缩压缩率高，但无法完全还原原始图像。
无损压缩不会丢失信息，适合需要精确数据的情况；有损压缩会丢失部分细节，但文件更小。
(用 PNG 压缩地图数据是无损的；用 JPEG 压缩卫星影像是有损的，细节会略有损失。)