Создание набора данных мозаики и извлечение объектов из изображения
Чтобы определить инфраструктуру, уязвимую для стихийных бедствий, таких как оползни, сначала вы должны узнать о расположении инфраструктуры. Вы загрузите пакет проекта ArcGIS Pro со всеми данными, необходимыми для этого рабочего процесса, и создадите набор данных мозаики, который будет содержать изображения. Затем вы получите доступ к обученной модели глубокого обучения в ArcGIS Living Atlas, которая использует искусственный интеллект для автоматизации извлечения зданий из слоя изображений.
Загрузка и открытие пакета проекта
Сначала вы загрузите пакет ArcGIS Pro и откроете его. Он содержит все данные и карты, необходимые для этого руководства.
- Скачайте пакет проекта Grenada-landslide-risk.
Файл с именем Grenada-landslide-risk.ppkx загружен на ваш компьютер.
Примечание:
Файл .ppkx является пакетом проекта ArcGIS Pro и может содержать карты, данные и другие файлы, которые вы можете открыть в ArcGIS Pro. Подробнее об управлении файлами .ppkx в этом руководстве.
- Найдите загруженный файл на вашем компьютере. Дважды щелкните файл, чтобы открыть его в ArcGIS Pro. Если будет предложено, войдите под учетной записью ArcGIS.
Примечание:
Если у вас нет доступа к ArcGIS Pro или учетной записи организации ArcGIS, см. варианты доступа к программному обеспечению.
Откроется проект.
Проект содержит две карты: Building footprint extraction и Susceptibility analysis, которые вы будете использовать в разных частях руководства. Сейчас вы будете пользоваться картой Building footprint extraction.
- Проверьте, что выбрана вкладка Building footprint extraction.
Карта содержит топографическую базовую карту по умолчанию, показывающую весь мир. Далее вы добавите данные изображений.
Создание набора данных мозаики
В этом разделе вы подготовите набор данных изображений для извлечения контуров зданий.
Загруженный вами проект включает аэроснимок, показывающий часть острова Гренада. Теперь вы найдете его в проекте.
- Щелкните вкладку Вид на ленте. В группе Окна щелкните Панель Каталог.
Появится панель Каталог.
- На панели Каталог раскройте Папки, Grenada_landslide_risk, commondata и Aerial-imagery.
Папка Aerial_imagery содержит 16 аэроснимков в формате TIFF.
Для того чтобы эти изображения вели себя подобно одному слою, вы создадите набор данных мозаики. Сначала вы создадите пустой контейнер набора данных мозаики, а затем добавите в него снимки.
- На ленте, на вкладке Вид в группе Окна щелкните Геообработка.
- На панели Геообработка в окне поиска введите Создать набор данных мозаики. В списке результатов щелкните инструмент Создать набор данных мозаики, чтобы открыть его.
- В инструменте Создать набор данных мозаики,на вкладке Параметры, для Выходного местоположения щелкните кнопку Обзор.
- В окне Выходное местоположение щелкните Базы данных, выберите grenada_landslide_risk.gdb и нажмите OK.
- Для Имя набора данных мозаики введите Grenada_aerial_imagery.
- Для Система координат щелкните кнопку Выбрать систему координат.
Вы хотите использовать систему координат WGS 1984 Complex UTM zone 20N для всех данных проекта, поскольку это хороший вариант для местоположения острова Гренада.
- В окне Система координат в строке поиска введите WGS 1984 Complex UTM Zone 20N. Разверните Система координат проекции, UTM, WGS 1984, Northern Hemisphere, выберите WGS 1984 Complex UTM Zone 20N и щелкните OK.
- Примите остальные значения по умолчанию и щелкните Запустить.
Пустой набор данных мозаики Grenada_aerial_imagery появится на панели Содержание.
Теперь вы добавите в него 16 изображений TIFF.
- В нижней части панели Геообработка щелкните вкладку Каталог.
- На панели Каталог раскройте Базы данных и grenada_landslide_risk.gdb.
- Щелкните правой кнопкой Grenada_aerial_imagery и выберите Добавить растры.
- Выберите следующие значения параметров инструмента Добавить растры в набор данных мозаики:
- Под Входные данные выберите Папка.
- Под Входные данные щелкните кнопку Обзор. В окне Входные данные перейдите к Папки > Grenada-landslide-risk, commondata и выберите Aerial_imagery. Нажмите OK.
- Раскройте раздел Обработка растра и отметьте опции Вычислить статистику и Построить пирамидные слои растра.
- Раскройте раздел Последующая обработка мозаики и отметьте опции Построить образцы и Обновить обзорные изображения.
- Примите остальные значения по умолчанию и щелкните Запустить.
- По завершении процесса, на панели Содержание щелкните правой кнопкой Grenada_aerial_imagery и выберите Приблизить к слою.
На карте отображается набор данных мозаики. Ярко-зеленые линии показывают границы 16 изображений TIFF.
- На панели Содержание снимите отметку рядом со слоем Контуры, чтобы выключить его.
Снимки теперь отображаются как отдельный слой.
- Масштабируйте и перемещайте карту, чтобы более внимательно изучить местоположения зданий.
В этой части Гренады находятся сотни зданий. Вы могли бы вручную трассировать каждое здание и сохранить контуры как объекты в векторном слое, но это было бы утомительно и отнимало бы много времени. Вместо это вы примените глубокое обучение, чтобы автоматически извлечь контуры зданий.
Извлечение контуров зданий при помощи глубокого обучения
Модели глубокого обучения могут эффективно классифицировать или выявлять объекты на снимке. Построение и обучение собственной модели глубокого обучения или точная настройка существующей обученной модели - это сложная задача. Самый сложный и долгий аспект использования глубокого обучения - это создание серии обучающих выборок, чтобы научить модель распознавать определенный тип информации, которая вас интересует. В качестве альтернативы вы можете использовать существующую модель, которая уже обучена для вас. ArcGIS Living Atlas of the World предоставляет растущую библиотеку подобных обученных моделей глубокого обучения. Используя эти модели, вы можете сразу же приступить к использованию искусственного интеллекта, чтобы извлечь информацию и вникнуть в суть ваших изображений. Далее вы используете предварительно обученную модель из ArcGIS Living Atlas, чтобы выявить контуры зданий в слое изображений.
Примечание:
Для использования инструментов глубокого обучения в ArcGIS Pro необходимо, чтобы на вашем компьютере были установлены библиотеки глубокого обучения. Если эти файлы еще не установлены, убедитесь, что ArcGIS Pro закрыто и следуйте инструкциям по установке в статье Подготовка к глубокому обучению в ArcGIS Pro. В этих инструкциях вы также можете узнать, как проверить, можно ли запускать рабочие процессы глубокого обучения, используя ваше оборудование и программное обеспечение, а также познакомится с другими советами по использованию. После завершения вы можете продолжить работу с руководством.
- На панели Геообработка щелкните кнопку Назад.
- Щелкните вкладку Наборы инструментов.
- Разверните Инструменты Image Analyst и Глубокое обучение и щелкните инструмент Выявить объекты при помощи глубокого обучения, чтобы открыть его.
- Задайте следующие значения параметров инструмента Выявить объекты при помощи глубокого обучения:
- Для Входного растра выберите Grenada_aerial_imagery.
- Для Выходные выявленные объекты введите Grenada_Buildings.
- Для Определение модели нажмите кнопку Обзор.
- В окне Определение модели в разделе Портал щелкните Living Atlas. В окне поиска введите Building Footprint Extraction. Выберите Building Footprint Extraction - USA и щелкните OK.
После выбора модели глубокого обучения, автоматически загрузятся аргументы модели.
- Для threshold введите 0.6.
Примечание:
Выявленные объекты будут добавляться в выходной набор данных, только если уровень доверия больше или равен пороговому значению (Threshold). Оптимальное пороговое значение ищется путем проб и ошибок.
- Выберите вкладку Параметры среды.
- Для Типа процессора выберите GPU.
Примечание:
Выполнение инструмента может занять от 10 до 20 минут, в зависимости от технических характеристик вашего компьютера. Дополнительно вы можете протестировать инструмент на меньшем экстенте, чтобы уменьшить время обработки: приблизьтесь к экстенту 1:2500 и на вкладке инструмента Параметры среды измените Экстент обработки на Текущий экстент отображения.
- Примите остальные значения по умолчанию и щелкните Запустить.
Подсказка:
Может появиться окно предупреждения о том, что предварительно обученная модель загружается. Просто позвольте завершиться процессу загрузки, не предпринимая никаких действий.
Вы можете отслеживать прогресс выполнения ниже кнопки Запустить и можете щелкнуть Посмотреть подробности, чтобы увидеть больше информации.
По завершении процесса, итоговый слой Grenada_Buildings появится на панели Содержание и на карте. Это векторный слой, в котором каждый полигон представляет здание.
- Дополнительно, на панели Содержание щелкните правой кнопкой символ Grenada_Buildings и в палитре выбора цвета укажите цвет, который позволит более четко видеть новый слой.
- На карте приблизьтесь к слою Grenada_Buildings и изучите его.
Вы используете инструмент Спрятать для лучшего сравнения слоя извлеченных зданий и нижележащего снимка.
- На панели Содержание проверьте, что выбран слой Grenada_Buildings.
- На ленте на вкладе Векторный слой в группе Сравнить щелкните Спрятать.
- На карте несколько раз перетащите указатель шторки в разные стороны, чтобы скрыть слой извлеченных зданий и открыть слой изображений под ним.
Подсказка:
Пока вы находитесь в режиме Спрятать, вы можете перемещать карту, нажимая на C на клавиатуре и перетаскивая мышку.
Вы можете заметить, что модель успешно распознала почти все здания.
Примечание:
Если вы примените этот рабочий процесс к своим собственным данным изображений, в некоторых случаях вы можете быть недовольны качеством результатов обнаружения зданий. В такой ситуации хорошим следующим шагом было бы усовершенствование предварительно обученной модели, чтобы она лучше работала с вашими данными. См. руководство Усовершенствование модели глубокого обучения с помощью трансферного обучения.
- После того, как вы завершите изучение, на вкладке Карта на ленте в группе Навигация щелкните кнопку Исследовать, чтобы выйти из режима Спрятать.
- На панели инструментов Быстрого доступа щелкните кнопку Сохранить, чтобы сохранить проект.
В первой части рабочего процесса вы загрузили пакет проекта ArcGIS Pro и открыли его. Затем вы создали набор данных мозаики и добавили в него снимки. Вы применили глубокое обучение с предварительно обученной моделью из ArcGIS Living Atlas, чтобы извлечь контуры зданий из изображения и сохранить результаты в векторном слое. И, наконец, вы сравнили извлеченные здания с исходным снимком.
Выполнение анализа подверженности оползням
Теперь, когда у вас есть местоположения контуров зданий, необходимо идентифицировать области на острове Гренада, которые подвержены оползням. Для выполнения этого анализа вы используете четыре растровых слоя и примените их в нескольких растровых функциях, собранных в один шаблон растровой функции. В итоге вы сравните итоговый слой подверженности оползням со слоем извлеченных зданий, чтобы определить объекты с наибольшим риском.
Изучение растровых слоев
Чтобы проанализировать подверженность оползням в Гренаде, вы используете четыре растровых слоя в формате TIFF. Каждый из них представляет по одному главному фактору в оценке подверженности оползням:
- Тип почв (Soil type) — области с определенными типами глины в почве подвержены более высокому риску оползней.
- Высоты (Elevation) — области с более крутыми склонами подвержены более высокому риску.
- Расстояния от рек (Distance from rivers) — области, расположенные ближе к рекам, подвержены более высокому риску.
- Землепользование (Land use) — области с дорогами, зданиями и искусственно озелененными участками подвергаются более высокому риску; лесные массивы подвержены меньшему риску.
Теперь вы изучите эти слои.
- Щелкните вкладку карты Susceptibility analysis.
Появится карта Susceptibility analysis на панели Содержания которой перечислены четыре слоя. Сейчас они выключены.
- На панели Содержание поставьте отметку рядом со слоем Land_use.tif, чтобы включить его.
- Изучите слой Land_use.tif на карте и его легенду на панели Содержание. Масштабируйте и перемещайте карту, чтобы лучше понять информацию, содержащуюся в слое.
- Аналогично включите и изучите Distance_to_rivers.tif, Elevation.tif и Soil_types.tif.
(A) Land use, (B) Distance to rivers, (C) Elevation, (D) Soil types. Подсказка:
Разверните Soil_types.tif на панели Содержание, чтобы увидеть его легенду. Затем закройте ее, когда закончите, так как легенда занимает много места.
Далее вы примените эти слои в качестве входных данных для анализа подверженности оползням.
Создание слоя подверженности при помощи шаблона растровой функции
Вы выполните анализ подверженности, используя эти четыре растровых слоя в качестве входных. Вы примените к ним несколько растровых функций, собранных (или соединенных) вместе в одном шаблоне растровой функции (RFT). Этот RFT предоставлен в загруженном вами пакете проекта. Сначала вы откроете RFT в режиме редактирования, чтобы изучить его содержание.
Примечание:
Функции растра — это операции, которые динамически применяют обработку к растрам, без сохранения результата на диск. Поскольку промежуточные наборы данных не создаются, обработка может быть применена быстро.
- На ленте на вкладке Изображения в группе Анализ щелкните кнопку Функции растра.
- На панели Функции растра перейдите на вкладку Проект. Если необходимо, раскройте раздел Grenada_landslide_risk.
Примечание:
Если вы не видите шаблон функции растра сделайте следующее:
На панели Функции растра щелкните на вкладку Пользовательский. Рядом с Landslide Grenada нажмите кнопку Импортировать функции. В окне Выбрать шаблоны обработки щелкните Функции растра перейдите в раздел Папки > Grenada_Landslide_Risk > P30 > RasterFunctionTemplates > Grenada_Landslide_Risk и щелкните Landslide Susceptibility.rft.xml, а затем - OK.
- Щелкните правой кнопкой шаблон функции растра Landslide Susceptibility и выберите Редактировать.
RFT появится в окне редактора функций.
Четыре зеленых элемента в шаблоне представляют четыре входных растра. Каждый желтый элемент представляет функцию растра. Процесс происходит следующим образом:
- Сначала некоторые растры предварительно обрабатываются, например, растр Elevation преобразуется в растр уклонов, где каждая ячейка идентифицирует крутизну ландшафта в конкретном его местоположении (функция Slope (Уклон)).
- Каждый растр обрабатывается так, чтобы исходное значение каждой ячейки преобразовалось в значение от 1 до 10, где 10 представляет наивысший риск оползня, а 1 — самый низкий (функции Remap (Перекодировка) или Calculator (Калькулятор)).
- Четыре итоговых слоя затем объединяются (Weighted Sum (Взвешенная сумма)) и преобразуются в выходной растр, где каждая ячейка содержит значение от 1 до 5, представляющее общую оценку подверженности оползням (Remap: Classify Results Перекодировка: Классифицировать результаты).
- И наконец, к числовым значениям от 1 до 5 прикрепляются подписи, представляющие 5 классов риска (Очень низкий, Невысокий, Умеренный, Высокий, Очень высокий — Very Low, Low, Moderate, High, Very High), и назначаются символы с подходящей цветовой шкалой (Таблица атрибутов).
- Дополнительно дважды щелкните на некоторых растровых функциях в шаблоне растровой функции, чтобы увидеть, как они настроены.
- Когда вы сделаете это, закройте окно редактора функцииLandslide Susceptibility.rft.xml.
Теперь вы примените RFT к вашим данным.
- На панели Функции растра щелкните RFT Landslide Susceptibility, чтобы открыть его.
- Выберите следующие параметры Landslide Susceptibility:
- Для Soil Types выберите Soil_types.tif.
- Для Elevation выберите Elevation.tif.
- Для Land Use выберите Land_use.tif.
- Для Distance to Rivers выберите Distance_to_rivers.tif.
- Щелкните Создать новый слой, чтобы построить слой анализа подверженности рискам.
Появится итоговый слой.
Красные участки наиболее подвержены оползням, а зеленые - наименее.
В этом разделе вы запустили шаблон растровой функции, чтобы создать растровый слой подверженности оползням.
Сравнение контуров зданий с результатами оценки подверженности оползням
Теперь проведете визуальное сравнение контуров зданий, которые вы получили ранее, со слоем подверженности рискам, с целью определения структур в зоне риска. Сначала вы добавите на текущую карту слой контуров зданий.
- Щелкните вкладку Building footprint extraction, чтобы перейти к первой карте.
- На панели Содержание щелкните правой кнопкой Grenada_Buildings и выберите Копировать.
- Щелкните вкладку Susceptibility analysis, чтобы вернуться ко второй карте.
- На панели Содержание щелкните правой кнопкой Susceptibility analysis и выберите Вставить.
Слой Grenada_Buildings добавлен на карту.
- Щелкните правой кнопкой слой Grenada_Buildings и выберите Приблизить к слою.
- Карта приблизится к области со зданиями, извлеченными вами при помощи модели глубокого обучения.
Примечание:
Для краткости руководства, вы извлекли контуры зданий только для части острова. В реальной ситуации, возможно, вместо этого вы выбрали бы извлечение контуров зданий для всего острова.
- Для ускорения отображения выключите все слои входных данных (Soil_types.tif, Elevation.tif, Land_use.tif и Distance_to_rivers.tif).
- Масштабируйте и перемещайте карту, чтобы найти зданий, находящиеся в зонах высокого риска (красных или оранжевых).
Похоже, что большинство зданий на Гренаде находятся в областях низкого риска. Однако некоторые здания попадают в зоны высокого риска (оранжевый).
Использование слоя Landslide Susceptibility для поиска зданий в зоне высокого риска вполне успешно. Но это динамический слой, который существует только в памяти, так как он создан при помощи функций растра. Теперь вы сохраните его в компьютерном хранилище для повторного использования в будущем и для того, чтобы вам было легче делиться им со своими коллегами и сообществом.
- На панели Содержание щелкните правой кнопкой слой Landslide Susceptibility, укажите на Данные и выберите Экспорт растра.
- Задайте следующие значения параметров на панели Экспорт растра:
- Проверьте, что для Выходного формата выбран TIFF.
- Проверьте, что для Системы координат выбрано WGS_1984_Complex_UTM_Zone_20N.
- В разделе Размер ячейки для X и Y введите 5.
Каждая ячейка в выходном растре будет представлять квадрат на поверхности Земли размером 5х5 метров.
- Примите все остальные значения по умолчанию и щелкните Экспорт.
Через несколько секунд на карте появится новый растр. Он выглядит так же, как динамический слой. Но вы можете найти, где он сохранен, на панели Каталог.
- На панели Каталог в Папки > Grenada_landslide_risk найдите Landslide Susceptibility.tif.
- Нажмите Ctrl+S, чтобы сохранить свой проект.
В этом руководстве вы использовали снимки и другие типы растровых данных для изучения структур, находящихся в зоне риска оползней острова Гренада. Вы создали набор данных мозаики в ArcGIS Pro и добавили в него аэрофотоснимки. Затем вы получили доступ к обученной модели глубокого обучения в ArcGIS Living Atlas и применили ее для автоматизации извлечения зданий из слоя аэрофотоснимков. Далее вы применили шаблон функции растра, чтобы выполнить анализ растра и классифицировать ландшафт в соответствии с подверженностью оползням. Вы сравнили слой подверженности оползням и извлеченные контуры зданий для визуализации структур в зонах риска. В итоге вы сохранили на диск растр подверженности оползням. Ваши итоговые слои теперь доступны для дальнейшего использования при картографировании и анализе вам и участникам вашего сообщества.
