第01章 - GDAL概述与基础知识
第01章：GDAL概述与基础知识
1.1 GDAL 简介
1.1.1 什么是 GDAL
GDAL（Geospatial Data Abstraction Library，地理空间数据抽象库）是一个用于读取和写入栅格和矢量地理空间数据格式的开源库。GDAL 由 OSGeo（Open Source Geospatial Foundation，开源地理空间基金会）维护，是地理信息系统（GIS）和遥感领域最重要的基础设施之一。
GDAL 的核心设计理念是提供一个统一的抽象层，使开发者能够以一致的方式访问各种不同的地理空间数据格式，而无需关心底层格式的具体实现细节。
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 应用程序层 │
│ (QGIS, ArcGIS, MapServer, PostGIS, 自定义应用...) │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ GDAL 抽象层 │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ GDAL Core │ │ OGR │ │ OSR │ │
│ │ (栅格处理) │ │ (矢量处理) │ │ (空间参考) │ │
│ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 驱动层 │
│ GeoTIFF│Shapefile│PostGIS│GeoJSON│KML│NetCDF│HDF│... │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 数据源层 │
│ 本地文件 │ 数据库 │ 网络服务 │ 云存储 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
1.1.2 GDAL 的历史发展
GDAL 的发展历程反映了地理空间开源社区的成长：
| 年份 | 里程碑事件 |
|---|---|
| 1998 | Frank Warmerdam 开始开发 GDAL |
| 2000 | GDAL 1.0 正式发布 |
| 2002 | OGR 库合并到 GDAL 项目 |
| 2006 | 加入 OSGeo 基金会 |
| 2007 | GDAL 1.4 发布，支持更多格式 |
| 2010 | GDAL 1.7 发布，性能大幅提升 |
| 2014 | Even Rouault 成为主要维护者 |
| 2019 | GDAL 3.0 发布，重大架构更新 |
| 2020 | GDAL 3.1 发布，支持 PROJ 6+ |
| 2021 | GDAL 3.3 发布，云优化改进 |
| 2022 | GDAL 3.5 发布，性能持续优化 |
| 2023 | GDAL 3.7+ 发布，支持更多现代格式 |
1.1.3 GDAL 的主要特点
GDAL 之所以成为行业标准，是因为它具备以下关键特点：
1. 格式支持广泛
GDAL 支持超过 200 种 栅格和矢量数据格式：
栅格格式（部分列表）：
| 格式类型 | 支持的格式 |
|---|---|
| 通用影像格式 | GeoTIFF, JPEG, PNG, BMP, GIF |
| 卫星遥感格式 | HDF4, HDF5, NetCDF, GRIB |
| 商业软件格式 | ECW, MrSID, JPEG2000, IMG |
| 开源格式 | VRT, MEM, COG (Cloud Optimized GeoTIFF) |
| 数据库存储 | PostGIS Raster, GeoPackage |
矢量格式（部分列表）：
| 格式类型 | 支持的格式 |
|---|---|
| 标准交换格式 | Shapefile, GeoJSON, KML/KMZ, GML |
| 数据库格式 | PostGIS, Spatialite, Oracle Spatial |
| 商业软件格式 | FileGDB, Personal GDB, MapInfo TAB |
| 开源格式 | GeoPackage, FlatGeobuf, TopoJSON |
| CAD格式 | DXF, DWG（部分支持） |
2. 跨平台支持
GDAL 可以在多种操作系统上运行：
| 平台 | 支持状态 |
|---|---|
| Windows | ✅ 完全支持（32位/64位） |
| Linux | ✅ 完全支持（所有主流发行版） |
| macOS | ✅ 完全支持（Intel/Apple Silicon） |
| Android | ✅ 部分支持 |
| iOS | ✅ 部分支持 |
3. 多语言绑定
GDAL 提供多种编程语言的绑定：
| 语言 | 绑定方式 | 成熟度 |
|---|---|---|
| C/C++ | 原生 API | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
| Python | SWIG 绑定 | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
| Java | SWIG 绑定 | ⭐⭐⭐⭐ |
| C#/.NET | SWIG 绑定 | ⭐⭐⭐⭐ |
| Perl | SWIG 绑定 | ⭐⭐⭐ |
| R | rgdal 包 | ⭐⭐⭐⭐ |
4. 丰富的命令行工具
GDAL 提供了一套完整的命令行工具：
# 栅格工具
gdalinfo # 显示栅格数据信息
gdal_translate # 栅格格式转换
gdalwarp # 栅格投影转换和重采样
gdal_merge.py # 栅格镶嵌
gdaladdo # 创建金字塔
# 矢量工具
ogrinfo # 显示矢量数据信息
ogr2ogr # 矢量格式转换
ogrlineref # 线性参考
ogrtindex # 创建瓦片索引
# 通用工具
gdalsrsinfo # 显示空间参考信息
gdal_contour # 等值线生成
gdal_grid # 网格插值
1.2 GDAL 核心组件
GDAL 库实际上由三个主要组件组成，它们各自负责不同的功能领域：
1.2.1 GDAL Core - 栅格数据处理
GDAL Core 是处理栅格数据的核心组件，主要功能包括：
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│ GDAL Core 架构 │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│ ┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐ │
│ │ GDALDataset │ │ GDALDriver │ │
│ │ (数据集) │ │ (驱动) │ │
│ └────────┬────────┘ └─────────────────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌─────────────────┐ │
│ │ GDALRasterBand│ │
│ │ (栅格波段) │ │
│ └────────┬────────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 像素数据 (Pixel Data) │ │
│ │ Byte | Int16 | Int32 | Float32 | Float64 | ... │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
主要类和概念：
| 类名 | 描述 |
|---|---|
| GDALDataset | 表示一个栅格数据集，包含一个或多个波段 |
| GDALRasterBand | 表示数据集中的一个波段 |
| GDALDriver | 负责读写特定格式的驱动程序 |
| GDALDriverManager | 驱动管理器，管理所有注册的驱动 |
核心功能：
- 读取和写入栅格数据
- 访问和修改地理变换参数
- 处理栅格波段数据
- 创建和管理金字塔（概览）
- 读写元数据
1.2.2 OGR - 矢量数据处理
OGR（最初代表 OpenGIS Simple Features Reference Implementation）是处理矢量数据的组件：
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│ OGR 架构 │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│ ┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐ │
│ │ GDALDataset │ │ OGRDriver │ │
│ │ (数据源) │ │ (驱动) │ │
│ └────────┬────────┘ └─────────────────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌─────────────────┐ │
│ │ OGRLayer │ │
│ │ (图层) │ │
│ └────────┬────────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐ │
│ │ OGRFeature │ │ OGRFeatureDefn │ │
│ │ (要素) │ │ (要素定义) │ │
│ └────────┬────────┘ └─────────────────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐ │
│ │ OGRGeometry │ │ OGRFieldDefn │ │
│ │ (几何对象) │ │ (字段定义) │ │
│ └─────────────────┘ └─────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
主要类和概念：
| 类名 | 描述 |
|---|---|
| GDALDataset | 在 OGR 中也表示矢量数据源 |
| OGRLayer | 表示数据源中的一个图层 |
| OGRFeature | 表示图层中的一个要素 |
| OGRGeometry | 表示要素的几何形状 |
| OGRFieldDefn | 定义属性字段的结构 |
| OGRFeatureDefn | 定义要素的结构（包含字段和几何类型） |
支持的几何类型：
| 几何类型 | OGR 类名 | 描述 |
|---|---|---|
| 点 | OGRPoint | 单个坐标点 |
| 线 | OGRLineString | 由点序列组成的线 |
| 多边形 | OGRPolygon | 由外环和可选内环组成 |
| 多点 | OGRMultiPoint | 点的集合 |
| 多线 | OGRMultiLineString | 线的集合 |
| 多多边形 | OGRMultiPolygon | 多边形的集合 |
| 几何集合 | OGRGeometryCollection | 任意几何类型的集合 |
1.2.3 OSR - 空间参考系统
OSR（OGR Spatial Reference）负责处理坐标系统和投影：
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│ OSR 架构 │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│ ┌───────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ OGRSpatialReference │ │
│ │ (空间参考对象) │ │
│ └───────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │ │
│ ┌───────────────┼───────────────┐ │
│ ▼ ▼ ▼ │
│ ┌───────────────┐ ┌───────────────┐ ┌───────────────┐│
│ │ 地理坐标系 │ │ 投影坐标系 │ │ 局部坐标系 ││
│ │ (Geographic) │ │ (Projected) │ │ (Local) ││
│ └───────────────┘ └───────────────┘ └───────────────┘│
│ │
│ ┌───────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ OGRCoordinateTransformation │ │
│ │ (坐标转换对象) │ │
│ └───────────────────────────────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
主要功能：
| 功能 | 描述 |
|---|---|
| 坐标系定义 | 支持 WKT、PROJ、EPSG 等多种定义方式 |
| 坐标转换 | 不同坐标系之间的转换 |
| 投影计算 | 正向和逆向投影计算 |
| 参数获取 | 获取椭球体、基准面、投影参数等 |
常用坐标系标识：
| EPSG 代码 | 名称 | 描述 |
|---|---|---|
| 4326 | WGS 84 | 全球通用地理坐标系 |
| 3857 | Web Mercator | Web 地图投影 |
| 4490 | CGCS2000 | 中国大地坐标系 |
| 32650 | UTM Zone 50N | UTM 投影（北半球50带） |
| 4547 | CGCS2000 / 3-degree Gauss-Kruger zone 39 | 高斯-克吕格投影 |
1.3 GDAL 与相关项目
1.3.1 GDAL 生态系统
GDAL 是一个庞大生态系统的核心，与许多其他项目紧密集成：
┌─────────────────┐
│ QGIS │
│ ArcGIS │
│ MapServer │
│ GeoServer │
└────────┬────────┘
│
┌────────▼────────┐
│ │
┌────────────┤ GDAL ├────────────┐
│ │ │ │
│ └────────┬────────┘ │
│ │ │
▼ ▼ ▼
┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐
│ PROJ │ │ GEOS │ │ SQLite │
│ (投影计算) │ │ (几何计算) │ │ (数据库) │
└─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘
1.3.2 PROJ 库
PROJ 是一个坐标转换库，GDAL 依赖它进行投影计算：
| 版本 | 特点 |
|---|---|
| PROJ 4.x | 经典版本，使用 proj4 字符串 |
| PROJ 5.x | 过渡版本 |
| PROJ 6.x+ | 现代版本，支持 WKT2，精度更高 |
PROJ 与 GDAL 版本对应：
| GDAL 版本 | 推荐 PROJ 版本 |
|---|---|
| GDAL 2.x | PROJ 4.x - 5.x |
| GDAL 3.0 | PROJ 6.x |
| GDAL 3.3+ | PROJ 7.x+ |
| GDAL 3.6+ | PROJ 9.x |
1.3.3 GEOS 库
GEOS（Geometry Engine Open Source）提供几何操作功能：
| 功能类型 | 具体功能 |
|---|---|
| 空间关系 | Contains, Within, Intersects, Touches, Crosses |
| 空间操作 | Buffer, Union, Intersection, Difference, SymDifference |
| 几何验证 | IsValid, IsSimple |
| 几何构建 | Convex Hull, Centroid, Envelope |
1.3.4 依赖关系图
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ GDAL │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 必需依赖： │
│ ├── PROJ (坐标投影) │
│ ├── libtiff (GeoTIFF 支持) │
│ ├── libgeotiff (GeoTIFF 地理信息) │
│ └── zlib (压缩支持) │
│ │
│ 可选依赖： │
│ ├── GEOS (高级几何操作) │
│ ├── SQLite/Spatialite (GeoPackage 支持) │
│ ├── PostgreSQL/PostGIS (PostGIS 支持) │
│ ├── libpng (PNG 格式) │
│ ├── libjpeg (JPEG 格式) │
│ ├── libcurl (网络访问) │
│ ├── libxml2 (XML 解析) │
│ ├── HDF5 (HDF5 格式) │
│ ├── NetCDF (NetCDF 格式) │
│ └── OpenJPEG (JPEG2000 格式) │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
1.4 GDAL 应用场景
1.4.1 典型应用领域
GDAL 在以下领域得到广泛应用：
| 领域 | 应用场景 |
|---|---|
| 遥感处理 | 卫星影像预处理、辐射校正、几何校正 |
| GIS 开发 | 空间数据读写、格式转换、数据管理 |
| 地图制图 | 底图处理、栅格渲染、符号化 |
| 数据工程 | ETL 流程、数据仓库、批量处理 |
| 科学研究 | 气候数据分析、地质建模、生态研究 |
| 国土测绘 | 地籍数据管理、坐标转换、数据归档 |
| 城市规划 | 三维建模、空间分析、规划展示 |
1.4.2 实际案例
案例1：卫星影像批量处理
# 使用 Python GDAL 批量处理 Sentinel-2 影像
from osgeo import gdal
import os
def process_sentinel2_images(input_dir, output_dir):
"""批量处理 Sentinel-2 影像"""
for filename in os.listdir(input_dir):
if filename.endswith('.tif'):
input_path = os.path.join(input_dir, filename)
output_path = os.path.join(output_dir, f"processed_{filename}")
# 打开源数据
src_ds = gdal.Open(input_path)
# 进行投影转换
gdal.Warp(output_path, src_ds,
dstSRS='EPSG:4326',
resampleAlg='bilinear')
src_ds = None
案例2：矢量数据格式转换
# 将 Shapefile 转换为 GeoJSON
from osgeo import ogr
def shp_to_geojson(shp_path, geojson_path):
"""Shapefile 转 GeoJSON"""
# 获取驱动
driver = ogr.GetDriverByName('GeoJSON')
# 打开源数据
src_ds = ogr.Open(shp_path)
src_layer = src_ds.GetLayer()
# 创建目标数据
dst_ds = driver.CreateDataSource(geojson_path)
dst_ds.CopyLayer(src_layer, 'output')
# 清理
src_ds = None
dst_ds = None
案例3：坐标系统转换
# 坐标点从 WGS84 转换到 CGCS2000
from osgeo import osr
def transform_coordinates(x, y, src_epsg=4326, dst_epsg=4490):
"""坐标转换"""
# 创建源和目标空间参考
src_srs = osr.SpatialReference()
src_srs.ImportFromEPSG(src_epsg)
dst_srs = osr.SpatialReference()
dst_srs.ImportFromEPSG(dst_epsg)
# 创建转换对象
transform = osr.CoordinateTransformation(src_srs, dst_srs)
# 执行转换
result = transform.TransformPoint(x, y)
return result[0], result[1]
1.4.3 使用 GDAL 的知名项目
| 项目 | 类型 | 如何使用 GDAL |
|---|---|---|
| QGIS | 桌面 GIS | 核心数据访问引擎 |
| GeoServer | 地图服务器 | 栅格数据发布 |
| MapServer | 地图服务器 | 数据格式支持 |
| PostGIS | 空间数据库 | 栅格功能（raster2pgsql） |
| Rasterio | Python 库 | 底层数据访问 |
| GeoPandas | Python 库 | 矢量数据 I/O |
| GRASS GIS | GIS 软件 | 数据导入导出 |
| Google Earth Engine | 云平台 | 数据处理引擎 |
1.5 GDAL 版本与特性
1.5.1 版本演进
| 大版本 | 发布时间 | 主要特性 |
|---|---|---|
| 1.x | 2000-2014 | 基础功能建立，格式支持扩展 |
| 2.x | 2015-2019 | 统一 API，性能优化，Python 3 支持 |
| 3.x | 2019-至今 | PROJ 6+ 支持，云优化，多维数组 |
1.5.2 GDAL 3.x 重要更新
GDAL 3.x 系列带来了许多重要更新：
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| PROJ 6+ 支持 | 更精确的坐标转换，支持时间相关的转换 |
| 统一 API | 栅格和矢量 API 进一步统一 |
| 多维数组 | 更好的 NetCDF/HDF5 支持 |
| 云优化 | 改进的 /vsicurl/ 和 /vsis3/ 支持 |
| COG 支持 | 原生 Cloud Optimized GeoTIFF 支持 |
| Arrow 集成 | 支持 Apache Arrow 列式数据格式 |
1.5.3 选择合适的版本
根据你的需求选择合适的 GDAL 版本：
| 需求 | 推荐版本 |
|---|---|
| 生产环境稳定性 | GDAL 3.4.x LTS |
| 最新功能 | GDAL 3.8.x+ |
| 旧系统兼容 | GDAL 2.4.x |
| 云原生应用 | GDAL 3.5.x+ |
1.6 学习资源与社区
1.6.1 官方资源
| 资源 | URL | 描述 |
|---|---|---|
| 官方网站 | https://gdal.org | 文档、下载、API 参考 |
| GitHub | https://github.com/OSGeo/gdal | 源码、Issue、PR |
| 邮件列表 | gdal-dev@lists.osgeo.org | 开发讨论 |
| IRC | #gdal on libera.chat | 实时交流 |
1.6.2 学习资料
官方文档：
书籍推荐：
- 《Geoprocessing with Python》 by Chris Garrard
- 《Python Geospatial Development》 by Erik Westra
- 《GDAL/OGR Cookbook》（在线资源）
1.6.3 社区支持
| 平台 | 用途 |
|---|---|
| GIS Stack Exchange | 问答社区 |
| Reddit r/gis | 讨论社区 |
| OSGeo 论坛 | 官方论坛 |
| GitHub Discussions | 技术讨论 |
1.7 本章小结
本章介绍了 GDAL 的基本概念和核心组件：
- GDAL 是什么：地理空间数据抽象库，支持 200+ 种数据格式
- 核心组件：
- GDAL Core：栅格数据处理
- OGR：矢量数据处理
- OSR：空间参考系统
- 主要特点：跨平台、多语言绑定、丰富的命令行工具
- 生态系统：与 PROJ、GEOS 等项目紧密集成
- 应用场景：遥感处理、GIS 开发、数据工程等
在下一章中，我们将详细介绍 GDAL 的安装与环境配置方法。
1.8 思考与练习
- GDAL、OGR、OSR 三个组件各自的主要功能是什么？
- 为什么 GDAL 能够成为地理空间数据处理的行业标准？
- GDAL 3.x 相比 2.x 版本有哪些重要的改进？
- 列举三个你熟悉的使用 GDAL 的项目或软件。
- 对于一个新项目，你会如何选择合适的 GDAL 版本？
浙公网安备 33010602011771号