PDF 議程 2017 生物多樣性資訊學夏季研習營 raster processing 1

影像處理 析 (1)

QGIS _{影像處理工 簡介}

林 政道

[email protected] 國立嘉義大學生物資源學系

以創用CC 姓 標示-相 方式分享 3.0 台灣 授權條款釋出。

QGIS 系列課程

大綱

• 影像格式(raster)概念

• _{QGIS 影像處理工 簡介}

• _QGIS 影像網格引 GDAL

• _{QGIS 影像處理工}

什麼是影像網格(raster)

raster graphics, pixmaps 影像網格/柵格[中國用語] 用規則相同的方格來表現 及儲 影像

raster

每一格儲 了不同的顏色值 (RGB)

方格(或矩陣)格式儲 資料的優點

• 簡單的資料結構(data structure)

• 計算快速且有效率，適合進行數值及統計計算

• 可 儲 連續變化的資料，像是海拔 溫 雨量等

Raster _{影像的概念}

情境：如果想用 模型表現一個集 水區的海拔高低 差，

請問詰如何表現 呢？

影像來源：Google Earth

100 95 80 50

75 70 50 50

65 70 65 50

25 50 30 20

Raster _{影像的概念:堆積木}

格(cell)

轉換簡化

100

70 75

95

50 50 50

65 70

80

50 20

30 25 50

65

y (_{緯 )} x (_{經 )}

z (_{高 )}

想像 一個二維試算表

使用矩陣形式儲 資料的結構

31 41 59 ²⁶

53 98 93 87

26 70 65 ₆₀

25 50 30 18

y (緯)

x (_{經 )}

格(cell)

} ₈₇

寬(width)

高(height)

應用在 GIS ： ASCII raster 檔案為例

ncols 246 nrows 420

xllcorner 120.000000000000 yllcorner 21.850000000000 cellsize 0.008333333333 NODATA_value -9999

87 89 90 93 89 90 92 96 97 97 97 98 97 97 97 97 97 98 98 103 103 104 103 103 101 102 107 108 101 101 93 99 100 100 103 99 115 121 128 128 126 130 130 131 133 129 120 127 131 138 137 130 134 141 138 139 144 146 142 144 146 146 150 148 148 149 150 150 151 155 156 155 158 156 155 158 158 159 158 158 169 173 169 169 169 179 174 174 174 174 174 174 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999

-9999-9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 78 79 79 79 79 80 80 80 81 81 82 82 83 83 84 84 84 85 86 87 88 88 89 95 95 96 97 95 95 94 94 94 97 97

空間資訊定義

數值資料

ncols (number of columns; 欄數) nrows (number of rows; 列數)

xllcorner (lower-left x corner; 左 角 x 標) yllcorner (lower-left y corner; 左 角 y 標) cellsize 網格大小

NODATA_value 無資料值

(xllcorner, yllcorner) = (120.0, 21.85)

cell size = 0.0083333 寬 高

ncols = 246

nrows = 420

QGIS _{影像處理工 簡介}

QGIS _{的影像網格引}

目前許多開源自由 GIS 如 QGIS, GRASS GIS 處理影 像網格的引 為GDAL (Geospatial Data Abstraction Library, 讀做 goo-dle)

什麼是 GDAL?

• 超級強大的影像(raster)及向量(vector)處理引 (函 式庫; library)

• 提供豐富的 API (應用程式介面) 文件，不管用 C, C++, Python _{或是 R 都可 ！}

• _也提供 列的程式，像是 gdalwarp, gdal_translate

• _{QGIS 可直接 gdal 處理計算}

GDAL 範例

這指 看起來太複雜了，完 不了解你的明白啊！ 請菇狗大神翻譯一

GDAL _{看起來很難齁，別怕！}

所 才要用 QGIS 來 縱 GDAL！

選單：影像->取出->裁剪

你看剛剛那些外星文指 ， 在 QGIS 都是視窗化的介面！

這裡會有gdal 列的指 ，

如果你需要批次處理，

就可 直接抄改這裡的 code

QGIS _{影像處理 析工}

• 影像計算(raster calculator)： 影像檔案的數值計算

• 區域統計(zonal statistics)：針對特定區域進行統計計算

• 空間對位(georectify)：數位化未 有空間資訊的影像圖

• 地形分析(terrain analysis)：根據數值地形圖計算坡 坡向 地貌等圖層

• GDAL 工 集：投影(projection)/轉換(converion)/取出 (extraction)/ 析(analysis)等

還有一些 他外掛，可 依照需求尋找，粗體 為本次研習介紹 容

影像計算

• _{將影像檔進行運算：}

• _{基本四則運算}

• _條件判斷

影像運算概念—基本運算

5 15 10

10 20 15

10 15 12

10 20 15

15 25 20

15 20 17

+ 5 =

運算單元

“A@1” + 5

B A

選單：影像->影像計算

可直接從影像 波段選擇圖層 計算

tw_prec1@1代表

tw_prec1 圖層的第一波段 一般來說 有單一波段， 但衛星影像可能會有 個 波段

影像運算概念—條件判斷

B

1 1 1

1 1 0

0 0 0

5 15 10 10 20 15 10 15 12

A

IF B=1 C == A

5 15 10 10 20 ^null

null null null

C

如果 B 是 1 的詯，另外指定 C 圖層網格的值為 A 網格的值

條件判斷(續)

("tw_tmax1@1" > 50) * 1

如果一月雨量大於 50 mm 的詯，指定為 1，QGIS 語法為：

condition value

符合條件(condition)的詯，計算值 (value)

條件判斷(續)

("tmin1@1" > 5) * ("tmin1@1" - 5) + 0 如果一月溫 大於5ºC則減去5ºC，若小於等於5ºC

則指定為0，QGIS 語法為：

condition value

符合條件(condition)的詯，計算值 (value)

else mask

補充說明

• 可使用 GRASS GIS raster calculator (r.mapcal/ QGIS processing toolbox 中的 r.mapcalculator)

r.mapcalc “a=b+c”

r.mapcalc “a=if(a==0,null(),1)” r.mapcalc “a=sin(b)”

地形 析

• 從 DEM/DTM 計算坡向 坡 等環境因子

• 選單: 影像->地形 析 (terrain analysis)

aspect slope DTM

GDAL _{工 ::投影}

• _{重新投影：例如把}

TWD97 TM2 的影 像圖層重新投影 WGS84 的圖層

• 指 ：gdalwarp

GDAL _{工 ::裁剪}

• _{裁剪：例如把臺灣}

地圖中嘉義市裁 出來

• 指 ：gdalwarp

練習一

• 請把 worldclim 的溫 圖層，隨意挑選一個出來，把 溫 從攝氏(ºC)轉換 華氏(ºF)

• 提示：使用 影像計算

• 轉換 式：F = 9/5 × C + 32

練習二

• 溫量指數(warmth index)是根據植物生理生態學由 Kira (1945) 所發展的一種指數 因為植物在氣溫低於 5ºC

生長呈現停滯狀態，而植物的生長和大於 5ºC 的累積 氣溫有關，所 溫量指數定義如 ：

• 如果詰月平均氣溫(Tavg_i)大於 5ºC，則 T_i = Tavg_i -5

• 若小於 5ºC，T_i = 0

• 將每個月的 T_i 累加，得到 年的溫量指數

練習二 (續)

月 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

玉山 -1.1 -0.5 1.1 3.4 5.7 7.1 7.9 7.8 7.1 6.5 4.0 0.8 阿里山 6.2 7.2 9.3 11.4 12.9 14.2 14.6 14.4 13.7 12.3 10.3 7.3

表為玉山和阿里山測站1981–2010 年的每月均溫資料

計算溫量指數，玉山測站為：

0+0+0+0+0.7+2.1+2.9+2.8+2.1+1.5+0+0 = 12.1 ºC 阿里山測站溫量指數為：

1.2+2.2+4.3+6.4+7.9+9.2+9.6+9.4+8.7+7.3+5.3+2.3 = 73.8 ºC

練習二 (續)

註記：

1. 因為 WorldClim 為了節省儲 空間，所 要有小數點(浮點數的都乘 10)，所 和溫 有關的都要除 10 2. 因為 WorldClim 1.4 版資料僅有 tmax 和 tmin，所 tavg 可 使用 tmax 和 tmin 平均來計算

請使用 worldclim 的資料，練習計算 臺灣的溫量指數圖層

練習

• 請使用地形 析工 計算出坡向(aspect)及坡度 (slope)_圖層

臺灣 1 km 解析 DTM 網址：

https://www.dropbox.com/s/nusrm3334b9mtdf/ Taiwan_dem_1000m.tif?dl=0

有

問

題

嗎

？