Просмотр исходного текста страницы Комбинирование светотеневой отмывки и цветовой карты рельефа с помощью GDAL

{{Статья|Опубликована|gdal-hillshade-colormap}}
{{Аннотация|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.

[[Файл:Relief-combine-01.jpg|700px|thumb|center|Результат комбинированирования цветового рельефа и теневой отмывки (Кроноцкий заповедник)]] 

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. GDAL - это швейцарский нож специалиста в области ГИС, набор кросс-платформенных консольных утилит позволяющих выполнять большее количество различных операций ([http://gis-lab.info/qa/gdal-examples.html подробнее с примерами]).

==Исходные данные==
В качестве единственного источника выступает ЦМР, растровая матрица, где каждому пикселю соответствует значение его высоты над уровнем моря. Это может быть [http://gis-lab.info/qa/srtm.html SRTM], [http://gis-lab.info/qa/aster-gdem.html ASTER GDEM] и другие источники.

Посмотреть на эти матрицы можно в QGIS в сером или цветном представлении. 
[[Файл:Relief-combine-04.jpg|700px|thumb|center|ЦМР в палитре градаций серого]]

==Теневая отмывка==
Создадим теневую отмывку на основе нашей ЦМР. Для многих операций с данными о рельефе в GDAL используется инструмент [http://www.gdal.org/gdaldem.html 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.
<pre>gdaldem hillshade dem.tif shade.tif -z 5 -az 90</pre>

[[Файл:Relief-combine-03.jpg|700px|thumb|center|Результат теневой отмывки рельефа]]

==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. 

[[Файл:Relief-combine-05.jpg|700px|thumb|center|Настройка цветового рельефа в QGIS]]

Для GDAL результат такого раскрашивания нужно преобразовать в текстовый файл следующего формата, пример:

<pre>5000 255 255 255
1000 168 112 0
650 198 165 48
400 229 218 97
200 218 229 97
0 112 168 0</pre>
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):
<pre>gdaldem color-relief dem.tif ramp.txt relief.tif</pre>

[[Файл:Relief-combine-02.jpg|700px|thumb|center|Настройка цветового рельефа в QGIS]]

==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 [http://svn.osgeo.org/gdal/trunk/gdal/swig/python/samples/hsv_merge.py hsv_merge.py] использующего возможности GDAL (автор: Frank Warmerdam, [http://fwarmerdam.blogspot.ru/2010/01/hsvmergepy.html подробнее о скрипте]).

Скрипт запускается следующим образом:

<pre>hsv_merge.py relief.tif shade.tif colour_shade.tif</pre>

[[Файл:Relief-combine-06.jpg|700px|thumb|center|Результат комбинирования теневой отмывки и цветового рельефа через HSV]]

===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 [http://stackoverflow.com/questions/8843930/flattening-image-layers Stackoverflow], спасибо Дмитрию Барышникову за наводку!):
<pre>R = r*(1-alpha) + h*alpha
G = g*(1-alpha) + h*alpha
B = b*(1-alpha) + h*alpha</pre>

Где, r,g,b - каналы исходного изображения, h - растр теневой отмывки, а R,G,B - каналы результирующего изображения, alpha - значение прозрачности от 0 до 1, 0 - верхний растр непрозрачен (нижний, отмывка, просто не будет виден), 1 - верхний растр полностью прозрачен, результат будет идентичен слою теневой отмывки.

Выполнить эти манипуляции можно с помощью скрипта transparent_merge.py (адаптирован автором статьи, [http://gis-lab.info/programs/python/transparent_merge.zip скачать]), следующим образом:
<pre>transparent_merge.py -alpha 0.3 relief.tif shade.tif colour_shade.tif</pre>
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:

[[Файл:Relief-combine-01.jpg|700px|thumb|center|Результат комбинированирования цветового рельефа и теневой отмывки с помощью transparent_merge.py]]

===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.

[[Файл:Relief-combine-07.jpg|700px|thumb|center|Результат hsv_merge.py с RGBA растром на входе (30% прозрачности)]]

==Вспомогательные операции==
Часто встречающиеся задачи по доделке результата - обрезка по контуру и создание альфа-канала.

Обрезка по существующему сложному (необязательно прямоугольному контуру) может быть выполнена с помощью следующей команды:

<pre>gdalwarp -dstnodata 255 -cutline clip.shp -crop_to_cutline colour_shade.tif colour_shade_clip.tif</pre>

Создать и назначить определенное значение альфа-каналу можно с помощью следующей команды:

<pre>gdalwarp -dstalpha -srcnodata 255 colour_shade_clip.tif colour_shade_clip_alpha.tif</pre>

==Ссылки==
*[http://linfiniti.com/2010/12/a-workflow-for-creating-beautiful-relief-shaded-dems-using-gdal/ A workflow for creating beautiful relief shaded dems using GDAL]
*[http://mapbox.com/tilemill/docs/guides/terrain-data/ Working with terrain data]