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Python学习|RS Python入门02:列表、字典与流程控制:像元集合的编队与行军令【二】

  • 2026-10-21 13:29:16
Python学习|RS Python入门02:列表、字典与流程控制:像元集合的编队与行军令【二】

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2026

诸位,在上一课《Python学习|RS Python入门02:列表、字典与流程控制:像元集合的编队与行军令【一】》中,知道怎么用[]按顺序存一堆像元值、波段名称或者坐标点。比如一个像素的7个波段值可以存成列表[b1, b2, b3, b4, b5, b6, b7],靠位置索引来访问,但实际处理遥感数据时,经常遇到这种情况:

1)你知道要操作的是近红外波段,但不想记它在第几个位置

2)不同数据源的波段顺序不一样,用位置索引很容易出错

3)除了波段数据,还有一堆相关属性要一起管理(分辨率、投影、采集时间等)

这时候就需要字典(Dictionary)了。

什么是字典?

字典(Dictionary)是Python中一种基于哈希表实现的键值对映射数据结构。它通过{}定义,存储形式为{键1: 值1, 键2: 值2, ...},其中键必须是不可变类型(如字符串、数字、元组),值可以是任意类型。

Part.01

基本语法

首先,我们来创建几个字典,我们可以采取如下的方式去定义列表:

meta = {"sensor": "Landsat8", "date": "2023-06-15", "cloud_cover": 12.5} # 直接创建meta_dict = dict(sensor="Landsat8", date="2023-06-15") # dict()构造函数empty_dict = {} # 空字典

而后我们可以查看以下我们创建的列表,输入以下命令:

print(meta)print(meta_dict )print(empty_dict)

当然,假设我们不知道上面的bands是什么类型,也可以查看我们创建的类型:

print(type(meta)) # <class 'dict'>

Part.02

核心特性

1)无序性:在Python 3.7+中,字典虽然保持插入顺序,但这种"有序"与列表的顺序有本质区别:

metadata = {"platform": "Sentinel-2A", "acquisition_time": "10:30:00Z"}print(metadata["platform"])  # "Sentinel-2A"
也就是说,元素通过键访问,而非位置。

2)键的唯一性:每个键必须是唯一且不可变的(字符串、数字、元组):

band_info = { "B01": "Coastal Aerosol", "B02": "Blue", "B01": "Coastal Aerosol (443nm)"  # 覆盖第一个B01}print(band_info["B01"]) # "Coastal Aerosol (443nm)"
然后我们可以看到输出的是Coastal Aerosol(443nm),而非Coastal Aerosol。也就是说键重复时,后值覆盖前值。

3)值的任意性:值可以是任何数据类型,包括列表、字典等嵌套结构

image_metadata = { "basic_info": { "satellite": "Landsat 9", "sensor": "OLI/TIRS", "acquisition_date": "2023-09-20" }, "processing_info": { "level": "L1TP", "system_correction": True, "terrain_correction": False }, "bands": ["B1", "B2", "B3", "B4", "B5", "B6", "B7"]}
也就是我们可以看到,遥感元数据的典型嵌套结构,字典中的值是任意的类型(type),只要符合key与value对应关系即可。

Part.03

遥感元数据管理的典型应用

3.1 场景一:影像头文件信息

# Landsat影像标准元数据结构landsat_header = { "FILE_TYPE": "L1T", "DATA_TYPE": "INT16", "SPATIAL_RESOLUTION": 30,  # 米 "PROJECTION": "UTM", "DATUM": "WGS84", "ZONE": 50, "UL_CORNER": (440000.0, 3500000.0),  # 左上角坐标 "LR_CORNER": (500000.0, 3450000.0),  # 右下角坐标 "BANDS": 11, "ROWS": 5000, "COLUMNS": 5000, "SUN_ELEVATION": 55.4, "SUN_AZIMUTH": 135.2}
3.2 场景二:传感器波段参数
我们可以先定义一个哨兵2把波段的参数,具体如下:
# Sentinel-2波段参数详解sentinel2_bands = { "B01": { "name": "Coastal Aerosol", "center_wavelength": 443.9,  # nm "bandwidth": 20, "resolution": 60,  # 米 "description": "用于海洋颜色和气溶胶研究" }, "B02": { "name": "Blue", "center_wavelength": 496.6, "bandwidth": 65, "resolution": 10, "description": "水体穿透、土壤植被区分" }, "B08": { "name": "NIR", "center_wavelength": 832.8, "bandwidth": 115, "resolution": 10, "description": "植被生物量、水体边界" }}
而后我们进一步做一个访问嵌套信息:
nir_info = sentinel2_bands["B08"]print(f"波段名: {nir_info['name']}")print(f"中心波长: {nir_info['center_wavelength']}nm")

3.3 场景三:处理流程配置

# 影像预处理参数配置preprocessing_config = { "input_path": "/data/raw/landsat/", "output_path": "/data/processed/", "operations": { "radiometric_correction": { "method": "DOS", "atmospheric_model": "Mid-Latitude Summer", "aerosol_model": "Urban" }, "geometric_correction": { "method": "Polynomial", "order": 2, "gcp_count": 25 }, "terrain_correction": { "enabled": True, "dem_source": "SRTM", "resampling": "Bilinear" } }, "output_format": "GTiff", "compression": "LZW", "nodata_value": -9999}

接下来为了更好的给大家理解:我们来通过两个完整的流程进行模拟:

案例1:单景影像快速处理

我们来模拟一个影像处理流程,请随我来看:
def quick_process_single_scene(): scene_info = {   "id": "L8_20230615",   "file": "LC08_20230615.tif",   "bands": {   "red": 3,      # 红色波段在第4个位置(索引3)   "nir": 4,      # 近红外波段在第5个位置   "swir": 5      # 短波红外波段   } }    print(f"处理影像: {scene_info['id']}") steps = {   "1_load": "读取影像数据",   "2_extract": "提取需要的波段",   "3_cloudmask": "简单云掩膜",   "4_calculate": "计算植被指数",   "5_output": "保存结果" } for step_name, step_desc in steps.items(): print(f"步骤{step_name}: {step_desc}") results = {   "ndvi_range": [0.1, 0.8],   "mean_ndvi": 0.45,   "veg_area_km2": 125.6,   "output_file": "L8_20230615_ndvi.tif" }    return results
而后我们运行上述流程,一起输入如下代码即可:
scene_result = quick_process_single_scene()print(f"NDVI均值: {scene_result['mean_ndvi']}")print(f"输出文件: {scene_result['output_file']}")

而后便可看到如下结果:

案例2:两期影像变化检测

def simple_change_detection():   time1 = {   "date": "2020-06-15",   "ndvi_file": "ndvi_2020.tif",   "stats": {"mean": 0.52, "max": 0.89} }  time2 = {   "date": "2023-06-15",   "ndvi_file": "ndvi_2023.tif",   "stats": {"mean": 0.48, "max": 0.85} }    print(f"对比{time1['date']} 和{time2['date']}") change_results = {   "mean_change": time2["stats"]["mean"] - time1["stats"]["mean"],   "change_map": "ndvi_change_2020_2023.tif",   "change_categories": {   "decreased": {"threshold": -0.2, "area_km2": 15.3},   "stable": {"threshold": 0.1, "area_km2": 85.7},   "increased": {"threshold": 0.2, "area_km2": 24.6}   } }     print(f"平均NDVI变化: {change_results['mean_change']:.3f}")     print(f"植被减少面积: {change_results['change_categories']['decreased']['area_km2']} km²")     return change_results
而后我们一起运行上述代码块:
change_result = simple_change_detection()

我们便可看到如下结果:

Part.04

重要操作与方法

4.1 访问与修改

我们先定义一个字典:

metadata = {"satellite": "Terra", "sensor": "MODIS"}

上面我们已经提到了,可以访问某一元素,想一下使用什么方法?是的,直接访问,或者由key去访问。

sensor = metadata["sensor"]  # 直接访问date = metadata.get("acquisition_date", "Unknown")  # 安全访问,不存在返回默认值

此外,我们还可以对其进行修改等操作,且看如下两种方式:

1)添加/修改单个元素
metadata["orbit_number"] = 12345 # 添加新键metadata["sensor"] = "MODIS/Terra" # 修改已有键
2)批量更新
metadata.update({ "processing_level": "L1B", "cloud_cover": 15.2, "quality_flag": "Good"})

4.2 常用字典方法

我们再来创建一个传感器字典:

spectral_bands = ["Blue", "Green", "Red", "NIR"]

可以对该字典进行如下操作:

1)获取所有键

keys = sensor_dict.keys()  # dict_keys(['platform', 'instrument', 'launch_date'])

2)获取所有值

values = sensor_dict.values()  # dict_values(['Aqua', 'MODIS', '2002-05-04'])

3)获取所有键值对

items = sensor_dict.items()  # dict_items([('platform', 'Aqua'), ...])

4)删除元素

value = sensor_dict.pop("launch_date")  # 删除并返回值sensor_dict.clear()  # 清空字典

4.3 字典推导式

试想一下,我们有一组Landsat波段标识符 ["B1", "B2", "B3", "B4"],想要快速创建一个字典,将每个波段标识符映射到更详细的波段名称上。传统方法需要循环遍历和逐一赋值,但使用字典推导式,我们可以一行代码完成:

bands = ["B1", "B2", "B3", "B4"]band_names = {band: f"Band_{band[-1]}" for band in bands}
而后我们来查看一下所做的内容:
print(band_names)

便可得到如下的结果:

那么,如何在遥感数据处理中应用这种简洁的语法呢?

1. 波段波长映射

假设我们有四个波段的中心波长值,想要创建波段名称到波长的映射字典:

wavelengths = [443, 490, 560, 665]
而后我们可以使用推导式来创建字典:
spectral_dict = {f"Band_{i+1}": wavelengths[i] for i in range(len(wavelengths))}

进一步我们来查看创建的字典:

print(spectral_dict)

便可得到如下结果:

2. 筛选传感器数据

当我们需要从多个传感器数据中筛选出满足特定条件的数据时,比如找出分辨率小于等于30米的传感器:

先来定义一个传感器参数的字典:

sensor_data = {   "Landsat8": {"bands": 11, "resolution": 30},   "Sentinel2": {"bands": 13, "resolution": 10},   "MODIS": {"bands": 36, "resolution": 250},   "QuickBird": {"bands": 4, "resolution": 0.6}}
接下来我们做个筛选高分辨率传感器(分辨率≤30米):
high_res = {k: v for k, v in sensor_data.items() if v["resolution"] <= 30}print("高分辨率传感器:")for sensor, info in high_res.items():   print(f"  {sensor}: {info['resolution']}米分辨率")
便可得到以下结果:

3. 批量处理文件名映射

假设我们有不同年份的影像,需要创建年份到文件名的映射:

years = ["2020", "2021", "2022", "2023"]seasonal_images = {   year: {   "spring": f"LC08_{year}0601.tif",   "autumn": f"LC08_{year}1001.tif"   } for year in years}
进一步我们来显示创建结果:
for year, files in seasonal_images.items():   print(f"{year}年: 春季-{files['spring']}, 秋季-{files['autumn']}")
结果如下图所示:

当然还有诸多使用场景,如针对特定区域进行特定方法处理等等,在此不再展开赘述,后面倘若会用到我们会展开详细讲解,也可以使用if语句进行替代。

字典推导式不仅让代码更加简洁优雅,更重要的是它提高了数据处理的可读性和可维护性。在遥感数据处理中,面对大量的波段、时间序列和空间区域数据,这种高效的字典创建方式可以显著提升开发效率。

Part.05

重要操作与方法

5.1键的选择与不可变性

下面我会展示一些有效的键:

valid_keys = {    "string_key": "value1",  # 字符串(最常用)    123: "value2",  # 整数    (1, 2, 3): "value3",  # 元组(可哈希)    True: "value4"  # 布尔值}
当然,还有一些无效的键:
invalid_dict = {    ["band1", "band2"]: "value"  }

我们可以看到如下的运行结果:

究其缘由,是由于列表不可哈希。

5.2 处理缺失键的问题

我们有三种方法可以处理:

方法1: get()方法
metadata = {"platform": "Sentinel-2"}cloud_cover = metadata.get("cloud_cover") # 返回Nonecloud_cover = metadata.get("cloud_cover", 0)# 返回默认值0
方法2: setdefault()方法
metadata.setdefault("processing_level", "L1C") # 不存在时设置默认值metadata.setdefault("processing_level", "L2A") # 已存在则不修改
方法3: defaultdict(需要导入)
from collections import defaultdictband_data = defaultdict(list) # 所有缺失键自动初始化为空列表band_data["B01"].append(0.45)  # 自动创建B01: [0.45]
我们可以查看一些运行的结果(这是一部分,剩下的结果可由读者自行运行):

5.3 性能考虑与内存使用

我们可以对字典的性能进行一些优化:
1) 字典合并的高效方式
import sysdict1 = {"a": 1, "b": 2}dict2 = {"c": 3, "d": 4}merged = {**dict1, **dict2} # Python 3.5+ 解包语法
2)  内存占用分析
large_dict = {f"band_{i}": i*0.1 for i in range(10000)}print(f"字典内存占用: {sys.getsizeof(large_dict)} bytes")
我们可以在下图看到一些yong行结果:

Part.06

高级应用示例

6.1 复杂嵌套结构

首先我们先来定义一些元数据文件:

dataset_metadata = {    "identification": {        "title": "Landsat 8 Surface Reflectance",        "abstract": "大气校正后的地表反射率数据",        "keywords": ["Landsat", "Surface Reflectance", "USGS"]    },    "extent": {        "spatial": {            "bbox": [73.0, 18.0, 135.0, 54.0],  # 四至范围            "crs": "EPSG:4326"        },        "temporal": {            "start": "2013-02-11",            "end": "2023-12-31",            "resolution": "16 days"        }    },    "bands": {        "B01": {            "name": "Coastal Aerosol",            "units": "reflectance",            "scale": 0.0001,            "offset": -0.1,            "valid_range": [0, 10000]        }    },    "quality_indicators": {        "cloud_cover": {            "value": 15.3,            "unit": "percent",            "assessment": "moderate"        },        "radiometric_quality": "high",        "geometric_accuracy": 12.5      }}
而后我们深度访问链式get:
from functools import reducedef deep_get(dictionary, keys, default=None):    return reduce(lambda d, key: d.get(key, default) if isinstance(d, dict) else default, keys.split("."), dictionary)cloud_value = deep_get(dataset_metadata, "quality_indicators.cloud_cover.value")print(f"云量: {cloud_value}%")

便可得到如下结果图:

6.2 与JSON的互操作

我们可以与JSON进行转换操作,也就是可以字典转JSON(用于存储或传输)、序列化为JSON字符串、从JSON文件读取等:

import jsonmetadata_dict = {    "platform": "Sentinel-2",    "tile": "50TPF",    "date": "2023-08-15"}json_str = json.dumps(metadata_dict, indent=2, ensure_ascii=False)"""{  "platform": "Sentinel-2",  "tile": "50TPF",  "date": "2023-08-15"}"""with open("metadata.json", "w", encoding="utf-8") as f:    json.dump(metadata_dict, f, indent=2)with open("metadata.json", "r", encoding="utf-8") as f:    loaded_metadata = json.load(f) 
好了,不常用的便不再展开赘述,除此之外还有一些分隔路径等操作,估计不会太用到,节省大家的学习时间,便不展开讲解。

Part.07

总结要点

键值映射:通过键快速访问值,适合结构化数据存储

无序但有序:Python 3.7+保持插入顺序,但不应依赖顺序

键的唯一性:键必须可哈希且唯一

灵活嵌套:支持多层嵌套,适合复杂元数据结构

高效访问:基于哈希表实现,键查找时间复杂度O(1)

JSON兼容:与JSON格式天然互转,便于数据交换

安全访问:使用get()方法避免KeyError异常

通过字典,我们已经学会了如何为遥感数据创建清晰的结构化容器——无论是传感器参数、影像元数据还是处理配置,都能在这个灵活的空间中找到自己的位置并快速定位。字典让数据有了“档案”,但真正让程序拥有实用价值的,是让它能够像分析师一样思考和决策——面对云覆盖30%的影像,是该直接采用还是进行云去除?针对不同传感器数据,该自动调用哪套定标参数?

这就需要条件判断(if-elif-else)——让程序能够基于数据的状态和规则,自主选择执行路径,从而实现对复杂遥感场景的智能响应与自动化处理。

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