Комбинирование светотеневой отмывки и цветовой карты рельефа с помощью GDAL
Создание слоя сочетающего теневую отмывку и цветовую ЦМР в нескольких вариантах
Мы все очень любим красивый рельеф. Эта статья рассказывает про то как получить подобный результат в виде единого комбинированного слоя с помощью GDAL и вдается в некоторые нюансы применения прозрачности.
Обычно эффект комбинирования в ГИС (таких как QGIS) достигается использованием двух слоёв. Берется сама ЦМР (цифровая модель рельефа) в виде растра, где высоты сгруппированы в пояса и каждому задан свой цвет и берется теневая отмывка рельефа. Слой цветового рельефа располагается поверх теневого и цветовому рельефу задается определенный процент прозрачности (в примере выше - 30%). В результате получается картинка показанная выше.
Все хорошо и красиво, но есть одна проблема. Этот вариант работает пока вы находитесь в локальной ГИС, умеющей работать со слоями. Что если вам нужен комбинированный рельеф единым слоем? Для использования в веб, графических редакторах или просто для удобства управления.
Разберем как получается изображение выше с помощью GDAL.
Исходные данные
В качестве единственного источника выступает ЦМР, растровая матрица, где каждому пикселю соответствует значение его высоты над уровнем моря. Это может быть SRTM, ASTER GDEM и другие источники.
Посмотреть на эти матрицы можно в QGIS в сером или цветном представлении.
Теневая отмывка
Создадим теневую отмывку на основе нашей ЦМР. Для многих операций с данными о рельефе в GDAL используется инструмент gdaldem. Результатом операции является 8-битный растр, где каждому пикселю назначается интенсивность освещенности в зависимости от его положения. Также можно указывать высоту (-alt) солнца над горизонтом 0-90 и угол (-az) освещения солнца 0-360.
gdaldem hillshade dem.tif shade.tif -z 5 -az 90
Цветовой рельеф
Теперь необходимо сделать еще одну матрицу, где назначить каждому ее пикселю определенный цвет. Это очень удобно сделать в пользовательской ГИС, где посредством интерфейса можно задать количество высотных поясов, выбрать цвет, оценить результат.
Для GDAL результат такого раскрашивания нужно преобразовать в текстовый файл следующего формата, пример:
5000 255 255 255 1000 168 112 0 650 198 165 48 400 229 218 97 200 218 229 97 0 112 168 0
Где первая цифра - высота, а 2-3-4, ее цвет в RGB. В данном примере, все пиксели от 0 до 200 будут закрашены одним цветом, от 200 до 400 другим и так далее. Сохраним файл под названием ramp.txt
Дальше, выполним команду, которая на основе ЦМР создаст RGB изображение (информация о высотах таким образом будет потеряна, останется только цвет):
gdaldem color-relief dem.tif ramp.txt relief.tif
Комбинирование
Метод 1: "в HSV и обратно"
Один из методов сложения цветового рельефа и теневой отмывки - преобразование через HSV и обратно. В рамках этого метода, цветовой рельеф из RGB (red-green-blue) преобразуется в HSV (hue-saturation-value), получившаяся компонента V заменяется целиком на теневую отмывку, результирующий HSV преобразуется обратно в RGB.
Осуществить такое преобразование можно с помощью скрипта hsv_merge.py использующего возможности GDAL (автор: Frank Warmerdam, подробнее о скрипте).
Скрипт запускается следующим образом:
hsv_merge.py relief.tif shade.tif colour_shade.tif
Метод 2: "Прозрачность как в ГИС"
Как можно видеть результат предыдущего метода и то, что мы получаем в пользовательских ГИС (самая первая иллюстрация) несколько различается. Мы также не можем в предыдущем методе менять прозрачность, чтобы достигнуть необходимого результата.
Чтобы получить точно такой же результат, нужно конвертировать не через HSV, а действовать простым сложением компонент по следующему принципу (подсмотрено на Stackoverflow, спасибо Дмитрию Барышникову за наводку!):
R = r*(1-alpha) + h*alpha G = g*(1-alpha) + h*alpha B = b*(1-alpha) + h*alpha
Где, r,g,b - каналы исходного изображения, h - растр теневой отмывки, а R,G,B - каналы результирующего изображения.
Выполнить эти манипуляции можно с помощью скрипта transparent_merge.py (адаптирован автором статьи, скачать), следующим образом:
transparent_merge.py -alpha 0.3 relief.tif shade.tif colour_shade.tif
Таким образом, синтаксис у скрипта такой же, как и у hsv_merge.py, за исключением добавления параметра alpha, который указывает, сколько прозрачность добавить к цветовому рельефу (relief.tif). Результат будет такой же, как и наложение двух растров в пользовательской ГИС:
Метод 3: "Взять прозрачность из RGBA"
Исследование исходников hsv_merge.py показывает, что в качестве исходного растра может использовать не только RGB, но и RGBA, т.е. растр с заданной прозрачностью. Хотя это похоже на то, что нам нужно, на самом деле это не оно, так как никакого учета канала прозрачности при цветовой трансформации не происходит, а канал прозрачности (альфа-канал) просто переносится с исходного изображения на результат перевода через HSV и обратно.
Чтобы воспользоваться этим методов, нужно сначала создать из RGB - RGBA, самый простой способ это сделать (не разобрался как это сделать в GDAL) следующий, нужно просто загрузить растр цветового рельефа в QGIS, задать ему прозрачность и щелкнув правой кнопки мыши по нему выбрать "Сохранить как" и далее "Rendered image". Растр сохранится с учетом прозрачности в RGBA.
Вспомогательные операции
Часто встречающиеся задачи "доделки" результата - обрезка по контуру и создания альфа-канала.
Обрезка по существующему сложному (необязательно прямоугольному контуру) может быть выполнена с помощью следующей команды:
gdalwarp -dstnodata 255 -cutline clip.shp -crop_to_cutline colour_shade.tif colour_shade_clip.tif
Создать и назначить определенное значение альфа-каналу можно с помощью следующей команды:
gdalwarp -dstalpha -srcnodata 255 colour_shade_clip.tif colour_shade_clip_alpha.tif