Растровые данные в PostGIS

1. Растр в PostGIS

Растр — это тип пространственных данных, используемый для представления растровых данных, например импортированных из файлов JPEG, TIFF, PNG, цифровых моделей рельефа. Каждый растр содержит один или более каналов, каждый из которых имеет набор значений в пикселях.

2. Загрузка растров с помощью raster2pgsql

raster2pgsql — инструмент командной строки, который поставляется вместе с PostGIS. Если вы работаете в Windows и используете пакет приложений Stack Builder, вы найдёте raster2pgsql.exe в папке C:\Program Files\PostgreSQL\15\bin, где 15 — версия PostgreSQL, которую вы используете.

2.1. Параметры командной строки

При запуске без аргументов raster2pgsql показывает все доступные параметры. Наиболее используемые из них:

• -s SRID — задаёт SRID исходного растра. Если не указан, raster2pgsql пытается определить SRID по метаданным или использует SRID 0;
• -t размер-тайла — определяет размер тайла (ширина × высота в пикселях). Значение auto автоматически делит растр на равномерные тайлы (32–100 пикселей). Количество строк таблицы не меньше числа файлов;
• -R — регистрирует растр как внешний, хранящийся вне базы;
• -F — добавляет столбец с именем исходного файла растра (по умолчанию filename); полезно при разбивке на тайлы;
• -n имя-столбца — задаёт имя столбца для хранения имени файла (используется с -F);
• -l множитель — создаёт обзорные таблицы с именем o_множитель_имятаблицы; эти таблицы всегда хранятся в базе;
• -I — создаёт пространственный индекс GiST на столбце растра;
• -C — применяет стандартные ограничения на столбец растра;
• -e — выполняет инструкции отдельно, а не в одной транзакции;
• -G — выводит поддерживаемые форматы GDAL.

Режимы обработки таблиц (взаимоисключающие):

• -c имя-таблицы — создаёт и заполняет новую таблицу (по умолчанию);
• -d имя-таблицы — удаляет таблицу, создаёт заново, заполняет данными;
• -a имя-таблицы — добавляет растр в существующую таблицу;
• -p имя-таблицы — только создаёт таблицу (подготовительный режим).

2.2. Пример загрузки

raster2pgsql -s 3763 -N -32767 -t 128x128 -I -C -M -d
  C:\Users\Evgenie\Downloads\Landsat8_L1TP_RGBN.TIF rasters.landsat8
  | psql -d postgis_raster_db -h localhost -U postgres -p 5432

Разбор опций raster2pgsql:

• -s 3763 — SRID растра (в примере 3763 — конкретная система координат);
• -N -32767 — значение NoData: все пиксели с этим значением интерпретируются как отсутствующие данные;
• -t 128x128 — разбивает растровый файл на тайлы 128 × 128 пикселей, что оптимизирует работу с большими данными;
• -I — создаёт пространственный индекс GiST на растровом столбце, ускоряя пространственные запросы;
• -C — добавляет стандартные ограничения: проверку SRID, размеров тайлов и значений пикселей;
• -M — добавляет метаданные о минимальных и максимальных значениях пикселей в каждом тайле, что полезно для анализа;
• -d — удаляет существующую таблицу (если есть), создаёт новую и заполняет её данными;
• путь к файлу — растровый файл Landsat 8 для загрузки;
• rasters.landsat8 — имя таблицы: rasters — схема, landsat8 — таблица;
• | psql — передаёт сгенерированный SQL-код напрямую в клиент PostgreSQL: -d — имя базы, -h — хост, -U — пользователь, -p — порт (по умолчанию 5432).

При указании параметра -G raster2pgsql перечисляет все поддерживаемые растровые форматы. Сценарий для загрузки нескольких файлов с разбивкой на тайлы и обзорными уровнями:

raster2pgsql -d -e -l 2,3 -I -C -M -F -Y -t 256x256 *.tif nyc_dem

Чтобы загрузить все файлы одинакового формата из папки, достаточно поставить символ * и через точку добавить расширение.

2.3. Конструктор команды raster2pgsql

Соберите свою команду загрузки: отмечайте флаги — команда и пояснения обновляются на лету. Попробуйте воспроизвести пример из раздела 2.2, а затем — сценарий с обзорными таблицами.

3. Метаданные растров в базе

PostGIS предоставляет два представления растровых каталогов: raster_columns и raster_overviews. Эти представления — часть системы метаданных PostGIS и используются для каталогизации информации о растровых данных в базе (аналогично geometry_columns для векторов — см. практику 4).

3.1. raster_columns

Каталог всех столбцов типа raster в базе данных. Колонки представления: r_table_catalog (имя текущей базы), r_table_schema (схема), r_table_name (таблица), r_raster_column (растровый столбец), srid (система координат), scale_x и scale_y (масштабы по осям), blocksize_x и blocksize_y (размеры блоков), same_alignment (одинаковое выравнивание), regular_blocking (регулярное блокирование), num_bands (количество каналов), pixel_types (типы пикселей), nodata_values (значения «нет данных»), out_db (хранение вне базы), extent (максимальный охват), spatial_index (наличие пространственного индекса).

3.2. raster_overviews

Каталогизирует информацию о таблицах обзоров (уменьшенных копий растра для быстрого просмотра); информация не дублирует raster_columns. Колонки: o_table_catalog, o_table_schema, o_table_name, o_raster_column — база, схема, таблица и столбец обзора; r_table_catalog, r_table_schema, r_table_name, r_raster_column — растровая таблица, обслуживаемая этим обзором; overview_factor — уровень пирамиды обзора: чем выше число, тем ниже разрешение таблицы.

Общая схема хранения растра в базе: основная таблица со ссылками на таблицу тайлов (rid, raster, filename), таблица систем координат (srid, auth_name, auth_srid, srtext) и обзорные таблицы с overview_factor.

3.3. Плагин raster2postgis в QGIS

Можно обойтись и без консоли: плагин raster2postgis загружает растр на сервер PostgreSQL прямо из QGIS. Работает, только если на сервере установлена утилита raster2pgsql; для первого запуска требуются права суперпользователя, а перед установкой плагина необходимо установить модуль Python unidecode.

4. Тайлы растра и пространственная индексация

Как «увидеть» нарезку на тайлы? Функция ST_ConvexHull вычисляет выпуклую оболочку геометрии — наименьшую выпуклую геометрию, которая окружает все геометрии входного набора. В общем случае выпуклая оболочка является полигоном; для тайла растра это его рамка. Выпуклая оболочка двух и более коллинеарных точек — линия, одной точки — точка.

Зачем это нужно? У каждого тайла есть rid: нумерация начинается с верхнего левого угла и заканчивается в правом нижнем.

Каждый тайл имеет координаты своих углов, например POLYGON((293325 6321615, 297165 6321615, 297165 6317775, 293325 6317775)). Возникает знакомый вопрос: как отсортировать данные так, чтобы быстро ответить на пространственный запрос — например, находится ли точка (294325, 6331615) внутри указанной области? Основная проблема в том, что проверять нужно обязательно и координату X, и координату Y — это та самая задача пространственной индексации, которую решают GiST-индексы и кривая Гильберта из лекции 3.

Пример запроса для отображения фрагмента снимка в указанных границах:

SELECT ST_AsTIFF(ST_Union(rast), 'LZW') AS tiff
FROM lc09_l2sp_008021_20240206_20240209_02_t1_sr_b1
WHERE ST_Intersects(
    ST_SetSRID(
        ST_GeomFromText('POLYGON((293325 6321615, 297165 6321615,
                          297165 6317775, 293325 6317775, 293325 6321615))'),
        32621),   -- SRID должен совпадать с системой координат растра
    rast
);

5. Растр и вектор вместе

Входные данные примеров: цифровая модель рельефа SRTM и цветосинтезированное изображение Landsat 8 в формате TIFF (чёрные поля — значение «нет данных»), а также векторные шейп-файлы Португалии: железные дороги (линии), церкви (точки) и округа города Порту (полигоны).

5.1. Пересечение растра с вектором

CREATE TABLE schema_name.intersects AS
SELECT a.rast, b.municipality
FROM public.dem AS a, vectors.porto_parishes AS b
WHERE ST_Intersects(a.rast, b.geom) AND b.municipality ILIKE 'porto';

Запрос отбирает тайлы ЦМР, пересекающие границу округа, — но тайлы остаются целыми, с «лишними» краями за границей.

5.2. Обрезка растра по вектору: ST_Clip

CREATE TABLE schema_name.clip AS
SELECT ST_Clip(a.rast, b.geom, true), b.municipality
FROM public.dem AS a, vectors.porto_parishes AS b
WHERE ST_Intersects(a.rast, b.geom) AND b.municipality LIKE 'PORTO';

Третий аргумент true заполняет области вне полигона значением NoData — растр обрезается точно по границе (так же работала «Обрезка растра по маске» в QGIS в главе 3 РГР).

5.3. Объединение фрагментов: ST_Union

CREATE TABLE schema_name.union AS
SELECT ST_Union(ST_Clip(a.rast, b.geom, true))
FROM public.dem AS a, vectors.porto_parishes AS b
WHERE b.municipality ILIKE 'porto' AND ST_Intersects(b.geom, a.rast);

ST_Union собирает обрезанные тайлы в один непрерывный растр — теперь с ним можно работать как с единым изображением.

5.4. Растеризация и векторизация

Преобразования между моделями данных несимметричны:

• слои с категориальными растрами хорошо преобразуются в векторные слои: одна переменная преобразуется в один столбец, пиксели одинакового значения группируются;
• непрерывные растровые слои (высоты, температуры) не преобразуются осмысленно;
• векторные слои плохо преобразуются в растровые: каждый атрибут должен быть преобразован в отдельный растр, нет поддержки текстовых значений (например, «M34»), глобальные характеристики ареала теряют значение, топологические отношения между объектами теряются, разрешение должно быть высоким, чтобы соответствовать вектору, а обратное преобразование в исходный вектор очень сложно или невозможно.

В векторном слое каждый объект имеет собственный уникальный идентификатор; в растровом слое, преобразованном из векторного, каждый объект также должен сохранять свою уникальность.

Для растеризации PostGIS предоставляет функцию ST_AsRaster. Примеры её применения (в исходных материалах в этих примерах по ошибке повторялся код ST_Clip — здесь приведён корректный вызов по документации PostGIS):

-- пример 1: растеризация полигонов округов по образцу существующего растра
CREATE TABLE schema_name.porto_raster AS
SELECT ST_AsRaster(b.geom, a.rast, '8BUI', 255, 0) AS rast
FROM public.dem AS a, vectors.porto_parishes AS b
WHERE b.municipality ILIKE 'porto' LIMIT 1;

-- пример 2: ST_AsRaster + ST_Union - один растр из всех полигонов
SELECT ST_Union(ST_AsRaster(geom, 100, 100, '8BUI', 255, 0))
FROM vectors.porto_parishes
WHERE municipality ILIKE 'porto';

6. Анализ растровых изображений

6.1. Метаданные и статистика

Помимо функций для получения метаданных на уровнях растра и канала, PostGIS предоставляет несколько функций для получения информативной статистики о составе и значениях пикселей в канале, которая помогает решить, как обрезать или переклассифицировать растры: ST_Count, ST_CountAgg, ST_Histogram, ST_Quantile, ST_SummaryStats, ST_SummaryStatsAgg и ST_ValueCount.

-- количество пикселей и метаданные
SELECT ST_Count(rast), (ST_MetaData(rast)).* FROM rasters.dem LIMIT 1;

6.2. Извлечение канала: ST_Band

Чтобы извлечь один канал из многоканального растра, используется функция ST_Band:

6.3. Уклон: ST_Slope

ST_Slope — функция PostGIS, которая вычисляет угол наклона для каждого пикселя растрового изображения. Используется для анализа поверхности, например для определения крутизны или уклона ландшафта; угол наклона вычисляется на основе изменения высотных значений цифровой модели рельефа (DEM).

6.4. Классификация: ST_Reclass

ST_Reclass — функция переклассификации растровых данных: она изменяет значения пикселей на основе заданных диапазонов или условий. Например, можно заменить пиксели определённого диапазона на другие значения — скажем, преобразовать все значения меньше нуля в ноль.

6.5. Статистика: ST_SummaryStats

ST_SummaryStats возвращает сводную статистику — количество, сумму, среднее, стандартное отклонение, минимум и максимум — для канала растра. Статистику можно генерировать для каждого тайла или с группировкой:

6.6. Значение пикселя: ST_Value

ST_Value извлекает значение пикселя растра по указанным координатам. Пример: извлечение высот точек из таблицы places по ЦМР.

6.7. Индекс топографической позиции (TPI)

TPI — переменная второго порядка, позволяющая различать местоположения вдоль профиля склонов: от привершинных (пригребневых) элементарных поверхностей до подножий склонов и прикилевых элементов эрозионной сети.

6.8. Алгебра растров: NDVI

Существует два способа использования картографической алгебры в PostGIS: через выражение и через функцию обратного вызова. Классический пример — вычисление вегетационного индекса NDVI по снимку Landsat 8:

-- способ 1: выражение (алгебра двух каналов)
CREATE TABLE rasters.ndvi AS
SELECT ST_MapAlgebra(
    rast, 4,          -- канал NIR (в файле RGBN каналы: 1=Red, 2=Green, 3=Blue, 4=NIR)
    rast, 1,          -- канал Red
    '([rast1] - [rast2]) / ([rast1] + [rast2])::float',
    '32BF'
) AS rast
FROM rasters.landsat8;

Способ 2 — функция обратного вызова: создаётся функция schema_name.ndvi с параметрами value (трёхмерный массив значений double precision с данными растров), pos (двумерный массив целых чисел с координатами пикселей) и VARIADIC userargs (параметр переменной длины для произвольного количества дополнительных текстовых аргументов); затем она передаётся в ST_MapAlgebra.

7. Справочник специальных функций

7.1. Статистика

• ST_Count — количество пикселей в заданном канале растра (по умолчанию канал 1); при exclude_nodata_value = true учитываются только пиксели, не равные значению NoData;
• ST_CountAgg — агрегат: количество пикселей в канале набора растров;
• ST_Histogram — набор записей, обобщающих распределение данных по диапазонам-бинам; количество бинов вычисляется автоматически, если не указано;
• ST_Quantile — квантили растра в контексте выборки или популяции: значение на 25 %, 50 %, 75 % процентили;
• ST_SummaryStats — сводная статистика (количество, сумма, среднее, стандартное отклонение, минимум, максимум) для канала растра;
• ST_SummaryStatsAgg — то же для набора растров (агрегат);
• ST_ValueCount — набор записей «значение — число пикселей с этим значением»; значения округляются до ближайшего целого, пиксели NoData по умолчанию не учитываются.

7.2. Доступ к каналам растра

• ST_BandMetaData — основные метаданные канала;
• ST_BandNoDataValue — значение, представляющее отсутствие данных;
• ST_BandIsNoData — true, если канал заполнен только значениями NoData;
• ST_BandPath — системный путь к каналу, хранящемуся в файловой системе;
• ST_BandFileSize — размер файла канала;
• ST_BandFileTimestamp — временная метка файла канала;
• ST_BandPixelType — тип пикселя канала;
• ST_MinPossibleValue — минимальное значение, которое может храниться в данном типе пикселя;
• ST_HasNoBand — true, если канала с указанным номером нет.

7.3. Пространственные отношения между растрами

• ST_Contains / ST_ContainsProperly — растр A содержит растр B (строго внутри — для Properly);
• ST_Covers / ST_CoveredBy — ни одна точка B не лежит вне A (и наоборот);
• ST_Disjoint — растры не пересекаются;
• ST_Intersects / ST_Overlaps — пересечение (Overlaps — частичное, без полного вложения);
• ST_Touches — есть общая точка, но внутренности не пересекаются;
• ST_SameAlignment / ST_NotSameAlignmentReason — одинаковы ли ориентация, масштаб, привязка и смещение (пиксели ложатся на одну сетку); вторая функция объясняет причину рассогласования;
• ST_Within / ST_DWithin / ST_DFullyWithin — вложенность и нахождение в пределах заданного расстояния.

Контрольные вопросы

• Что такое тип raster в PostGIS и что нужно активировать для работы с ним?
  Тип пространственных данных для растров (JPEG, TIFF, PNG, ЦМР); каждый растр содержит один или более каналов со значениями пикселей. Для работы требуется расширение postgis_raster в дополнение к базовому PostGIS.
• Расшифруйте команду raster2pgsql -s 3763 -N -32767 -t 128x128 -I -C -M -d файл таблица | psql …
  -s — SRID растра; -N — значение NoData; -t — нарезка на тайлы 128×128; -I — GiST-индекс; -C — стандартные ограничения (SRID, размеры, значения); -M — метаданные мин/макс по тайлам; -d — пересоздать таблицу. Сгенерированный SQL передаётся конвейером в psql с параметрами подключения.
• Чем различаются режимы -c, -d, -a и -p?
  -c — создать и заполнить новую таблицу (по умолчанию); -d — удалить существующую, создать заново и заполнить; -a — добавить растры в существующую таблицу; -p — подготовительный режим: только создать структуру таблицы без данных. Режимы взаимоисключающие.
• Что каталогизируют raster_columns и raster_overviews?
  raster_columns — все растровые столбцы базы: SRID, масштабы, размеры блоков, число каналов, типы пикселей, NoData, охват, наличие индекса. raster_overviews — таблицы обзоров (уменьшенных копий): какую растровую таблицу обслуживает обзор и overview_factor — уровень пирамиды (чем выше, тем ниже разрешение).
• Как выглядит конвейер «вырезать фрагмент ЦМР по границе округа и получить один растр»?
  ST_Intersects(rast, geom) отбирает тайлы, пересекающие полигон; ST_Clip(rast, geom, true) обрезает каждый тайл по границе, заполняя внешнее NoData; ST_Union собирает обрезанные тайлы в единый растр. Экспорт — ST_AsTIFF.
• Почему векторные слои плохо преобразуются в растровые?
  Каждый атрибут требует отдельного растра; текстовые значения не поддерживаются; глобальные характеристики ареала и топологические отношения теряются; для соответствия вектору нужно высокое разрешение; обратное преобразование в исходный вектор крайне сложно или невозможно. Хорошо векторизуются только категориальные растры.
• Какими двумя способами вычисляется алгебра растров в PostGIS? Приведите формулу NDVI.
  Через выражение в ST_MapAlgebra ('([rast1]-[rast2])/([rast1]+[rast2])') и через функцию обратного вызова (PL/pgSQL-функция с параметрами value[][][] и pos[][], передаваемая в ST_MapAlgebra). NDVI = (NIR − Red) / (NIR + Red); в учебном файле RGBN каналы упорядочены как 1=Red, 2=Green, 3=Blue, 4=NIR, поэтому в ST_MapAlgebra подставляются каналы 4 и 1.
• Назовите функции: статистика канала, значение в точке, уклон, переклассификация, гистограмма.
  ST_SummaryStats (и ST_SummaryStatsAgg для набора растров), ST_Value, ST_Slope, ST_Reclass, ST_Histogram; дополнительно ST_Quantile — квантили, ST_ValueCount — частоты значений, ST_Count — число пикселей.

Источники

1. PostGIS Documentation. Raster Reference : [сайт]. — URL: https://postgis.net/docs/RT_reference.html (дата обращения: 18.08.2026).
2. PostGIS Documentation. Loading and Creating Rasters (raster2pgsql) : [сайт]. — URL: https://postgis.net/docs/using_raster_dataman.html (дата обращения: 18.08.2026).
3. Обе, Р. PostGIS в действии / Р. Обе, Л. Су. — М. : ДМК Пресс, 2022. — 754 с.
4. Weiss, A. Topographic Position and Landforms Analysis : poster presentation // ESRI User Conference. — San Diego, CA, 2001.