SFire - составление карт гарей лесных массивов в Quantum GIS (Геоконкурс 2011)

Эта страница является черновиком статьи.

Введение

Важной задачей мониторинга природопользования является учет и картографирование территорий, пострадавших в результате лесных пожаров.

Отслеживанию пожарной динамики и оценке последствий пожаров был посвящен геоконкурс [1], проведенный порталом GIS - Lab совместно с рядом российских и зарубежных компаний. Описываемый плагин был разработан для данного геоконкурса в рамках магистерской диссертации разработчика.

Ядром плагина является классификатор, состоящий из двух машин опорных векторов. На вход классификатора подается вектор спектральных яркостей пикселя спутникового снимка, с выхода классификатора снимается номер класса, к которому отнесен пиксель. По номерам классов плагин составляет карту гарей и сохраняет ее в файле формата GeoTIFF с привязкой карты к системе координат WGS84 и проекцией карты в проекцию UTM. Пиксели результирующей карты гарей могут быть установлены в следующие значения:

• 3 - пиксель занят лесом;
• 2 - пиксель занят гарью;
• 1 - пиксель не занят ни лесом, ни гарью;
• 0 - пиксель не попал в область интереса (AOI).

Входными данными для составления карты гарей являются:

• "старший" и "младший" спутниковые снимки - спутниковые снимки, по которым плагин составляет обучающее множество векторов, на котором обучает и тестирует качество обучения классификатора.

Обучающее множество векторов образуют вектора спектральных яркостей части пикселей младшего спутникового снимка.

Старший и младший спутниковые снимки должны быть сделаны в период активной вегетации растительности (конец весны - начало лета), примерно в одно и то же время с разницей в один - два года;

• карта леса и область интереса - полигональные векторные слои, сохраненные в файлах формата ESRI Shape.

Карта гарей будет составлена только для пересечения данных двух векторных слоев;

• несколько обрабатываемых спутниковых снимков, для которых будут составлены карты гарей.

В качестве источника спутниковых снимков должен исльзоваться КА "Landsat 5", данные от которого могут быть получены с помощью EarthExplorer [2].

Спутниковые снимки должны пройти предварительную обработку с целью минимизации помех и для устранения посторонних объектов (облака, дымка и тому подобные вещи).

Установка

Плагин SFire является свободно распространяемым программным обеспечением (лицензия GPLv3).

Имеются следующие требования к программной части вычислительной системы, в которой предполагается запуск плагина:

• ОС GNU/Linux;
• компилятор GNU C Compiler из состава коллекции компиляторов GNU Compiler Collection;
• интерпретатор для языка программирования Python 2;
• средство автоматизации сборки GNU Make;
• система контроля версий Git;
• программные библиотеки Qt4, pyqt4, GDAL / OGR;
• утилита swig;
• ГИС Quantum GIS версии не ниже 1.7.

Для установки плагина необходимо выполнить следующие действия:

1. скачать исходный код плагина: git checkout git://github.com/verzhak/sfire.git
2. перейти в каталог с исходным кодом плагина: cd sfire
3. собрать плагин: make
4. создать символьную ссылку на каталог с исходным кодом плагина в каталоге с плагинами для QGIS: ln -s `pwd` ~/.qgis/python/plugins/

Запуск

Для запуска плагина необходимо выполнить следующие действия:

1. запустить qgis;
2. подключить плагин (рисунок \ref{image:manager});
3. выбрать пункт "Составление карт гарей лесных массивов" в одноименном подменю меню "Модули" панели инструментов QGIS (рисунок \ref{image:menu}).

\mimage{manage"{1."Менеджер модулей QGIS}{} \mimage{menu}{2.png}{Меню "Модули"}{}

Составление карты гарей

Составление обучающего множества векторов

Обучающее множество векторов спектральных яркостей пикселей младшего спутникового снимка составляется по старшему и младшему спутниковым снимкам, векторной карте леса и области интереса.

Составление обучающего множества осуществляется на вкладке "Создание обучающего множества векторов" главного окна плагина (рисунки \ref{image:create:1}, \ref{image:create:2} и \ref{image:create:3}).

Обучающее множество векторов сохраняется в три файла - по одному для каждого из целевых классов. "age{create:1}{103.png}{Вкладка "Создание обучающего множества векторов"}{} \mimage{create:2}{104.png}{Составление обучающего множества векторов}{} \mimage{create:3}{105.png}{Обучающее множество векторов составлено}{}

Обучение классификатора

Обучение классификатора производится по обучающему множеству векторов с помощью вкладки "Обучение классификатора" главного окна плагина (рисунки \ref{image:teach:1}, \ref{image:teach:2} и \ref{image:teach:3}).

По завершению обучения классификатора описатели двух машин опорных векторов, его составляющих, сохраняются каждый в отдельный файл.

\mimage{teach:1}{106.png}{Вкладка "Обучение классификатора"}{} \mimage{teach:2}{108.png}{Обучение классификатора}{} \mimage{teach:3}{109.png}{Обучение классификатора завершено}{}

Составление карты гарей

Составление карты гарей по некоторому спутниковому снимку производится с помощью вкладки "Формирование карты гарей лесного массива" главного окна плагина (рисунки \ref{image:map:1}, \ref{image:map:2} и \ref{image:map:3}). Для составления карты требуется обученный классификатор.

Карта гарей сохраняется в виде растровой маски в файле формата GeoTIFF.

\mimage{map:1}{111.png}{Вкладка "Формирование карты гарей лесного массива"}{} \mimage{map:2}{112.png}{Формирование карты гарей лесного массива}{} \mimage{map:3}{113.png}{Карта гарей лесного массива сформирована}{}

Результат

На рисунке \ref{image:result} приведена карта гарей лесного массива части национального парка "Мещерский", составленная по спутниковому снимку 29-го июля 2011-го года.

В качестве векторной карты леса был использован слой "vegetation-polygon" из числа слоев, сохраненных в наборе shape - файлов в рамках проекта "Данные OpenStreetMap в формате Shape и PostGIS"[3], разрабатываемого порталом GIS - Lab.

\mimage{result}{map_2011.png}{Карта гарей лесного массива части национального парка "Мещерский" от 29-го июля 2011-го года}{}

Ссылки

• Код плагина на github[4];
• Презентация для геоконкурса[5].

Акинин М.В., verzhak@gmail.com

Научный руководитель: к.т.н, доцент Конкин Ю.В.

Рязанский государственный радиотехнический университет, кафедра ЭВМ

2011 - 2012 гг.