第20回gis学会grassハンズオン

　GISA第20回研究発表大会 FOSS4G分科会ハンズオンセッション

GRASS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

GISA FOSS4G分科会/OSGeo財団日本支部/農業環境技術研究所

岩崎亘典


はじめに● 本日のアジェンダ

● 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

浸水域と浸水水田面積の推定


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

2010

, Mar

kus

Net

eler

1987USA(GRASS 2.0, no Web!)

1995USA 1997,

Univ. ofHannover,Germany

2002ITC-irst Trento+ Baylor

GRASS: 25 28 years of GFOSS

2011/10/12


解析機能について● ラスタ、ベクタ、イメージ、etc...

2010

, Mar

kus

Net

eler

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


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

● 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」と呼ばれる


データベースの説明

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_DATA\GRASS localtion1

location2

PERMANENT

mapset1

mapset2

RASTER data

VECTOR data

Volume data

GISデータを格納しておくためのフォルダ特殊な機能は無し

重要！！測地系と座標系を定義異なるものは混在出来ない！

後で変更不可

（+解析範囲と解像度）

重要！！実際に作業をする単位PERMANENTには共通するデータを格納各mapsetに個別データを入れる

（用途別、形式別等）

実際のデータ中を見る機会はほとんど無い


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、

浸水した水田を特定する● 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）● NDVI、NDWIの算出● 津波浸水域と水田域の推定

● 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

● 市町村毎の津波浸水域面積の算出● ベクタを使ったラスタの統計


使用するデータ（衛星画像）● LANDSAT 5号（TM）および7号（ETM+）

● 水稲作付け域の推定– 水田湛水期（TM, 2004年6月）– 水田収穫期（ETM+, 2001年9月）

● 同じ年の方がいい● 津波浸水域の推定

– 津波前（ETM+, 2002年4月）– 津波後（TM, 2011年4月）

● それほど時期が違わない方がいい


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● C:\GIS_DATA以下にあります

● さらにその下の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.jp/foss4g-mext/

– チュートリアル等もあります


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


ロケーションの作成● GISデータディレクトリを

「C:\GIS_DATA\GRASS」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_DATA\tiff\....」内のtifを選択

● 出来れば「L5107034_03420110405_B30.TIF」


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」を選択してOK● 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」● tiffの中のフォルダを一つ選択

● 最後がB10～50と70を選択して「インポート」– 時間がかかるけど、お待ち下さい


申し訳ないが、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

ことなく新しいmapsetを作れます● 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

● redにB30，greenにB40，blueにB20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


残りのデータのインポート● 残りのデータもインポートして下さい。

● 使うのはバンドはB30～B50まで、それだけでOK● インポートが終了したら、新しく「INDEX」とい

うマップを作成


いまさらですがLANDSATデータの命名規則● フォルダ

LE71070342002110EDC00

● ファイル

● L71107034_03420020420_B10.TIF

● GLOVIS等からDLするとこれに準拠する

センサー名5号ならLT5

path row

年 DOY年始めから数えて何日目か

センサー名5号ならL5

path row

年月日

row?

バンド名


NDVI・NDWIの算出


実習の流れ（２）● NDVI、NDWIの算出● 津波浸水域と水田域の推定

● 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

● 市町村毎の津波浸水域面積の算出● ベクタを使ったラスタの統計


NDVIとNDWI● NDVI（正規化植生指数）

● 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

NDWI（正規化水指数）● 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

NDVI=band4−band3band4+band3

NDWI=band3−band5band3+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


水田域の評価

● 左が湛水期、右が収穫前の画像● 湛水期からNDWI、収穫前からNDVIを算出● 湛水期にNDWIが大きく、収穫前にNDVI大きい所を水田域と

定義


算出する指標● 水稲作付け域の推定

● 水田湛水期（TM, 2004年6月）：NDWI● 水田収穫期（ETM+, 2001年9月）：NDVI

● 津波浸水域の推定● 津波前（ETM+, 2002年4月）：NDWI● 津波後（TM, 2011年4月）：NDWI


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

● NDVIやNDWIの計算結果を保存するため


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● 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」● 「LANDSAT」のデータも使えるようにしたい

● NDVI等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

● R=B30, G=B40, B=B20● MASKが設定されているので、限られた範囲だけ

が表示される


NDVI及びNDWIの算出● NDVIの算出は、「地図と地図の演算」

● 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● 計算式は下の通り

● まず、2004年6月のNDWIを計算● 「ラスターマップの名前」にNDWI_200406● 「関数を挿入」から「float(x)」を選択● 「マップを挿入」から

「L5107034_03420040604_B30@LANDSAT」を選択

● float(x)の括弧を調整

NDWI=band3−band5band3+band5


NDWIの計算（２）● 「-」記号と

「L5107034_03420040604_B50@LANDSAT」を追加

● 「/」を追加して計算式の分母を入れる● 式の枠の中でコピペ出来るので活用


NDWIの計算（３）● 計算結果は小数型

● 整数の方が取り回ししやすい● 整数になるように、計算を工夫

● 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（4）● 計算を実施し、表示


NDWIの計算（5）● 2002年4月、2011年4月のNDWIを計算

● コピペを活用


間違えた場合● ファイル→マップ管理→削除


NDVIの計算● 計算式は下の通り

● 2001年9月のNDVIを計算● 「ラスターマップの名前」にNDVI_200109

– バンドが違うだけ

NDVI=band4−band3band4+band3


津波前後のNDWIの比較


差分を計算● 出力ファイル名はDIFF_201104_200204


水田のNDWIとNDVIの比較


差分を計算● 出力ファイル名はSUM_200109_200406

● 差分といっても二時期の違いという意味


この二つの重複領域を算出

● ともに高い値を示す所を抽出


MASKの削除● また別のマスクを利用するため

● Cmdの欄に「r.mask -r」と入力


津波浸水域内の水田推定と市町村毎の面積推計


新しいマップセットの作成● LULCとして下さい

● 土地利用・被覆（Land Use and Land Cover）● mapset「INDEX」にアクセス出来るように


分類の手順

● これまでの計算結果を組みあわせ

水田湛水期水域マップ

SUM_201104_200406

NDWI_200406

水田域マップ

DIFF_201104_200204

津波浸水域マップ

津波浸水域内水田マップ

再分類

マスク再分類再分類

マップ演算


ラスタの再分類● ラスタの値に基づいて再分類を行う

● NDVI > 0.5 であれば緑地とか、NDWI > 0であれば水面など

● 「定義ファイルを利用した再分類」をクリック


水田湛水期水域の定義● 「再分類されるラスターマップ」を

「NDWI_200406@INDEX」、出力するラスタマップを「WATER_200406」


水田湛水期水域の定義(オプション)● オプションタブの「再分類ルールを含むファイ

ル」で「C:\GIS_GATA\script\water_reclass.txt」● 中身は右の通り


マスクの作成● 「WATER_200406」をマスクとして使用する


水田域マップ● 「再分類...」は

「SUM_200109_200406@INDEX」● 「出力..」は「PADYY_200406」● オプションの「再分類ルール...」は

「C:\GIS_GATA\script\paddy_reclass.txt」


分類結果

● 細かいノイズがあるものの大体上手くいってる● 再分類の値は実際は試行錯誤● クリックして値を確認→1のはず


津波浸水域マップ● 「再分類...」は

「DIFF_201104_200204@INDEX」● 「出力..」は「FLOOD_201104」● オプションの「再分類ルール...」は

「C:\GIS_GATA\script\flood_reclass.txt」


分類結果

● ちょっと誤分類が多い･･･。● クリックして値を確認→1のはず


津波浸水域内水田分布図● ラスタマップカルキュレーターを使用● 算術演算ではなく、論理演算● 作成するラスタ名は

「PADDY_FLOOD_201104」● マップ演算関数としてif(x, a)をクリック


if(x, a)の説明● 条件式xを満たした場合、aという値を取る

● この場合、「FLOOD_201104@LULC == 1」をまず入れる


if(x, a)の説明（２）● if(x, a)の「a」の部分には、if(x, a)が入ることも

出来る。● 「if(PADDY_200406@LULC ==1,1)」とする

● つまり「津波浸水域かつ水田域の場合に１」という式になる。


衛星画像と重ね合わせてみる● マスクを削除してから衛星画像と重ね合わせ

● マップセット作成でLANDSATも追加– 水域を除外し切れていない･･･


市町村毎の集計● GRASSを終了させ、「GRASS 6.4.SVN with MSYS」というアイコンから起動

● これまで使ってきた「GRASS 6.4 SVN」だと集計をするときにエラーが出るため。● 原因は調査します


起動画面● 英語になっていますが、基本的に同じ

● LULCを選択して起動● Layer Managerも英語ですが、各ウインドはある程度日本語化されています。


市町村データのコピー● 市町村データを「PERMANENT」から「LULC」に

コピーする● File → Manage maps and volumes → Copy

● 「コピーするvectファイル」で、● 「PERMANENT」内の「ana_area」を選択● 「area@PERMANENT,city_stats」と入力


注意！！● 「ana_area@PERMANENT,city_stats」のカンマ

の後にはスペースは入りません！● 「RUN」をクリック


市町村毎の統計● Vector → Update area attributes from raster● 「ベクトルポリゴン名」で「city_stats@LULC」● 「統計値...」で

「PADDY_FLOOD_201104@LULC」● 新しい属性列の列プレフィックスで「PF」

● この文字が各種集計値の頭につきます– 長すぎるとエラーが出るので注意！

● RUN


計算結果の確認● GIS Layer ManagerのCommand outputを選択● Query raster/vector Mapsを選択


計算結果の確認● ベクトルマップをクリックすると統計値が表示

● ただし、「面積」ではなく「カウント」


面積の計算● まず計算結果を出力する列を追加する

● Database → Vector database connections → Add columns

● 「属性...」で「city_stats@LULC」を選択、「新しい列名と...」に「PF_AREA INT」と入力、RUN


面積の計算（２）● 計算の実施

● Database → Vector database connections → Change values

● 「属性テーブル...」で「city_stats@LULC」を、「アップデートする列」で「PF_AREA」を選択


面積の計算（３）● 「Option」タブの「検索する列」に「PF_n * 90」と入力してRUN● 「PF_n」は対象セルの個数。LANDSATの画像のセ

ルの面積は90m2● クリックして確認


面積に基づく表示● 「Add various vector-based map layer」の

「Add thematic layer」をクリック


面積に基づく表示（２）● 「ベクトルマップ名」で「city_stats@LULC」、

「主題ディスプレイ...」で「PF_AREA」を選択● 色分けして表示されます（ただしQGISの方が良い

かと）


終了のさせ方● File → Exitを選択● クリーム色の画面で「exit」と入力


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– 見ての通り、水域とかも混ざってますし

● 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


FOSS4G Tokyo/Osakaのお知らせ● OSGeo.JP主催のイベント

● FOSS4G Tokyo 11/5～7● FOSS4G Osaka 11/9, 11～12

● 是非ご参加下さい！● 詳しくはWebで

– http://www.osgeo.jp


ご意見御質問などは● FOSS4G 分科会ML

● https://groups.google.com/group/gisa-foss4g?hl=ja

● 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● 午後に特別セッションがあるので、そちらにも！


ありがとうございました！

講師の連絡先e-mail: [email protected]

Twitter: @wata909

第20回gis学会grassハンズオン

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