Verze z 24. 11. 2005, 16:54

Základy práce s GRASSem, statistika rastrových dat, tabulka barev

osnova

Nejprve si představíme modul d.zoom, který umožňuje interaktivně měnit aktivní region - tzv. transfokaci, "zoomování". Poté si ukážeme, jak vytvářet základní (statistické) charakteristiky mapy, nakonec si objasníme pojem tabulka barev.

seznam použitých příkazů

region

Zvolíme opět location sevcech a mapset student.

Ukážeme si tedy způsob, jak lze interaktivně - pomocí myši měnit aktivní region, tj. přiblížit či oddálit zvolený detail (transfokace, zoom in/out). Pro jistotu nastavíme aktivní region exaktně podle vybraného družicového snímku (zároveň si necháme nastavení regionu vypsat do konzole; viz parametr -p):

#nastavit aktivní region exaktně podle rastrové vrstvy a vypsat nastavení do konzole
#
GRASS:~ > g.region rast=tm1 -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

Vše tedy nasvědčuje tomu, že pracujeme s georeferencovanými - souřadnicově připojenými daty. Kromě informace o souřadnicovém systému (v tomto případě jde o S-JTSK) a rozsahu území (severní, jižní, západní a východní souřadnice) si všimneme rozlišení ve směru sever-jih, resp. východ-západ. Jako poslední je uveden odpovídají počet řádků a sloupců. Geometrické rozlišení družicového snímku (LandSat TM5, kanál 1) je tedy 30 m (tj. jeden pixel odpovídá na zemském povrchu čtverci o rozměrech 30 x 30 m).

Základní informace o rastrových datech (metadata - "data o datech") poskytuje modul r.info:

GRASS:~ > r.info 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                                                  |
|                                                                            |
|                                                                            |
+----------------------------------------------------------------------------+

Jde především o typ dat (Data Type): CELL (celočíselná mapa, tj. hodnota rastrové buňky je celé číslo), DCELL (mapa s hodnotami s plovoucí desetinnou čárkou); počet kategorií a rozsah dat (Number of Categories, Range of data). V tomto případě snímek obsahuje hodnoty v rozsahu [0; 255]. Další položky, předpokládám, není nutno blíže vysvětlovat.

Poznámka: Družicové snímky jsou tedy kódovány jako celočíselné rastrové soubory.

Nyní si konečně prakticky procvičíme zoomování v grafickém okně. Otevřeme tedy GRASS monitor a zobrazíme zvolený kanál družicové scény, následně spustíme modul d.zoom. Sledujeme nápovědu (funkce tlačítek myši) modulu v konzoli a zkoušíme měnit zobrazený detail (zoom in/out).

GRASS:~ > d.mon x0
GRASS:~ > d.rast tm1
GRASS:~ > d.zoom


Buttons:
 Left:   1. corner
 Middle: Unzoom
 Right:  Quit

Levým tlačítkem myši vybereme první roh zvoleného detailu.

Buttons:
 Left:   1. corner (reset)
 Middle: 2. corner
 Right:  Quit

A středním tlačítkem dokončíme označení výběru. Funkce tlačítek myši se změní.

Buttons:
 Left:   1. corner
 Middle: Unzoom
 Right:  Quit

Zmenšení detailu tedy obstará prostřední tlačítko myši, pravé ukončí práci s modulem. Pokud chcete pokračovat v další práci, je nutno tento modul standardně ukončit! V opačném případě zůstane grafické okno blokováno.

Velmi užitečné je spustit tento modul s přepínačem -f, tím je funkčnost modulu rozšířena o posun (centraci pohledu):

Buttons:
 Left:   Zoom menu
 Middle: Pan
 Right:  Quit menu

Podobně se chová i přepínač -p, který nabízí pouze funkci posunu. Ovládání modulu d.zoom je nutno nacvičit, není to ale nic složitého, stačí sledovat aktuální funkci jednotlivých tlačítek myši v konzoli.

V případě, že chceme zobrazit znovu celou družicovou scénu, použijeme opět modul g.region. Aktivní region v žádném případě nenastavujeme ručně pomocí d.zoom, nýbrž přesně na základně okrajových souřadnic mapové vrstvy (g.region rast=tm1). Způsob ovládání pohledů může začátečníkovi, navyklému na interaktivní práci v jiných produktech, připadat neohrabaný, zastaralý či pomalý. Je si však nutno uvědomit, že potenciál GRASSu neleží v možnostech vizualizace dat, nýbrž jejich zpracování a dalších analýzách!

základní statistika rastrových dat

Předtím než se vrátíme k zobrazení rastrových dat (obrazová data, tedy i družicové snímky, jsou uloženy jako běžné rastrové soubory) v GRASS monitoru si představíme modul r.stats, který poskytuje základní charakteristiky jednotlivých hodnot buněk rastrového souboru. 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
#
GRASS:~ > r.stats tm1 -c
#
#procenta (přibližně)
#
GRASS:~ > r.stats tm1 -p
#
#celková plocha (v mapových jednotkách)
#
GRASS:~ > r.stats tm1 -a

Např. pro celkový počet buněk:

r.stats:  100%
0 82866
55 3
56 6
57 84
58 1582
59 9348
60 17795
61 63258
62 113037
63 110564
...

Poznámka: Pokud výpis přesahuje velikost okna, je dobré tento výstup přesměrovat do programu less, který umožňuje pohyb mezi jednotlivými stránkami. Tento program ukončíme klávesou q (quit). V tomto případě by příkaz vypadal takto r.stats tm1 | less.

Výpis je řazen podle hodnot rastrových buněk. Nyní si poprvé ukážeme způsob, jak kombinovat jednotlivé moduly GRASSu s dalšími (systémovými) nástroji OS GNU/Linux. Právě v tom spočívá obrovská síla této koncepce - podle momentální potřeby uživatele spojit do jednoho celku několik malých programů, které si předávají mezivýsledky tzv. rourou.

My tedy chceme seřadit výstup modulu r.stats podle celkového počtu buněk, nikoliv podle jejich hodnot. Jak tedy budeme postupovat? Nejprve prohodíme sloupce (první bude obsahovat počty buněk) - program awk, tento polotovar zpracuje systémová aplikace sort, která provede požadované numerické setřídění. Pokud nás trápí pořadí sloupců, můžeme je na závěr opět prohodit. Poznamenejme, že awk ani sort nejsou součástí GRASSu, jde o standardní programy, které naleznete pravděpodobně v každé distribuci GNU/Linuxu. Celý příkaz vypadá asi takto:

GRASS:~ > r.stats tm1 -c | awk '{print $2,$1}' | sort -n | awk '{print $2,$1}'

Uživatel neznalý příkazové řádky, rour, démonů a podobných věcí se děsí, přestává číst a znechuceně odchází. Nic není tak složité jak vypadá!

Zde je modifikovaný výstup:

r.stats:  100%
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

Podobné charakteristiky mapy poskytuje i modul r.report, jeho výstup má formu úhledně sestavené tabulky. Např.:

#tabulka (celkový počet buněk, procenta, výměra v hektarech)
#
GRASS:~ > r.report 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|
+-----------------------------------------------------------------------------+

vizualizace rastrových dat

Vidíme tedy, že nejvíce rastrových buněk obsahuje hodnotu v rozsahu [60; 80]. Nyní si ukážeme, jakým způsobem zobrazit v GRASS monitoru pouze vybrané kategorie (resp. hodnoty buněk) či jejich interval - k tomu slouží parametr catlist modulu d.rast.

#zobrazit pouze rastrové buňky s hodnotou 70
#
GRASS:~ > d.rast map=tm1 catlist=70
#
#zobrazit rastrové buňky s hodnotou 70 a <75;80>;
#
GRASS:~ > d.rast map=tm1 catlist=70,75-80
#
#zobrazit rastrové buňky mimo interval <75;80>; podkladová barva červená
#
GRASS:~ > d.rast -i map=tm1 catlist=75-80 bg=red
#
#zobrazit všechny rastrové buňky v intervalu <60;80> podkladová barva červená (viz obr. č.1)
#
GRASS:~ > d.rast map=tm1 catlist=60-80 bg=red

Obr č.1: Zobrazení vybraného intervalu hodnot rastrových buněk (podkladová barva červená)

Poznámka: V případě práce s mapou obsahující hodnoty s plovoucí desetinnou čárkou použijeme místo parametru vallist.

Hodnotám buněk je pro účel jejich vizualizace přiřazena daná barevná hodnota. Toto pravidlo přiřazení se označuje jako tabulka barev. Směrodatná je přirozeně číselná hodnota buňky, nikoliv barevná hodnota, která je ji na základě nastavené tabulky barev při zobrazení přiřazena. Při změně tohoto pravidla přirozeně nedochází k žádné modifikaci dat, ta jsou jenom odlišně vizuálně interpretována.

Zobrazte např. první kanál družicové scény LandSat-TM5 tak, aby byly zřetelné jednotlivé rastrové buňky (d.zoom). Číselné hodnoty buněk zobrazíme pomocí modulu d.rast.num:

#zobrazit číselné hodnoty buněk (text červeně)
#
GRASS:~ > d.rast.num map=tm1 text=red

Obr č.2: Číselné hodnoty jednotlivých rastrových buněk

GRASS umožňuje interaktivní dotazování na hodnoty rastrových buněk, jde o modul d.what.rast. Po spuštění modulu se v konzoli objeví nápověda k funkci tlačítek myši.

GRASS:~ > d.what.rast


Buttons
 Left:  what's here
 Right: quit

Klikneme-li na požadovaný pixel rastrové mapy, vypíší se do konzole souřadnice zvoleného bodu a korespondující hodnota buňky.

-806411.7640625(E) -972866.2734375(N)
tm1 in PERMANENT  (70)

Práci s modulem ukončíme stisknutím pravého tlačítka myši.

univariatní statistika

Na tomto místě si uvedeme ještě jeden statisticky orientovaný modul a to r.univar.

GRASS:~ > r.univar 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

Zdůrazněme, že tento modul podobně jako většina modulů pro zpracovaní rastrových/obrazových dat respektuje aktivní region! Výše uvedená statistika se tedy týká pouze části dat zobrazených aktuálně v GRASS monitoru a nikoliv celého družicového snímku. Chceme-li tedy vytvořit statistiku celého snímku, musíme správně nastavit region.

#vytvořit statistiku pro celý snímek
#
GRASS:~ > g.region rast=tm1
GRASS:~ > r.univar 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).

Drobné vysvětlení jednotlivých položek:

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

tabulka barev

Jak již bylo zmíněno výše, tabulka barev představuje předpis, pravidlo na základě něhož je při zobrazení rastrových dat přiřazena rastrové buňce jedinečná barevná hodnota. V případě družicových snímků používáme tzv. odstíny šedi. Změnu tabulky barev provádí modul r.colors, kromě předdefinovaných pravidel (více nápověda modulu) můžeme vytvořit svoji vlastní tabulku. Zajímavou možností může být také zkopírování již existující tabulky barev přiřazené jiné rastrové vrstvě. Několik příkladů (za upozornění stojí, že modul sestaví (např. grey.eq) tabulku barev s ohledem na aktivní region):

#raději přenastavíme aktivní region
#
GRASS:~ > g.region rast=tm1
#
#nastavení předdefinované tabulky barev (červená-žlutá-zelená)
#
GRASS:~ > r.colors tm1 color=ryg
#
#vymazat obsah okna
#
GRASS:~ > d.erase
#
#zobrazit družicový snímek
#
GRASS:~ > d.rast tm1
#
#definice vlastní tabulky
#
GRASS:~ > r.colors tm1 color=rules

Pravidla se definují takto (v jednom řádku):

[hodnota buňky] [barva]

jak je vidno z níže uvedeného příkladu, barvu lze definovat pomocí RGB trojice ("0 0 0" - černá) nebo jménem barvy. Každý řádek ukončíme klávesou ENTER, celou tabulku potom klíčovým slovem "end".

Enter rules, "end" when done, "help" if you need it.
Data range is 0 to 255
> 0 0 0 0
> 50 red
> 60 green
> 80 blue
> 255 white
> end

#překreslit obsah okna
#
GRASS:~ > d.redraw
#
#odstíny šedi
#
GRASS:~ > r.colors tm1 color=grey
GRASS:~ > d.redraw
#
#převzít již existující tabulku barev
#
GRASS:~ > r.colors tm1 rast=tm2
GRASS:~ > d.redraw
#
#vyrovnané odstíny šedi
#
GRASS:~ > r.colors tm1 color=grey.eq
GRASS:~ > d.redraw

Obr č.3: Demonstrace různých tabulek barev (ryg, vlastní, grey, grey.eq)

Na okraj si uvedeme dva pozapomenuté, ale velmi důležité moduly - d.erase, který vyčistí obsah aktuálního grafického okna a d.redraw, který naopak jeho obsah překreslí.