画像の定義

ラスターは、地理空間を複数のセルに分割した碁盤目状のデータです。グリッド内の空間がセルです。GIS では、これらのセルは実際の地理情報を参照しています。このセルベースのラスター構造は、すべての画像データの保存と管理に使用されます。この基本的なグリッド構造によって、ラスター データが汎用的になり、ほとんどすべての種類の地理情報の表現に役立ちます。つまり、あらゆる種類のデータを画像として統合し、マッピング、高度な解析、およびデータ管理に使用できるのです。

画像は、GIS レイヤーでもあります。すべての地理情報と同様に、画像は地球上の場所にジオリファレンス、つまり、GIS 上で他の地理レイヤーに位置合わせされます。このような重ね合わせは、GIS の基本となる概念です。画像は、他のマッピング可能データと重ね合わせることにより、単なるきれいな絵ではなく、真の情報ソース、つまり、同じエリアの他のデータ レイヤーと結合、比較、解析可能なデータとなります。

画像には大量の情報が含まれますが、未処理の航空画像や衛星画像を GIS で使用できるようにするには、すべてのピクセルが地表で正確な (x,y) 位置となるように処理しなければなりません。写真測量は、画像を処理して、オルソ幾何補正された画像と呼ばれる正確にジオリファレンスされた画像 (単にオルソ画像とも呼ばれる) を生成するために、何十年にもわたって開発されてきた分野です。オルソ幾何補正された画像は、センサー システムからの光学的な歪みと、センサーの視野角と地形の関係による地上物体の位置ずれを補正するように処理されています。

オルソ幾何補正プロセスには、センサーの正確なパラメーター (通常は、センサー モデルと呼ばれる)、センサーの位置と各画像の向きに関する詳細な情報、および正確なテレイン モデル (ArcGIS Online から利用可能な World Elevation サービスなど) が必要です。オルソ幾何補正された画像は、GIS 内で使用して、他のデータ レイヤーと正確に重ね合わせることができます。

画像を管理および処理するために ArcGIS 内で推奨されるデータ構造は、モザイク データセットです。モザイク構造では、大規模な (巨大でさえある) 画像コレクションに対する重要なビッグ データ機能が利用できるようになります。各モザイクは、多数の関連するラスター データセットで構成されているため、元の個別の画像ファイルをディスクに保存しておき、大規模な統合された 1 つのコレクションの一部としてそれらにアクセスできます。モザイクは、広いエリアにわたる連続画像サーフェスの作成に使用されます。たとえば、モザイクを使用して、数あるシナリオの中でも特に、大陸全体の非常に高解像度な画像ファイルのカバレッジを処理できます。また、ある国の古地図シリーズ全体を、年ごとおよびマップ縮尺ごとに管理できます。さらに、地球観測および気象予報モデリングの時系列情報の巨大な多次元コレクション (多くの場合 4D と呼ばれる) を管理することもできます。モザイクの作成は簡単です。ジオリファレンスされた一連のソース画像ファイルをポイントすることで、各画像がコレクション内でタイルとして機能するモザイクを数分で自動的に構築できます。

ArcGIS では、ラスター レイヤーとツールを組み合わせて、プログレッシブ モデルが作成されます。各ラスター解析ツールは、地理データに対して単純で重要な処理を実行します。たとえば、加重オーバーレイでのレイヤーの結合、各セルから特定のフィーチャまでの距離の計算、サーフェス上のフロー パスのトレースなどです。また、これらの派生レイヤーを、さらなる結果を生成する追加のツールに入力することもできます。これにより、一連の処理を連結して、独自の空間解析アルゴリズムを作成できます。これらのアルゴリズムでは、ArcGIS を使用して、考えられるほとんどすべての種類の空間的問題をモデリングできます。

1,500 人を超える人がエベレストに登り、 300 人を超える人が宇宙旅行をして、12 人が月面を歩きましたが、海の最深部に降りて帰ってきた人はわずか 3 人しかいません。我々は、オデッセウスのように、船で海に行って内部の世界を探索する必要があります。その画像を収集するために、我々は船上のサウンド センサーと上方および下方のリモート センサーを利用します。その後、GIS を利用して、この多種多様なデータを使用可能な情報に変換します。この情報は、生息地のマッピングや復元、保護エリアの設計、深海魚場の管理、避難に向けた津波上昇のモデリング、原油流出への対応、港湾ナビゲーションの改善、嵐が海岸を侵食する様子の把握などに使用できます。また、この情報は発見にも使用します。私たちの「新たな」未開拓地帯には、30 億年以上の歴史がありますが、我々はその 10 分の 1 をマッピングするのがやっとで、しかもそれは州立公園のハイキング マップの詳細レベルです。

衛星画像を使用した焼け跡の評価

2015 年の夏季に、モンタナ州のグレイシャー国立公園は山火事の被害に見舞われました。火災が鎮火すると、モンタナ州の森林資源管理局は、被害を受けた地域を定量化するために焼け跡を計測しました。焼け跡の計測は、森林を再生し、植生を持続するための基礎となります。ただし、地表面での計測は困難で、現実的には不可能です。その代わりとして、衛星画像を計測の基盤として使用できます。

このレッスンでは、モンタナ州の森林局で働く地理空間科学者として、グレイシャー国立公園の被害を解析する役割を果たしていただきます。最初に、山火事の前と後に撮られた Landsat 8 画像を比較します。次に、焼け跡の強調表示と定量的な評価のため、火災後の画像内のバンド割り当てを変更します。その後、この画像を基に、正規化した燃焼指数 (焼失地域を強調するよう作成された比率) を計算して、評価を定量化します。最後に、焼け跡を表すフィーチャクラスを作成して焼け跡の面積を計算し、ArcGIS Online にその結果を公開して森林局と共有します。