Создание многомерного растра из данных Landsat
Прежде чем визуализировать изменения с помощью многомерных растровых данных, необходимо преобразовать отдельные файлы изображений в многомерный стек. Вы создадите многомерный набор данных мозаики из снимков Landsat, собранных на медном руднике Чукикамата в Чили с 1990 по 2010 год.
Создание проекта и доступ к данным
Для начала вам нужно будет скачать сжатый файл zip, в котором содержатся данные для этого руководства.
- Загрузите учебные данные.
- Найдите загруженный файл Chuquicamata_imagery.zip на своем компьютере и извлеките его в папку по выбору, например, в Мои документы.
Примечание:
В зависимости от настроек браузера, вам может быть предложено выбрать место для сохранения загружаемого файла. Большинство браузеров по умолчанию скачивают все в папку Загрузки.
Далее вы создадите новый проект ArcGIS Pro, используя шаблон Карта.
- Запустите ArcGIS Pro. Если будет предложено, войдите под лицензированной учетной записью организации ArcGIS.
Примечание:
Если у вас нет доступа к ArcGIS Pro или учетной записи организации ArcGIS, см. варианты доступа к программному обеспечению.
- В разделе Новый проект выберите Карта.
- В окне Создать новый проект для Имя введите Шахта Чукикамата. Дополнительно, для Местоположения щелкните Обзор и выберите подходящую папку.
- Нажмите OK.
Новый проект создан. Теперь вы подключите к проекту папку с загруженными данными.
- Щелкните вкладку Вид на ленте. В группе Окна щелкните Панель Каталог.
- На панели Каталог разверните Папки . Щелкните правой кнопкой мыши на Папки и выберите Добавить подключение к папке.
Появится окно Добавить подключение к папке.
- Перейдите к местоположению, куда вы сохранили скаченные данные. Выберите извлеченную из архива папку Chuquicamata_imagery и щелкните OK.
Папка добавлена в проект.
- В панели Каталог разверните папку Chuquicamata_imagery.
Папка содержит пять вложенных папок, по одной для каждого из пяти изображений Landsat Thematic Mapper (TM) Level-1 Terrain-corrected, с которыми вы будете работать. Изображения были получены в 1990, 1995, 2000, 2005 и 2010 годах.
Примечание:
Инструмент Thematic Mapper находился на борту спутников Landsat 4 и 5 с 1982 года и был выведен из эксплуатации в 2013 году. Продукты Landsat Level-1 Terrain (L1TP) содержат значения отражающей способности поверхности. Они включают радиометрическую, геометрическую коррекции и коррекцию точности, а также используют цифровую модель рельефа (ЦМР) для коррекции топографического рельефа. Для получения дополнительной информации см. Продукты Landsat 4-5 Thematic Mapper Collection 1.
- Разверните одну из подпапок.
Одно изображение Landsat TM состоит из нескольких файлов, которые включают несколько спектральных каналов отражения поверхности (sr_band) и некоторые файлы контроля качества (qa). Каналы соответствуют следующим областям спектра электромагнитного излучения как описано в Landsat 4-5 Thematic Mapper:
- sr_band1: синий
- sr_band2: зеленый
- sr_band3: красный
- sr_band4: ближний инфракрасный
- sr_band5: коротковолновый инфракрасный 1
- sr_band7: коротковолновый инфракрасный 2
Примечание:
Канал 6 отсутствует. Это тепловой канал, который обычно не используется вместе с каналами отражения поверхности.
Создание пустого набора данных мозаики
Ваши данные содержат много растровых изображений. Чтобы поместить эти изображения в один набор данных, вы создадите набор данных мозаики, который отображает несколько растров вместе в виде мозаики. Если вы создаете набор данных мозаики, он создается как пустой контейнер, в который вы можете добавить растровые данные позже. Для создания пустого набора данных мозаики вы будете использовать инструмент геообработки.
- На ленте, в группе Окна щелкните Геообработка.
Откроется панель Геообработка.
- В панели Геообработка найдите Создать набор данных мозаики. В списке результатов нажмите Создать набор данных мозаики, чтобы открыть его.
Вы создадите набор данных мозаики в базе геоданных проекта.
- В параметрах инструмента Создать набор данных мозаики для Выходного местоположения щелкните кнопку Обзор.
Откроется окно Выходное местоположение.
- В разделе Проект щелкните Базы данных. Выберите Chuquicamata mine.gdb и щелкните OK.
- Для Имени набора данных мозаики выберите Chuquicamata_Landsat.
Далее вы выберите систему координат для набора данных мозаики. Вы выберите систему координат WGS 1984 UTM Zone 19S, которая подходит для региона Чили, где расположена шахта Чукикамата.
- Для опции Система координат щелкните кнопку Выбрать систему координат.
Откроется окно Система координат.
- В строке поиска введите WGS 1984 UTM Zone 19S и нажмите Enter.
- Разверните Систему координат проекции, UTM, WGS 1984 и Южное Полушарие. Выберите WGS 1984 UTM Zone 19S.
- Нажмите OK.
Далее вы укажете определение продукта. Определение продукта управляет процессом добавления данных в набор данных мозаики, его отображением по умолчанию. Вы выберите определение продукта, соответствующее данным Landsat TM.
- Для Определение продукта выберите Landsat TM and ETM+.
- Разверните Свойства продукта.
Для шести спектральных каналов предлагаются имена, связанные с вашими данными. Чтобы полностью соответствовать описанию, приведенному для Landsat 4-5 Thematic Mapper на сайте USGS, вы переименуете названия некоторых каналов.
- Измените названия следующих каналов:
- Для NearInfrared_1 введите Ближний инфракрасный.
- Для NearInfrared_2 введите Коротковолновый инфракрасный 1.
- Для MidInfrared введите Коротковолновый инфракрасный 2.
- Щелкните Запустить.
Пустой набор данных мозаики создан и добавлен на карту. Карта приближается к области, покрываемой системой координат, но данные там пока нет.
Добавление изображений в набор данных мозаики
Теперь вы заполните пустой набор данных мозаики пятью изображениями Landsat.
- В нижней части панели Геообработка щелкните вкладку Каталог.
- В панели Каталог разверните Базы данных, и, затем, Chuquicamata mine.gdb.
Новый набор данных мозаики, который вы создали, хранится в том же местоположении.
- Щелкните правой кнопкой мыши Chuquicamata_Landsat и выберите Добавить растры.
Откроется панель Геообработка с инструментом Добавить растры в набор данных мозаики. По умолчанию набор данных Chuquicamata_Landsat выбран в качестве входного.
Вы установите растровый тип и шаблоны обработки, отражающие тип изображения, с которым вы работаете.
- Для Растрового типа выберите Landsat 4-5 TM. Для Шаблонов обработки выберите Отражающая способность поверхности.
Далее вы выберите изображения для добавления в набор данных мозаики.
- Для Входных данных выберите Папка. Щелкните кнопку Обзор.
- В окне Входные данные под пунктом Проект щёлкните Папки. Разверните папку Chuquicamata_imagery.
- Нажмите OK.
Папка указывается в параметре Входные данные. Все растровые изображения в папке будут добавлены в набор данных мозаики.
- Разверните Обработка растра. Включите опцию Вычислить статистику.
- Разверните Последующая обработка мозаики. Установите отметку Обновить обзорные изображения.
- Щелкните Запустить.
Через несколько секунд набор данных мозаики заполнится изображениями. Вы приблизитесь к экстенту слоя, чтобы лучше рассмотреть его.
- В панели Содержание под набором данных мозаики Chuquicamata_Landsat щелкните правой кнопкой мыши слой Контуры и выберите Приблизить к слою.
Карта приблизиться к экстенту изображения.
Примечание:
Слой Контуры, отображаемый ярко-зеленым цветом, показывает экстент, занимаемый каждым изображением.
Хотя в добавленной вами папке содержится множество изображений, на карте вы видите только одно. Эти изображения относятся к одному местоположению, но к разному времени, поэтому они перекрываются. Для получения подробной информации об изображениях, добавленных к слою, вы изучите таблицу атрибутов.
- В панели Содержание под набором данных мозаики Chuquicamata_Landsat щелкните правой кнопкой мыши слой Footprint и выберите Таблица атрибутов.
Появится таблица атрибутов.
Есть пять изображений, отмеченных в категории Основные и четыре в категории Обзорные изображения. Пять основных изображений - это действительные изображения Landsat. Обзорные изображения похожи на растровые пирамидные слои для набора данных мозаики: они представляют собой обзорные изображения с уменьшенным разрешением, которые создаются для увеличения скорости отображения мозаики.
Хотя в таблице всего пять основных изображений, каждое изображение является мультиспектральным. Это означает, что каждое изображение состоит из шести спектральных каналов, и каждый канал фактически представляет собой отдельный растр. Шаблон набора данных мозаики учитывает это, группируя вместе все каналы, принадлежащие одному изображению. Вся эта работа выполняется растровыми функциями "за кулисами".
В поле ProductName приведена Отражающая способность поверхности в качестве типа информации изображения. Если вы прокрутите таблицу атрибутов вправо, вы также увидите поле под названием Acquisition Date, в котором указаны дата и время, когда изображения были захвачены.
- Закройте таблицу атрибутов.
- В панели Содержание щелкните правой кнопкой Chuquicamata_Landsat и выберите Свойства. В окне Свойства слоя щёлкните вкладку Источник.
Здесь пять разделов, содержащих информацию об источнике данных, растрах, каналах, статистике каналов и пространственной привязке.
- Закройте окно Свойства слоя.
Добавление многомерной информации
Вы создали свой набор данных мозаики, но это еще не многомерный набор данных мозаики. Несмотря на то, что у него есть информация о времени (поле Acquisition Date в атрибутивной таблицу), для использования всех возможностей многомерных наборов данных мозаики требуется явная информация о переменных и измерениях, содержащихся в наборе данных. Поэтому вы создадите многомерные метаданные для своего набора данных мозаики.
- На панели Геообработка щелкните кнопку Назад.
- Найдите и откройте инструмент Построить многомерную информацию.
- Укажите параметры следующим образом:
- Для Набор данных мозаики выберите Chuquicamata_Landsat.
- Для Поле переменной выберите ProductName.
- В разделе Информация о переменной для Имя переменной выберите Отражающая способность поверхности.
- Для Описание введите Отражающая способность поверхности Landsat.
- В разделе Поля измерений для Поле измерений выберите AcquisitionDate.
- Для Описание введите Дата получения изображения.
- Щелкните Запустить.
Когда инструмент завершает работу, видимых изменений в наборе данных мозаики не происходит. Чтобы увидеть изменения, вы проверите его свойства.
- В панели Содержание щелкните правой кнопкой Chuquicamata_Landsat и выберите Свойства. В окне Свойства слоя щёлкните Источник.
На вкладке Источник теперь виден раздел Многомерная информация.
- Разверните Многомерную информацию. В разделе Переменные разверните разделы Отражающая способность поверхности и StdTime.
Переменная Отражающая способность поверхности и информация об измерении StdTime были добавлены в набор данных мозаики.
Примечание:
Хотя в качестве измерения вы указали поле Acquisition Date, оно отображается как StdTime. Это связано с тем, что поле Acquisition Date было распознано как поле времени и даты и поэтому принимается как стандартное значение времени. Это предотвращает добавление нескольких временных измерений в один многомерный набор данных.
Набор данных мозаики теперь помечен как многомерный, и может быть использован в инструментах многомерного анализа и управления. Отражающая способность поверхности (StdTime = 5) означает, что этот многомерный растр позволяет проследить изменение переменной Отражающей способности поверхности в пяти различных временных точках.
- Закройте окно Свойства слоя.
Далее вы изучите срезы многомерного растра.
- Убедитесь, что на панели Содержание выбран слой Chuquicamata_Landsat.
- На ленте щелкните вкладку Многомерные. В группе Срез текущего отображения щелкните ниспадающий список StdTime.
Примечание:
Вкладка Многомерный доступна, только если выбранный набор данных мозаики является многомерным.
Ниспадающее меню StdTime содержит пять дат с 1990 по 2010 год. Каждая дата соответствует срезу многомерного растра. Вы можете выбрать любой из них и наблюдать за обновлением карты для этого среза. В примере изображения выбран срез 1990-02-15.
- На панели инструментов быстрого доступа нажмите кнопку Сохранить.
Вы создали многомерный набор данных мозаики. Набор данных мозаики - это решение управления данными для управления множеством растров в пространстве и времени. Далее вы конвертируете набор данных мозаики в формат CRF.
Работа с многомерным CRF
Ранее вы создали многомерный набор данных мозаики используя 5 снимков Landsat TM. Затем вы конвертируете набор данных мозаики в облачный растровый формат CRF и измерите и визуализируете изменения на медном руднике Чукикамата.
CRF - исходный файловый формат Esri, оптимизированный для хранения как стандартных, так и многомерных растровых данных с целью распределенной обработки. Вы также можете транспонировать многомерный набор данных CRF для быстрой обработки временных профилей, в особенности при работе с несколькими срезами. Инструменты многомерного анализа ArcGIS Pro создают выходные наборы CRF, а формат CRF предлагает больше опций для управления данными.
Конвертация набора данных мозаики в CRF.
Сначала вы конвертируете свой набор данных мозаики в CRF.
- На панели Геообработка щелкните кнопку Назад. Найдите и откройте инструмент Копировать растр.
- В инструменте Копировать растр для Входного растра выберите Chuquicamata_Landsat.
- В опции Выходной набор растровых данных щёлкните кнопку Обзор.
- В окне Выходной набор растровых данных щелкните Папки и выберите Chuquicamata mine. Для Имени введите Chuquicamata_Landsat.crf. Щелкните Сохранить.
Параметр для обработки данных как многомерных отмечен по умолчанию. Параметр Построение многомерного транспонирования, если он отмечен, изменяет структуру формата CRF для более быстрой обработки при работе со множеством срезов. В этом случае у вас небольшое число срезов, поэтому транспонирование не требуется. Оставьте этот параметр не отмеченным.
- Щелкните Запустить.
Инструмент запустится. Через некоторое время новый CRF добавится на карту.
- На панели Содержание отключите слой набора данных мозаики Chuquicamata_Landsat чтобы только слой Chuquicamata_Landsat.crf был видимым. Если необходимо, щелкните слой Chuquicamata_Landsat.crf, чтобы выбрать его.
- На ленте, на вкладке Многомерный в группе Управление данными нажмите кнопку Управление данными, чтобы просмотреть инструменты, доступные для управления набором данных CRF.
В этом меню доступны четыре инструмента. Два из них - Транспонировать и Управлять многомерным растром - доступны только для наборов данных CRF.
Инструмент Транспонировать позволяет строить многомерное транспонирование, что повышает производительность набора данных при анализе значений пикселов по всему измерению. Инструмент Управлять многомерным растром позволяет вам удалять или добавлять измерения в существующем многомерном растре.
Измерение и визуализация изменений
Ваш многомерный набор растровых данных CRF готов, и вы можете оценить, как изменился рудник Чукикамата с 1990 по 2010 год.
- На ленте щелкните вкладку Карта. В группе Запрос щелкните кнопку Найти .
Появится панель Найти местоположение. Вы введете долготу и широту шахты.
- На панели Найти местоположение в окне поиска введите (или скопируйте и вставьте) 68.9004325°W 22.2880568°S и нажмите Enter.
Примечание:
Или вы можете использовать ключевое слово Chuquicamata и выбрать первый результат.
Карта приблизится к координатам.
- Закройте панель Найти местоположение.
- Под картой измените масштаб на 1:50,000.
Карта уменьшается, чтобы была видна поверхность медного рудника большого размера. Снимок по умолчанию отображается как естественное синтезированное цветное изображение, в котором красный, зеленый и синий каналы отображены соответственно красным, зеленым и синим диапазонами, то есть объекты на снимке выглядят так, как их видит человеческий глаз в реальности.
- На панели Содержание убедитесь, что слой Chuquicamata_Landsat.crf выбран.
- На ленте щелкните вкладку Многомерные. В группе Срез текущего отображения для StdTime выберите значение, которое начинается с 2010-04-27.
Слой на карте обновится. Шахта изменилась и увеличилась с 1990 года.
- На ленте измените StdTime обратно на значение, начинающееся с 1990-02-15.
- Щелкните кнопку Воспроизвести разрезы по StdTime
Карта обновляется, отображая каждый срез многомерного растра, воспроизводя анимацию. Вы можете видеть, как менялся рудник с течением времени.
- Нажмите кнопку Приостановить срезы по StdTime еще раз, чтобы остановить анимацию. При необходимости задайте для StdTime значение 1990-02-15.
Затем вы приблизительно измерите размер главной шахты рудника.
- На ленте щелкните вкладку Карта. В группе Запрос щелкните кнопку Измерить.
Появится окно Измерить расстояние.
- В окне Измерить расстояние измените Метрический на Километры.
- На карте щелкните самую южную точку главной шахты. Дважды щелкните самую северную точку, чтобы получить измерение.
В 1990 году протяженность главной шахты была приблизительно 3.5 км.
- На ленте щелкните вкладку Многомерные. В группе Срез текущего отображения измените StdTime на 27.04.2010.
- Измерьте диаметр шахты еще раз.
Теперь диаметр главной шахты превышает 4 км. С 1990 по 2010 год появились или увеличилось еще некоторые вспомогательные шахты.
- Закройте инструмент Измерить расстояние.
- На вкладке Многомерный в группе Срез текущего отображения установите StdTime опять на 1990-02-15.
- Сохраните проект.
Вы создали многомерный растровый слой в исходном многомерном формате Esri и провели визуальный анализ и измерения, подтверждающие, что рудник Чукикамата значительно увеличился с течением времени. Но мультиспектральные изображения дают вам значительно больше возможностей, чем доступно глазу. Затем вы получите дополнительную информацию, используя другую комбинацию каналов и коэффициент каналов.
Улучшение спектральной информации
Теперь вы будете использовать мультиспектральные каналы своего набора данных для лучшей визуализации изменений в медном руднике Чукикамата.
Изучение спектральной информации
Сначала вы воспользуетесь другой комбинацией каналов и посмотрите спектральный профиль разных точек на карте. На данный момент изображение отображается в виде композиции в естественных цветах с использованием красного, зеленого и синего каналов. Однако использование разных каналов может позволить вам улучшить информацию, отображаемую на вашем снимке, поскольку разные сегменты электромагнитного спектра могут выделять различные объекты. Вы выберете комбинацию каналов, включающую коротковолновые инфракрасные каналы.
- На панели Содержание для слоя Chuquicamata_Landsat.crf щелкните правой кнопкой Красный канал и выберите Коротковолновый ИК 1.
- Измените Зеленый канал на Красный, а Синий - на Коротковолновый ИК 2.
Слой на карте обновится.
Глина и карбонатные минералы часто встречаются в медно-порфировых месторождениях вокруг рудников. Эти типы минералов демонстрируют сильное поглощение около 2,2 μm, которое может быть зафиксировано в коротковолновом инфракрасном канале 2 данных Landsat TM, и сильное отражение в длинах волн, зафиксированных в коротковолновом инфракрасном канале 1. В созданной вами модели RGB области светло-розового цвета означают более сильное отражение в Коротковолновом инфракрасном канале 1, что указывает на присутствие глины или карбонатных минералов. Эти более яркие пикселы могут представлять области, где есть следы меди.
Для дальнейшего изучения этого вопроса вы воспользуетесь панелью Информация об изображении, чтобы увидеть информацию о спектральном отражении, когда вы перемещаете курсор по изображению.
- На ленте щелкните вкладку Изображения. В группе Инструменты щелкните Информация об изображении.
Появится панель Информация об изображении. По умолчанию в разделе Точка интереса установлена опция Отслеживание курсора, которая позволяет вам перемещать курсор по изображению на карте, чтобы увидеть спектральное отражение для каждого канала для пиксела под курсором. Это также называется спектральным профилем для пиксела.
- Расположите на карте курсор над изображением шахты.
Спектральный профиль для каждого пиксела, на который вы наводите курсор, появляется на панели Информация об изображении.
Коэффициент отражения является самым высоким в коротковолновом инфракрасном канале 1 (отображается красным) в светло-розовых областях изображения, тогда как коэффициент отражения для этих каналов обычно низкий в темно-фиолетовых областях изображения.
Панель Информация об изображении также содержит информацию о строке пиксела и значении столбца (изображение (X, Y)), координате пикселя (десятичное число) и информацию об источнике (источник). Каналы, которые в данный момент отображаются с красным, зеленым и синим каналами, также показаны на спектральной диаграмме.
- На ленте щелкните вкладку Многомерные. В группе Срез текущего отображения используйте опцию StdTime, чтобы щелкать по срезам многомерного растрового слоя и видеть, как менялась шахта с течением времени.
Преимущество многомерных растров заключается в том, что выбранная комбинация каналов была применена ко всем срезам за один раз.
Вычисление коэффициента канала
Теперь вы сгенерируете коэффициент канала оксида железа, чтобы увидеть дополнительную информацию. Коэффициент канала (или индекс) объединяет различные спектральные каналы с помощью математической формулы. В результате получается новый растр. Различные коэффициенты каналов предназначены для выделения различных типов объектов и явлений.
Коэффициент оксида железа использовался для идентификации минералов гидротермальных изменений, связанных с минерализацией меди (Pour & Hashim, 2014). Коэффициент канала оксида железа использует информацию о спектральном отражении из красной и синей частей электромагнитного спектра, поскольку оксиды или гидроксиды железа имеют высокий коэффициент отражения при 0,63–0,69 μm (красный канал) и высокое поглощение при 0,45–0,52 μm (синий канал).
Вы примените этот коэффициент оксида железа и определите, помогает ли он вам лучше различать изменения в руднике Чукикамата. Чтобы сгенерировать коэффициент канала оксида железа, вы выполните вычисление с помощью функции растра, которая применяет вычисления непосредственно к значениям пикселов растра без необходимости сохранять новые данные.
- На ленте щелкните вкладку Изображения. В группе Анализ щелкните Функции растра.
Появится панель Функции растра. Для вычисления коэффициента канала вы примените функцию Арифметика каналов.
- В окне поиска введите канал. В списке с результатами под Математические щелкните Арифметика каналов.
Как и для инструментов геообработки, в растровых функциях требуются входные параметры.
- На панели Свойства арифметики каналов для Растр выберите Chuquicamata_Landsat.crf. Для Метод выберите Оксид железа.
Для опции Индексы каналов появляется подсказка, показывающая уравнение для коэффициента канала оксида железа и требуемые каналы. Инструмент знает формулу коэффициента оксида железа, но вам нужно указать, к какому каналу вашего изображения ее применить.
- В параметре Индексы каналов введите 3 1.
Индекс канала 3 представляет красный канал, а индекс канала 1 - синий. Разделите их пробелом.
- Щелкните Создать новый слой.
На карту добавлен новый многомерный слой.
Вы улучшите оформление с помощью DRA.
- Щелкните на ленте вкладку Растровый слой. В группе Отображение щёлкните DRA.
DRA - это настройка динамического диапазона. Она позволяет динамически растягивать отображение слоя, чтобы повысить контрастность и лучше визуализировать результаты.
- На ленте щелкните вкладку Многомерные. В группе Срез текущего отображения используйте ниспадающий список StdTime, чтобы щелкать по срезам многомерного растрового слоя.
Ко всем срезам применен коэффициент канала оксида железа, а также растяжка DRA.
- На панели Содержание щелкните название слоя Band Arithmetic_Chuquicamata_Landsat.crf, чтобы выбрать его. Щелкните имя слоя еще раз и переименуйте его в Оксид железа.
Какие еще объекты можно выделить, используя этот коэффициент канала?
- Сохраните проект.
В данном уроке вы создали многомерный набор данных мозаики, используя снимки Landsat TM, преобразовали его в облачный формат растра и наблюдали за изменениями во времени на медном руднике Чукикамата. Вы также изменили комбинацию каналов и сгенерировали коэффициент канала для дальнейшей визуализации изменений.
Вы можете найти больше учебных пособий в галерее учебных пособий.
