简要介绍 GDAL 的架构、关键组件和功能

GDAL(地理空间数据抽象库,Geospatial Data Abstraction Library)是一个开源库,用于读取、写入和处理多种栅格和矢量地理空间数据格式。它为地理信息系统(GIS)提供了强大而统一的数据访问方式。。简要介绍 GDAL 的架构、关键组件和功能。

GDAL核心架构

GDAL 由多个相互连接的子系统组成,它们协同工作,提供全面的地理空间数据处理功能。其核心架构包括栅格 (GDAL) 和矢量 (OGR) 处理组件,以及用于可移植性、算法和虚拟文件系统的支持库。

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关键组件

GDAL 的架构可分为以下几个核心部分:

    1. 核心库(Core GDAL Library)

    • 提供统一的数据模型和 I/O 接口

    • 使用 CPL(Core Portability Library)实现平台兼容性

    • 包含虚拟文件系统(Virtual File Interface)

    2. 矢量与栅格支持
    • OGR(矢量库):支持 GeoJSON、Shapefile、PostGIS 等矢量格式

    • 栅格模块:支持 GeoTIFF、NetCDF、HDF5、JPEG2000 等格式

    3. 驱动框架(Driver Framework)
    • 插件式架构,支持加载多个驱动

    • 包括矢量驱动和栅格驱动

    • 常用驱动如:GeoTIFF、NetCDF、VRT、Memory、SQLite/GPKG

    4. 算法库(Algorithms Library)
    • 提供数据重采样、投影变换、图像滤波、统计计算等功能

    5. 语言绑定(Language Bindings)
    • SWIG 接口支持多语言访问,如 Python、C#、Java

    • Python 绑定广泛应用于自动化处理和数据分析

    6. 命令行工具(Command Line Utilities)
    • gdalwarp(重投影)、ogr2ogr(矢量转换)、gdal_translate(格式转换)等工具

数据交互过程

下图展示了应用程序如何通过 GDAL 的抽象层与地理空间数据交互:

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栅格数据模型

GDAL 使用分层模型来访问栅格数据:

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矢量数据模型(OGR)

OGR 为矢量数据提供了类似的分层模型:

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关键格式驱动程序

GDAL 通过其驱动程序架构支持多种地理空间格式。以下是主要格式驱动程序:

GeoTIFF(GTiff)

GeoTIFF 是地理参考栅格图像的主要格式,其功能包括:

  • 支持各种压缩方法(LZW、DEFLATE、JPEG、WEBP)

  • 多分辨率访问的内部和外部概览

  • 云优化 GeoTIFF (COG) 创建

  • 地理空间元数据处理

  • 支持各种位深度和数据类型

GPKG

GeoPackage 是基于 SQLite 的 OGC 标准,可以存储栅格和矢量数据:

  • 基于 SQLite 的格式,具有空间扩展

  • 支持栅格图块和矢量特征

  • 内置空间索引

  • 标准化元数据表

云优化 GeoTIFF (COG)

COG 是一种针对云和 Web 访问进行了优化的 GeoTIFF 格式:

  • HTTP 范围请求支持部分文件访问

  • 内部瓷砖组织与概览

  • 页脚带有与图块的偏移,以便快速访问

  • 用于并行处理的结构元数据

Python 集成

GDAL 通过 SWIG 提供全面的 Python 绑定:

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常见操作

操作栅格(GDAL)矢量(OGR)
打开数据集GDALOpen()OGROpen()
创建数据集GDALDriver::Create()OGRSFDriver::CreateDataSource()
复制数据集GDALDriver::CreateCopy()OGRSFDriver::CopyDataSource()
读取数据GDALRasterBand::ReadRaster()OGRLayer::GetNextFeature()
写入数据GDALRasterBand::WriteRaster()OGRLayer::CreateFeature()
空间参考GetProjectionRef()SetProjection()OGRLayer::GetSpatialRef()SetSpatialRef()
转型GDALCreateGenImgProjTransformer()OGRGeometry::Transform()
过滤不适用OGRLayer::SetSpatialFilter()SetAttributeFilter()
统计数据GDALRasterBand::GetStatistics()OGRLayer::GetFeatureCount()
概述GDALRasterBand::BuildOverviews()不适用

命令行实用程序

GDAL 提供了许多用于数据处理的命令行实用程序:

  • gdalinfo:显示有关栅格数据集的信息

  • gdal_translate:在格式之间转换栅格数据

  • gdalwarp:重新投影栅格数据

  • gdalbuildvrt:创建虚拟数据集

  • gdaladdo:向栅格数据集添加概览

  • ogrinfo:显示有关矢量数据集的信息

  • ogr2ogr:在格式之间转换矢量数据

  • gdal:统一命令行界面(在新版本中引入)

结论

GDAL 是一个用于处理地理空间数据的综合库,其架构灵活,基于抽象数据模型和特定格式的驱动程序。

其统一的 API 允许应用程序处理多种数据格式,而无需编写特定格式的代码,同时其专用功能可处理地理空间数据的复杂性,例如投影、变换和元数据。

该库广泛应用于 GIS 软件、遥感应用、Web 地图服务以及涉及空间数据的科学计算。

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