FOSS4G 2011 Tokyo GRASSハンズオン

FOSS4G 2011 Tokyo ハンズオンセッション

GRASSを用いた
衛星・GISデータ処理の基礎

OSGeo財団日本支部
岩崎亘典


はじめに
● 本日の中身
● GRASSについて
– 特徴や歴史など。日本におけるGRASS
● GRASSの基本的操作
– データ構造について、インポート・エクスポート、
● GRASSを用いた衛星画像分析
– 東日本大震災被災地域（主に福島～宮城）における
津波浸水域の推定


GRASSとは？
● 強力な解析機能を持った、オープンソースのデス
クトップFOSS4Gの代表格
● デスクトップFOSS4Gの代表格
– もうすぐ30歳！
– 現在は最新版が6.4.1。10/11に6.4.2RC
● 強力な解析機能
– ラスタ、ベクタ、画像を問わない
● オープンソース
– GPLで公開

GRASS: 25 28 years of GFOSS

1987
1995
USA
USA
(GRASS 1997,
2.0,
Univ. of 2002 2011/10/12
no Web!)
Hannover, ITC-irst Trento
Germany + Baylor

2010, Markus Neteler


解析機能について
● ラスタ、ベクタ、イメージ、etc...

Geostatistics with GRASS and R-stats
R statistical software is run inside a GRASS session:
R reads and writes data directly from/to GRASS

2010, Markus Neteler


日本におけるGRASS
● 升本先生とベンカ先生
● この二人は外せない
● 大阪市大と（株）オーク
ニーによる国際化
● 現在も文科省の受託プロ
ジェクトでチュートリアル
等を作成中
● 配布したDVDに入っていま
す


GRASSを使う上での基礎知識（１）
● 基本はコマンドラインで行うプログラム
● GUIは有るけど、GUIを使ってコマンドを呼び出し
ている


代表的なコマンド例
コマンド動作内容
d.rast ラスターマップレイヤーを表示、またはオーバーレイ（重ね書き）する。

d.rgb 指定した３つのラスターマップレイヤーを赤色、緑色、青色にそれぞれ対応させ
重ね合わせ表示する。
g.gisenv ユーザーの現在のGRASS変数を出力、または変更する。

g.region 対象とする地域の範囲や分解能を変更したり、標準に戻すなどの管理を行う。

r.contour ラスターマップレイヤーから、指定された高さの等高線マップを作り出す。

r.mapcalc ラスターマップレイヤーの数値演算を行う。

r.univar ラスターマップの非NULLセルから単変量統計を計算する。

v.info ベクトルマップの基本情報を出力する。

v.to.rast GRASSのバイナリーベクトルマップをGRASSのラスターマップへ変換する。

i.composite 指定した３つの画像バンドファイルからカラー合成画像を作る。

i.fft ラスター画像に対して高速フーリエ変換(FFT)を行う。


GRASSを使う上での基礎知識（２）
● 独自データベースを作成し、その中に格納
● 実際はディレクトリ構造で管理
● 標準的なGISデータのファイルは使用可能
– v.in.ogrやr.in.gdalを使ってインポート
● r.externalまたはv.externalで外部ファイルも使用可
● 階層的フォルダ構造
● 上位から
– GISデータディレクトリ
– ロケーション
– マップセット


データベースの説明
重要！！重要！！
GISデータを格測地系と座標系実際に作業をする実際のデータ
納しておくためを定義単位中を見る機会
のフォルダ異なるものは混 PERMANENTにはほとんど無
特殊な機能は在出来ない！は共通するデータい
無しを格納
後で変更不可各mapsetに個別
（+解析範囲と解像度）
データを入れる
（用途別、形式別等）

GISデータディレクトリロケーションマップセットジオメトリ・属性データ
C:GIS_DATAGRASS localtion1 PERMANENT RASTER data

location2 mapset1 VECTOR data

mapset2 Volume data


引用:国土交通大学(@geo80k氏)作成資料


実習の流れ（１）
● 目標：東北地方太平洋沖地震で発生した津波で、
浸水した範囲を推定
● ロケーションとマップセットの作成
● 一番重要
● データのインポート
● ラスタデータ（LANDSAT）
● ベクタデータ（国土数値情報）
● データ表示の基礎
● ラスタとベクタの表示のしかた


実習の流れ（２）
● NDWIの算出
● 津波浸水域の推定
● 二時期の画像の差分
– MASKの作成、Mapカルキュレータの使用法


使用するデータ（衛星画像）
● LANDSAT 5号（TM）および7号（ETM+）
● 津波浸水域の推定
– 津波前（ETM+, 2002年4月）
– 津波後（TM, 2011年4月）
● 撮影時期が同時期の方が望ましい


今回の分析　～画像の差分～

● 左が津波前、右が津波後の画像
● この二つの画像で違う部分を抽出する
● 二時期の画像の差分を評価


LANDSATデータのダウンロード
● GLOVISもしくはEarthExplorerがおすすめ
● GLOVIS http://glovis.usgs.gov/
● EarthExplorer
http://edcsns17.cr.usgs.gov/NewEarthExplorer/
● 見た目はEarthExplorer、使い勝手はGLOVIS


使用するデータ（国土数値情報）
● 市町村境界線
● 対象は宮城県南部か
ら福島県にかけて


使用するデータ
● 「GIS_DATA」以下にあります
● tifとshpフォルダ


使用するGRASSのバージョン
● GRASS 6.4SVN
● 文科省受託プロジェク
ト「FOSS4Gを活用し
た衛星データ活用のた
めのオープンリソース
の開発」の成果品
– http://www.osgeo.j
p/foss4g-mext/
– チュートリアル等も
あります


GRASSのインストール


インストール
● コピーした「installer_v2.0.0」フォルダの中の
「WinGRASS-6.4.SVN-r43346-1-Setup.exe」
をダブルクリック
● Vistaの場合は右クリック、「管理者として実行」
– あとは自動的に進む


日本語化の実行
● 「installer_v2.0.0日本語化パッチ」の中の「日
本語化パッチの適用方法.txt」を参考に日本語化を
実行
● Vistaおよび7の場合、「Program Files」フォルダ
にコピーする際メッセージが出ますが、「続行」を
押して下さい。


GRASSの基本操作


GRASSの起動
● GRASS 6.4 SVNをダブルクリック
● 右のような画面が出るはず
● ここで作業を行う
– GISデータディレクトリ
– ロケーション
– マップセット
を規定する


復習:データベースの説明
重要！！重要！！
GISデータを格測地系と座標系実際に作業をする実際のデータ
納しておくためを定義単位中を見る機会
のフォルダ異なるものは混 PERMANENTにはほとんど無
特殊な機能は在出来ない！は共通するデータい
無しを格納
後で変更不可各mapsetに個別
（+解析範囲と解像度）
データを入れる
（用途別、形式別等）

GISデータディレクトリロケーションマップセットジオメトリ・属性データ
C:GIS_DATAGRASS localtion1 PERMANENT RASTER data

location2 mapset1 VECTOR data

mapset2 Volume data


ロケーションの作成
● GISデータディレクトリを
「C:GIS_DATAGRASS」に設定
● ロケーションウィザードをクリック


ロケーションの設定
● ロケーション名は「TOHOKU_UTM54」
● 「地理参照ファイルを選択」をクリック
● 「GIS_DATAtiffL5_2011095」内の
「L5_2011_0405_B30.TIF」を選択


ロケーションの設定
● 要約が出るので「終了」
をクリック
● メッセージはOKをク
リック
● 作成した
「TOHOKU_UTM54」を
選択、「PERMANENT」
をクリックして「GRASS
の起動」


GRASSの画面の説明
● GRASS GISレイヤーマネージャ
● 表示するデータや処理の選択
● GRASS GIS Map Display
● データの表示


ベクタファイルのインポート
● 「ベクトルデータをインポートします」をクリック
● OGRデータソース名に「shp」の中の
「ana_area.shp」を選択
● 出力するベクトルマップを「ana_area」して実行
● 終了したら閉じる


データの表示
● 「レイヤマネージャのベクターマップレイヤーを
追加」をクリック
● 「入力するベクトルマップ名」で「ana_area」を
選択
● 選択などで何を表示するか決める（areaにする）


データの表示
● このようにデータが表示される
● 四方向矢印で移動、虫眼鏡で拡大・縮小
● コメント矢印で属性表示
– ここで一度終了。ファイル→終了で


新しいマップセットの作成
● 起動画面の「マップセットの作成」をクリック
● 「LANDSAT」と入力。これを選択して起動


ラスタのインポート
● 「ラスタデータのバルクインポート」を選択
● 単独のものインポートする場合はその上
● ソースタイプは「ディレクトリ」を選択


ラスタのインポート
● 「参照」ボタンをクリックしGIS_DATAの下の
「L7_2002110」を選択
● 最後がB10～50と70を選択して「インポート」
● 時間がかかります。お待ち下さい


ちょっとした注意！
● 新しいマップセットは、本来はGRASSを終了させ
ることなく作れます
● が、Windows版では出来ません...
● GIS_LOCKというファイルが作られないため？
● なので、マップセットの作成や変更の際には、一
度GRASSを終了して下さい。
● ごめんなさい・・・。


ラスタデータの表示
● ラスタデータの表示として二つ説明
● 単バンド画像
– 白黒の画像
● RGB合成画像
– R（赤）、G（緑）、B（青）に衛星データのバンド
を仮想的に割り当てるやり方


衛星画像のバンドについて
● 波長毎にデータを記録
している
● LANDSATの場合は右
– その他はチュートリ
アルを参考


単バンドデータの表示
● 「ラスタマップの追加」をクリック
● 「d.rast」で表示するマップを選択
● ここではB40を選択


データの表示
● ベクタデータと同様に表示される
● 移動、拡大、縮小等も同じ


RGB合成バンド
● 「ラスターマップレイヤーの追加」の「RGBレイ
ヤー追加をクリック


RGB合成バンド
● 上から
● <red>にL7_2002_0420_B30@LANDSAT
● <green>にL7_2002_0420_B40@LANDSAT
● <blue>にL7_2002_0420_B20@LANDSAT
を設定


RGB合成画像
● カラーで表示される
● これはナチュラルカラーといわれる


LANDSATの場合のカラー合成

● トゥルーカラー：R=band3, G=band2, B=band1
● フォルスカラー：R=band4, G=band3, B=band2
● ナチュラルカラー：R=band3, G=band4, B=band2
● 中間赤外合成：：R=band7, G=band5, B=band3
● サンプルは、チュートリアルで


L5のデータのインポート
● 「L5_2011095」のデータもインポート
● 「ラスタデータのバルクインポート」から
● 「GIS_DATAtiffL5_2011095」を選択
● L5_2011_0405_B20～B50をインポート


ちなみに元の LANDSATデータの命名規則
● フォルダ
path row
LE71070342002110EDC00
センサー名年 DOY
5号ならLT5 年始めから数えて何日目か

● ファイル
path row row?
● L71107034_03420020420_B10.TIF
センサー名年月日バンド名
5号ならL5

● GLOVIS等からDLするとこれに準拠する
● 今回はセンサー名、日付、バンド名に変えています


NDWIの算出


NDVIとNDWI
● NDVI（正規化植生指数）←よく使われる
● 植物のバイオマスや生育状況を反映
– 1~-1の値を取り、大きいほど植生が多い
band4−band3
NDVI =
band4+band3
NDWI（正規化水指数）←今回使う
● 地表面の水の状態を反映
– 1~-1の値を取り、大きいほど水分が多い
band3−band5
NDWI =
band3+band5


津波浸水域の評価

● 左が津波前、右が津波後の画像
● この画像からNDWIを算出
● 津波前にNDWIが小さく、津波後に大きい所を浸水域と定義


新しいマップセットの作成
● 「INDEX」というマップセットを新しく作成
● 一度GRASSを終了してから作成
– NDWIの計算結果を保存するマップセット


MASKとは
● 解析範囲を限定するために使う
● 沿岸の市町村だけを対象とする
– 全体を計算するのは時間がかかるため
● ラスターからしか作れない
● 市町村境界のベクタからラスタを作成
● 上記のラスタから作成


マップタイプの変換
● 「ベクトル→ラスター」をクリック
● 「入力するベクトルマップ名」に
「ana_area@PEARMANENT」
● 「出力するラスターマップ名」に「ana_area」


マップタイプの変換
● 「オプション」タブを選択
● ラスター値のソースを「val」
● ラスター値を「１」
● 変換結果を表示して確認


MASKの作成
● 「ラスタ」→「マスク」をクリック
● 「MASKを使用するためのラスターマップ」に先
ほどの「ana_area」を選択して実行


画面表示を更新
● 画面の更新ボタンをクリック
● 右下に「マスク」と表示されていればOK


異なるマップセットの利用
● 現在のマップセットは「IDNEX」
● そのままでは他のマップセットは使えない
● 「LANDSAT」のデータも使えるようにしたい
● NDWIの計算やデータの表示
● 「マップセット作成」をクリック
● 「LANDSAT」をチェック


表示テスト
● 合成カラー表示を行う
● 「LANDSAT」の中のレイヤを選択
● 「L5_2011_0405」で、R=B30, G=B40, B=B20
● 限られた範囲だけが表示
● MASKが設定されているため


拡大してみる
● 浸水域の確認できる


地図と地図の演算
● NDWI等の算出は「地図と地図の演算」
● 「同じ場所」にあるデータの計算をする
– 単純な例は、下のような足し算

１２１２３０３５１

０４１
＋１１１
＝１５２

１３３４１３５４６


NDWIの算出
● MapCalculatorを使う
● 「ラスターマップカルキュレータ」をクリック


NDWIの計算式
● 計算式は下の通り
band3−band5
NDWI =
band3+band5
● 2002年4月のNDWIを計算
● 「ラスターマップの名前」をNDWI_200204
● 「関数を挿入」から「float(x)」を選択
● 「float(x)」のxを消して、「マップを挿入」から
「L7_2004_0420_B30@LANDSAT」を選択


NDWIの計算（２）
● 括弧の中に「-」記号と
「L7_2002_0420_B50@LANDSAT 」を追加
● 括弧の外に「/」を追加して分子の入力完了


NDWIの計算（３）
● 計算式を選択してコピーし、「/」の後にペースト
● 分母の括弧の中の「+」を「-」に変える


NDWIの計算（４）
● 計算結果は小数型
● 整数の方が扱いやすい
● 計算結果が整数になるように工夫
● 計算結果を1000倍
● int(x)を加える
– float(x)：ラスターを小数型にする関数
– int(x)：ラスターを整数型にする関数


NDWIの計算（５）
● 式全体を「()」でくくり、最後の「*1000」を加
える
● 計算式の初めに「int(x)」を入れる
● マップ演算の関数を挿入から「int(x)」を選択
● 「int(x)」の「x」を消して「)」を最後に移動
● 実行をクリック


NDWIの計算（６）
● 計算結果を表示
● ラスタマップの追加から


NDWIの計算（７）
● 2011年4月のNDWIを計算
● 中の計算式をコピー
● メモ帳などのに貼り付け


NDWIの計算（８）
● 「L7_2002_0420」を「L5_2011_0405」に置
換
● 置換したものをコピー


NDWIの計算（９）
● マップカリキュレータに貼り付け
● 「新しく作成する･･･」を「NDWI_201104」に
して「実行」


津波後のNDWI
● 計算結果の表示


間違えた場合
● ファイル→マップ管理→削除


津波前後のNDWIの比較

● 赤い所が高い値→水域


浸水域の定義
● 浸水後のNDWIから浸水前のNDWIを引いて、値
の高い所を「浸水域」と定義


NDWIの差を計算
● 出力ファイル名はDIFF_201104_200204
● 式には
NDWI_201104@INDEX - NDWI_200204@INDEX
と入力


結果を表示
● 実際の浸水域以外にも高く出る
● 2002年のNDWIが高い所は除外する
● if(x, a, b)を使用


if(x, a, b)の説明
● 条件式xを満たした場合
● aという値を取る
● それ以外はbという値をとる
● 「a」や「b」にif構文が入るのも可能
● if (x, if(y, a, b), c)といった形


浸水域の計算
● ラスターマップ名に「FLOOD」
● 関数として「if(x, a, b)」を選択


浸水域の計算
● さらに、「a」の所に「if (x, a, b)」を入れる


浸水域の計算
● 最初のxに「NDWI_200204@INDEX <=200」
● これで2002年の水面等を除外
● 次のxに「DIFF_201104_200204@INDEX
>=150」
● これで浸水域を抽出


浸水域の計算
● aに「１」、bに「null()」といれる
● 条件を満たした場合は１，それ以外は値無し
● そして、実行


結果を表示してみる
● これだけだとよく分からない


衛星画像と重ね合わせる
● おおよその浸水域（湛水域？）は把握出来ている
● 山地にエラーもある


お疲れさまでした！！
● 長丁場のハンズオン、お疲れさまでした
● この実習はあくまで「練習」です
● 今回求めた面積等はあまり正確ではありません
– エラーも多くある
● 時間の都合で、基礎的な説明をはしょっている部
分があります
● 特に「領域」（region）の概念
● 衛星利用チュートリアルに詳しく説明してあるの
で、そちらをご参考に


ご意見御質問などは
● OSGeo.JPディスカスML
● http://lists.osgeo.org/mailman/listinfo/osgeojapan-discuss
● アンケートにもご回答下さい


ありがとうございました！

講師の連絡先
e-mail: niwasaki@affrc.go.jp
Twitter: @wata909

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