153ZODH / 2. cvičení
Vizualizace rastrových dat, tabulka barev, region, statistika, histogram
Osnova
Cvičení je zaměřeno na základy práce se systémem GRASS - vizualizaci a statistické charakteristiky rastrových dat. Jsou vysvětleny základní pojmy jako tabulka barev, výpočetní region či histogram.
Seznam použitých příkazů
- g.region
- r.info
- d.mon
- d.rast
- d.zoom
- r.stats
- r.report
- d.rast.num
- d.what.rast
- r.colors
- d.erase
- d.redraw
Vizualizace rastrových dat
Při vizualizaci rastrových dat lze definovat hodnotu či interval hodnot, které budou zobrazeny v mapovém okně - viz parametr values modulu d.rast.
Další informace na portálu FreeGIS.
# zobrazit pouze rastrové buňky s hodnotou 70
#
d.rast map=tm1 values=70
#
# zobrazit rastrové buňky s hodnotou 70 a <75;80>
#
d.rast map=tm1 values=70,75-80
#
# zobrazit rastrové buňky mimo interval <75;80>; podkladová barva červená
#
d.rast -i map=tm1 values=75-80 bg=red
#
# zobrazit všechny rastrové buňky v intervalu <60;80>; podkladová barva červená (viz obr. níže)
#
d.rast map=tm1 values=60-80 bg=red
Hodnotám buněk je pro účel jejich vizualizace přiřazena tzv. barevná hodnota. Toto pravidlo přiřazení se označuje jako tabulka barev. Směrodatná je přirozeně číselná hodnota buňky, nikoliv barevná hodnota, která je na základě nastavené tabulky barev rastrové buňce při zobrazení přiřazena. Při změně tohoto pravidla nedochází k modifikaci dat, ta jsou pouze odlišně vizuálně interpretována.
Číselné hodnoty buněk lze zobrazit pomocí modulu d.rast.num.
# zobrazit číselné hodnoty buněk (text červeně)
#
d.rast.num map=tm1 text=red
Tabulka barev
Tabulka barev definuje pravidlo na základě něhož je rastrové buňce přiřazena jedinečná barevná hodnota. Pro nastavení tabulky barev slouží modul r.colors (příklady). Kromě předdefinovaných pravidel podporuje modul tabulku barev definovanou uživatelem či dovoluje zkopírování již existující tabulky barev přiřazené jiné rastrové vrstvě. Následuje několik příkladů (v případě dynamických tabulek barev jako je např. grey.eq hraje roli aktuální výpočetní region). Pro vizualizaci družicových snímků se používají tzv. odstíny šedi.
# aktivní region
#
g.region rast=tm1
#
# nastavení předdefinované tabulky barev (červená-žlutá-zelená)
#
r.colors map=tm1 color=ryg
#
# vypsání nastavené tabulky barev na standardní výstup
#
r.colors.out map=tm1
#
# zobrazit družicový snímek
#
d.rast map=tm1
Vlastní tabulku barev lze definovat ve formě textového vstupu či interaktivně (viz ukázky níže).
 |
 Raster → Manage colors → Manage color rules interactively |
#
# definice vlastní tabulky
#
r.colors map=tm1 color=rules
Pravidla se definují jako dvojice hodnot (v jednom řádku):
[hodnota buňky] [barva]
Barevnou hodnotu lze definovat pomocí RGB trojice ("0:0:0" - černá) nebo jménem barvy. Příklad uživatelské tabulky barev:
0 0 0 0 50 red 60 green 80 blue 255 white
#
# odstíny šedi
#
r.colors map=tm1 color=grey
#
# převzít již existující tabulku barev
#
r.colors map=tm1 rast=tm2
#
# vyrovnané odstíny šedi
#
r.colors map=tm1 color=grey.eq
Region
Moduly systému GRASS pro zpracování rastrových dat (moduly s prefixem r.) pracují vždy s daty v tzv. aktuálním výpočetním regionu (rozsah, prostorové rozlišení). Tento region se může lišit od regionu nastaveného pro vizualizaci dat v mapovém okně. Pro manipulaci s výpočetním regionem slouží modul g.region.
# výpis aktuálního výpočetního regionu
#
g.region -p
projection: 99 (krovak) zone: 0 datum: towgs84=570.8,85.7,462.8,4.998,1.587,5.261,3.56 ellipsoid: bessel north: -957500 south: -1007318 west: -830529 east: -763855.0602047 nsres: 29.99277544 ewres: 29.99277544 rows: 1661 cols: 2223
Kromě informace o souřadnicovém systému, rozsahu území (severní, jižní, západní a východní souřadnice) obsahuje výpis informace o prostorovém rozlišení (směr sever-jih, východ-západ) a počtu řádek a sloupců. Geometrické rozlišení družicového snímku (LandSat TM5, kanál 1) je tedy 30m (tj. jeden pixel odpovídá na zemském povrchu čtverci o rozměrech 30x30m).
Více k tomuto tématu na portálu FreeGIS.
Metadata rastrových vrstev
Základní informace o rastrových vrstvách - metadata - poskytuje modul r.info.
r.info map=tm1
+----------------------------------------------------------------------------+ | Layer: tm1 Date: Thu Oct 21 09:47:24 2004 | | Mapset: PERMANENT Login of Creator: martin | | Location: sevcech | | DataBase: /home/martin/grassdata | | Title: Landsat 5 TM - band 1 ( tm1 ) | |----------------------------------------------------------------------------| | | | Type of Map: raster Number of Categories: 255 | | Data Type: CELL | | Rows: 1661 | | Columns: 2223 | | Total Cells: 3692403 | | Projection: krovak (zone 0) | | N: -957500 S: -1007318 Res: 29.99277544 | | E: -763855.0602047 W: -830529 Res: 29.99277544 | | Range of data: min = 0 max = 255 | | | | Data Source: | | | | | | | | Data Description: | | generated by r.in.gdal | | | | | +----------------------------------------------------------------------------+
Výpis poskytuje informace o typu dat (Data Type): CELL (celé číslo), DCELL (plovoucí desetinná čárka); počet kategorií a rozsah dat (Number of Categories, Range of data).
Základní statistika rastrových dat
Základní charakteristiku rastrové mapy poskytuje modul r.stats. Modul na standardní výstup (parametr output umožňuje uložit vytvořenou statistiku do souboru) vytiskne na jeden řádek hodnotu buňky a hledanou veličinu (nastaveno pomocí přepínače).
# celkový počet rastrových buněk
#
r.stats input=tm1 -c
#
# procenta zastoupení (přibližně)
#
r.stats input=tm1 -p
#
# celková plocha (v mapových jednotkách)
#
r.stats input=tm1 -a
Např. pro celkový počet buněk:
0 82866 55 3 56 6 57 84 58 1582 59 9348 60 17795 61 63258 62 113037 63 110564 ...
Poznámka pro pokročilé: Příkazy systému GRASS lze kombinovat se systémovými nástroji OS GNU/Linux. Např. výstup modulu r.stats můžeme seřadit podle celkového počtu buněk, nikoliv podle jejich hodnot. Nejprve prohodíme sloupce (první bude obsahovat počty buněk) - program awk, tento polotovar zpracuje systémová aplikace sort, která provede požadované numerické setřídění. Poznamenejme, že awk ani sort nejsou součástí GRASSu, jde o standardní programy, které naleznete v distribuci GNU/Linuxu. Celý příkaz vypadá asi takto:
r.stats input=tm1 -c | awk '{print $2,$1}' | sort -n | awk '{print $2,$1}'
55 3 250 6 56 6 201 10 246 10 225 14 ... 82 67454 0 82866 79 85112 72 104687 63 110564 62 113037 77 129905 76 134776 71 140830 78 143541 68 156477 73 165429 64 174129 67 189458 74 196145 70 201288 75 203466 69 205577 65 220524 66 281680
Další ukázka řetězení příkazů: celkový počet pixelů pro jednotlivé digitální hodnoty (DH) omezíme (pomocí systémové aplikace awk) na interval DH [55; 85]).
# vytisknout četnost DH pouze pro interval hodnot [55; 85]
#
r.stats input=tm1 -c | awk '{if ($1>55 && $1<85) print $1,$2}'
56 6 57 84 58 1582 59 9348 60 17800 61 63277 62 113072 63 110607 64 174193 65 220580 66 281778 67 189538 68 156562 69 205687 70 201391 71 140880 72 104717 73 165492 74 196217 75 203551 76 134829 77 129954 78 143600 79 85170 80 59787 81 56945 82 67504 83 62548 84 31241
Podobnou charakteristiku rastrové vrstvy poskytuje modul r.report, jeho výstup má formu úhledně sestavené tabulky.
# tabulka (celkový počet buněk, procenta, výměra v hektarech)
#
r.report map=tm1 units=c,p,h
+-----------------------------------------------------------------------------+ | RASTER MAP CATEGORY REPORT | |LOCATION: sevcech Sun Oct 16 17:17:05 2005| |-----------------------------------------------------------------------------| | north: -957500 east: -763855 | |REGION south: -1007318 west: -830529 | | res: 29.99277544 res: 30.00630063 | |-----------------------------------------------------------------------------| |MASK:none | |-----------------------------------------------------------------------------| |MAP: Landsat 5 TM - band 1 (tm1 in PERMANENT) | |-----------------------------------------------------------------------------| | Category Information | cell| % | | | #|description | count| cover| hectares| |-----------------------------------------------------------------------------| | 0| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 82866| 2.25| 7457.71| | 55| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 3| 0.00| 0.27| | 56| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 6| 0.00| 0.54| | 57| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 84| 0.00| 7.56| | 58| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 1582| 0.04| 142.38| | 59| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 9348| 0.25| 841.29| | 60| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 17795| 0.48| 1601.50| | 61| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 63258| 1.71| 5693.04| | 62| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 113037| 3.06| 10,173.02| ... |249| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 23| 0.00| 2.07| |250| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 6| 0.00| 0.54| |251| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 18| 0.00| 1.62| |252| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 22| 0.00| 1.98| |253| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 25| 0.00| 2.25| |254| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 14| 0.00| 1.26| |255| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 2376| 0.06| 213.83| |-----------------------------------------------------------------------------| |TOTAL |3690742|100.00|332,156.53| +-----------------------------------------------------------------------------+
Univariatní statistika
Základní statistiku rastrových dat poskytuje modul r.univar.
r.univar map=tm1
total null and non-null cells: 1204 total null cells: 0 Of the non-null cells: ---------------------- n: 1204 minimum: 60 maximum: 75 range: 15 mean: 66.1163 standard deviation: 2.28888 variance: 5.23897 variation coefficient: 3.4619 % sum: 79604
Poznámka: Tento modul (obdobně jako většina modulů pro zpracovaní rastrových/obrazových dat) respektuje aktivní výpočetní region! Před vytvořením statistiky celého snímku, musíme nejprve nastavit výpočetní region podle dané rastrové vrstvy.
# vytvořit statistiku pro celý snímek
#
g.region rast=tm1
r.univar map=tm1
total null and non-null cells: 3692403 total null cells: 0 Of the non-null cells: ---------------------- n: 3692403 minimum: 0 maximum: 255 range: 255 mean: 71.1857 standard deviation: 15.094 variance: 227.83 variation coefficient: 21.2037 % sum: 2.62846e+08
Poznámka: Na rozdíl např. od ARC/INFO rozlišuje GRASS hodnotu buňky "0" a "žádná data" (no-data, NULL).
Legenda:
| proměnná | popisek |
|---|---|
| n | počet buněk |
| minimum | minimální hodnota buňky |
| maximum | maximální hodnota buňky |
| range | rozsah |
| mean | střední hodnota |
| standard deviation | směrodatná odchylka |
| variance | variance |
| variation coefficient | koeficient variace |
| sum | suma hodnot |
Spekrální odrazivost v jednotlivých kanálech LandSat-TM5
Rastrové buňky jednotlivých kanálů družicové scény se označují jako tzv. digitální hodnoty (DH). Tyto hodnoty (již digitálně kódované) reprezentují v rámci daného spektrálního intervalu velikost skenerem zachyceného odraženého záření od zemského povrchu. Družicové snímky obsažené v lokaci zod (LandSat-TM5) jsou kódovány jako 8-bitová data (tzn. 256 různých odstínů - hodnoty v rozsahu [0; 255]). Níže uvedený obrázek ukazuje spektrální rozlišení jednotlivých kanálů družicové scény LandSat-TM5.
První tři kanály pokrývají viditelné spektrum, zbylé kanály potom infračervený obor. Šestý kanál je v tepelném spektru - je označován jako panchromatický a od ostatních kanálů se navíc liší i geometrickým rozlišením - 120m. Na obrázku je navíc zobrazena křivka odrazivosti pro vodu, zelenou vegetaci a písčitou půdu. V pravé části obrázku je vidět dvoudimenzionální systém vytvořený třetím a čtvrtým kanálem družicové scény LandSat-TM5 (tzv. feature space) s viditelnými shluky pixelů - náznaky jednotlivých tříd.
Histogram
Grafické znázornění (v podobě sloupcového grafu) četností jednotlivých DH poskytuje tzv. histogram. Na ose X jsou naneseny jednotlivé DH ([0; 255] v případě 8 bitových dat), na ose Y pak četnost jejich výskytu. Pro zobrazení histogramu slouží modul d.histogram.
# zobrazení histogramu
#
d.histogram map=tm1
Modul respektuje výpočetní region, např. histogram pro vybranou část snímku:
Nástroj pro zobrazení histogramu je ve wxGUI dostupný z mapového okna.
wxGUI nabízí také nativní nástroj pro zobrazení histogramu rastrové mapy (viz níže).
