Atsitiktinės atrankos taškai daugiakampio ribose R naudojant Terra

Atsitiktinės atrankos taškai daugiakampio ribose R naudojant Terra
Atsitiktinės atrankos taškai daugiakampio ribose R naudojant Terra
Alice Dupont
2024 m. gruodžio 23 d., pirmadienis 14:33:35

Veiksmingi didelių rastrų mėginių ėmimo būdai

Erdvinės analizės pasaulyje atrankos taškai tam tikrose ribose yra įprasta, bet kartais brangi užduotis. Tiems, kurie dirba su dideliais rastrais ir vektoriais, pvz., daugiakampiais didelėje srityje, šis iššūkis tampa dar ryškesnis. Anksčiau daugelis vartotojų naudodavosi apkarpyti rastrą į daugiakampio sluoksnį, tačiau didėjant duomenų dydžiui šis metodas gali greitai tapti neefektyvus ir imti daug išteklių. 🔍

Paimkime, pavyzdžiui, geoerdvinio analitiko, dirbančio su palydoviniais vaizdais ir žemės naudojimo duomenimis, atvejį. Jei užduotis apima taškų atranką dideliuose rastriniuose duomenų rinkiniuose atjungtų daugiakampių ribose, tradicinis kirpimo metodas gali atrodyti kaip vienintelis sprendimas. Tačiau naudojant didžiulius duomenų rinkinius, pvz., 10 GB arba 20 GB rastrai, iškirpimas gali labai vėluoti ir apkrauti apdorojimo galią. Kyla klausimas: ar yra efektyvesnis būdas šiam tikslui pasiekti? 🌍

Laimei, R programoje tokie įrankiai kaip Terra paketas yra alternatyva rastriniam karpymui. Naudojant sluoksnio ribas, galima atrinkti taškus daugiakampių dydžiu nekeičiant paties rastro. Šis metodas ne tik sutaupo laiko, bet ir sumažina atminties sąnaudas, todėl jis yra daug labiau pakeičiamas dideliems projektams. Naudodami šį metodą vis tiek galite užtikrinti, kad atsitiktiniai taškai patektų tik į norimus daugiakampius, neperkraunant sistemos. 💡

Šiame straipsnyje išnagrinėsime, kaip atlikti atsitiktinę atranką daugiakampio ribose naudojant Terra, supažindinsime jus su kodu ir paryškinsime pagrindinius veiksmus. Galų gale turėsite greitesnį ir efektyvesnį metodą, skirtą mėginių ėmimo taškams R, užtikrinant, kad jūsų geografinė analizė būtų tiksli ir nereikalaujanti išteklių. Taigi, pasinerkime į šį metodą ir pažiūrėkime, kaip galite padaryti mėginių ėmimo procesą daug sklandesnį ir efektyvesnį!

komandą Naudojimo paaiškinimas
rast() Ši funkcija iš paketo Terra naudojama rastriniam objektui įkelti į R. Ji būtina dirbant su dideliais rastriniais duomenų rinkiniais formatu, kurį galima analizuoti ir apdoroti. Pavyzdžiui, rast("large_raster.tif") įkelia rastrinius duomenis iš failo.
vect() Funkcija vect() yra Terra paketo dalis ir naudojama vektoriniams duomenims (pvz., shape failams) įkelti į R kaip erdvinius objektus. Pavyzdžiui, vect("polygons.shp") įkelia vektorinį failą su daugiakampiais, kurie bus naudojami kaip atrankos ribos.
ext() Ši funkcija grąžina erdvinio objekto (pvz., daugiakampio sluoksnio) apimtį. Apimtis apibrėžia daugiakampio sluoksnio ribinį langelį, kuris naudojamas nurodyti sritį, kurioje bus imami atsitiktiniai taškai. Pavyzdys: ext(daugiakampiai).
spatSample() Funkcija spatSample(), esanti Terra, naudojama taškams iš rastrinio objekto atrinkti tam tikru mastu arba daugiakampyje. Ši funkcija naudinga pasirenkant atsitiktinius taškus iš didelių rastrinių duomenų rinkinių, ypač kai nenorite nukirpti rastro. Pavyzdys: spatSample(rastriniai_duomenys, dydis = taškų_skaičius, ext = daugiakampio_ribos).
st_read() Iš sf paketo st_read() naudojamas vektoriniams duomenims (pvz., shape failams) nuskaityti į R kaip erdvines ypatybes. Tai būtina norint apdoroti ir analizuoti vektorinius duomenis, pvz., daugiakampių ribas. Pavyzdys: st_read("daugiakampiai.shp").
st_transform() Funkcija st_transform() naudojama erdviniams duomenims perprojektuoti į kitą koordinačių atskaitos sistemą (CRS). Tai labai svarbu norint užtikrinti, kad rastriniai ir vektoriniai duomenys būtų tinkamai sulygiuoti atsižvelgiant į erdvinę atskaitą prieš atliekant tokias operacijas kaip taškų atranka. Pavyzdys: st_transform(daugiakampiai, crs = crs(rastriniai_duomenys)).
st_bbox() st_bbox() grąžina sf objekto ribojantį langelį, kuris iš esmės yra objekto erdvinis plotas. Tai naudojama norint nurodyti sritį, kurioje bus imami atsitiktiniai taškai. Pavyzdys: st_bbox(polygons_sf).
st_sample() Ši funkcija generuoja atsitiktinius taškus duotame sf objekte (pvz., daugiakampyje). Taškai atsitiktinai paskirstomi pagal objekto geometriją, kuri šiuo atveju naudojama taškų atrankai daugiakampių ribose. Pavyzdys: st_sample(daugiakampiai_sf, dydis = taškų_skaičius).
plot() Funkcija plot() yra pagrindinė R funkcija, skirta erdviniams duomenims vizualizuoti. Šiame kontekste jis naudojamas rastrai, daugiakampiams ir atsitiktiniams taškams braižyti, kad būtų patikrinta, ar taškai yra teisingai atrinkti daugiakampio ribose. Pavyzdys: plot(atsitiktiniai_taškai, add = TRUE, col = "raudona").

Kaip veikia scenarijai: efektyvi atsitiktinė atranka daugiakampio ribose

Ankstesniuose pavyzdžiuose tikslas buvo efektyviai atrinkti atsitiktinius taškus rastrinio sluoksnio daugiakampio ribose, išvengiant didelių rastrų apkarpymo naštos. Ši užduotis ypač svarbi dirbant su dideliais duomenų rinkiniais atliekant erdvinę analizę, pvz., nuotolinio stebėjimo duomenis arba aplinkos modeliavimą. R pateiktas sprendimas, naudojant Terra ir sf paketus, leidžia mėginių ėmimo procesą vykti vektorinių daugiakampių, atstovaujančių konkrečias dominančias geografines sritis, ribose. Komanda rast() įkelia rastrinius duomenis į R, leidžiant manipuliuoti ir imti mėginius iš tikrųjų nekeičiant pradinio rastro, užtikrinant, kad procesas išliktų efektyvus net ir naudojant didelius failus.

Pirmasis svarbus scenarijaus veiksmas apima naudojimą ext () funkcija iš Terra paketo, kad išskirtų daugiakampio duomenų apimtį. Tai suteikia ribojantį langelį, iš esmės stačiakampį langą, kuris apibrėžia sritį, kurioje turėtų būti imami atsitiktiniai taškai. Pavyzdžiui, nagrinėjant žemės naudojimą, mastas atspindėtų regiono geografines ribas, pvz., miško plotą ar miestą. Iš daugiakampių gautas ribotuvas užtikrina, kad būtų pasirinkti tik taškai šiuose iš anksto apibrėžtuose regionuose, todėl analizė yra specifinė ir prasminga. Šis metodas taip pat taupo skaičiavimo galią, nes nebereikia karpyti paties rastro.

The spatSample() tada funkcija naudojama atsitiktiniams taškams iš rastro atrinkti, remiantis apibrėžtomis daugiakampio ribomis. Funkcija leidžia mums nurodyti tikslų daugiakampių, kuriuose turi atsirasti taškai, apimtį, taip užtikrinant, kad pavyzdys būtų erdviškai apribotas dominančiomis sritimis. Pavyzdžiui, jei daugiakampiai žymi skirtingus miško plotus dideliame nacionaliniame parke, atsitiktiniai taškai pateks tik į šias miško sritis, vengiant regionų, esančių už daugiakampio ribų, pavyzdžiui, vandens telkinių ar miesto teritorijų. Taip užtikrinama, kad mėginys būtų tikslus ir atitinkamas analizei, be nereikalingo duomenų manipuliavimo ar atminties naudojimo.

Antrasis sprendimas, kuriame yra sf paketas, pristato st_read() ir st_transform() funkcijas. Šios komandos leidžia vektorinius duomenis nuskaityti į R kaip erdvines ypatybes. Pavyzdžiui, st_read() naudojamas importuoti Shape failą, kuriame yra daugiakampiai, apibrėžiantys atrankos sritis. Po to, st_transform() funkcija užtikrina, kad daugiakampių koordinačių atskaitos sistema (CRS) atitiktų rastrinių duomenų sistemą. Šis lygiavimas yra labai svarbus norint tiksliai paimti mėginius, nes dėl nesutampančių CRS gali atsirasti klaidų arba neteisingai išdėstyti taškus. Pavyzdžiui, jei daugiakampio duomenys yra kitoje projekcijoje nei rastro, atrankos taškai gali būti už numatytos srities ribų. Pakeitus KRS, sprendimas tampa tvirtesnis ir universalesnis, nepaisant įvesties duomenų projekcijos.

Galiausiai, st_sample() funkcija iš sf paketo naudojama atsitiktiniams taškams daugiakampiuose generuoti. Ši funkcija yra gana galinga, nes ji gerbia daugiakampių geometriją ir užtikrina, kad taškai būtų erdviškai paskirstyti tinkamose ribose. Aplinkos stebėsenos kontekste, jei tyrinėtumėte biologinę įvairovę skirtingose ​​ekosistemose, galite naudoti šią funkciją atsitiktiniams miško lopšelių taškams atrinkti, kurie vėliau būtų naudojami tolesnei analizei, pvz., augmenijos tyrimams ar dirvožemio mėginiams imti. Šių optimizuotų komandų derinys suteikia tvirtą ir efektyvų atsitiktinės atrankos metodą daugiakampio ribose, todėl tai yra esminis įrankis dirbant su dideliais rastriniais ir vektoriniais duomenų rinkiniais R. 🌍

Atsitiktinis taškų atranka daugiakampio ribose naudojant Terra R

Šis metodas naudoja R programavimo kalbą kartu su Terra paketu – galingu rastrinių ir vektorinių duomenų erdvinės analizės įrankiu. Metodu siekiama atsitiktinai atrinkti taškus, esančius kelių atjungtų daugiakampių ribose, nereikalaujant rastrinio iškirpimo, užtikrinant geresnį našumą dirbant su dideliais duomenų rinkiniais.

library(terra)
# Load raster and polygon data
raster_data <- rast("large_raster.tif")
polygons <- vect("polygons.shp")

# Get the extents of polygons
polygon_bounds <- ext(polygons)

# Generate random points within polygon bounds
num_points <- 1000
random_points <- spatSample(raster_data, size = num_points, ext = polygon_bounds)

# Plot the results
plot(raster_data)
plot(polygons, add = TRUE)
plot(random_points, add = TRUE, col = "red")
# End of code

Optimizuotas sprendimas naudojant erdvinį indeksavimą siekiant efektyvumo

Šiame sprendime vėl naudojama R programavimo kalba, tačiau pabrėžiamas erdvinis indeksavimas, naudojant sf paketą efektyvesniam taškų atrankai. Šis metodas ypač naudingas dirbant su labai dideliais duomenų rinkiniais, kur našumas yra labai svarbus.

library(terra)
library(sf)

# Load raster and polygon data
raster_data <- rast("large_raster.tif")
polygons <- st_read("polygons.shp")

# Use spatial indexing for polygons
polygons_sf <- st_transform(polygons, crs = crs(raster_data))
polygon_bounds <- st_bbox(polygons_sf)

# Randomly sample points using the bounding box of polygons
num_points <- 500
random_points <- st_sample(polygons_sf, size = num_points)

# Plot the results
plot(raster_data)
plot(polygons_sf$geometry, add = TRUE)
plot(random_points, add = TRUE, col = "blue")
# End of code

Pagrindinių komandų, naudojamų atsitiktiniam taškiniam atrankai R, paaiškinimas

Žemiau yra lentelė, kurioje aprašomos kai kurios ankstesniuose pavyzdžiuose naudotos klavišų R komandos. Šios komandos yra labai svarbios norint efektyviai atrinkti atsitiktinius taškus daugiakampių ribose, daugiausia dėmesio skiriant našumo optimizavimui ir erdvinei analizei.

Daugiakampio ribose esančių taškų atsitiktinės atrankos optimizavimas

Atsitiktinių taškų atrinkimas tam tikrose daugiakampio ribose dideliuose rastriniuose duomenų rinkiniuose gali būti sudėtinga užduotis. Tradiciškai naudotojai nukirpdavo rastrą naudodami daugiakampius ir atrinkdavo taškus iš nukirptų duomenų. Nors šis metodas veikia, jis reikalauja daug išteklių ir neefektyvus dirbant su dideliais rastriniais failais, ypač nuotolinio stebėjimo ar aplinkos modeliavimo metu. Patobulinus erdvinės analizės paketus, tokius kaip Terra ir sf R, atsirado labiau optimizuotas metodas. Užuot iškirpę, galime imti mėginius tiesiai daugiakampio ribose, sumažindami nereikalingą duomenų apdorojimą ir atminties naudojimą. Šis metodas panaudoja daugiakampių ribojimo langelį, kad būtų apribota sritis, kurioje imami atsitiktiniai taškai, ir tai suteikia efektyvesnį ir keičiamo dydžio sprendimą.

Naudodami funkciją spatSample() iš paketo Terra, vartotojai gali tiesiogiai atrinkti atsitiktinius rastro taškus daugiakampio ribose. Funkcija leidžia vartotojui nurodyti taškų skaičių ir apimtį (t. y. ribinį langelį), kuriame bus imtasi. Tai pašalina poreikį manipuliuoti visu rastru, taip taupant apdorojimo laiką ir sistemos atmintį. Taip pat užtikrinama, kad atrinkti taškai reprezentuotų daugiakampius, o tai labai svarbu atliekant tokius tyrimus kaip žemės dangos klasifikavimas arba buveinių analizė, kai reikia analizuoti tik konkrečias sritis. Pavyzdžiui, atliekant ekologinius tyrimus, mėginių ėmimas gali būti apribotas miško plotais, išskyrus vandens telkinius ar miesto zonas, todėl analizė būtų tikslingesnė ir prasmingesnė.

Kitas svarbus aspektas yra tai, kaip sf paketą galima naudoti kartu su Terra paketu vektoriniams duomenims apdoroti. Funkcijos st_transform() ir st_sample() leidžia tinkamai sulygiuoti vektorinių ir rastrinių duomenų rinkinius, transformuojant daugiakampių projekciją, kad ji atitiktų rastro koordinačių atskaitos sistemą (CRS). Šis veiksmas yra labai svarbus norint tiksliai imti taškų atranką, nes dėl nesutampančių projekcijų gali atsirasti atrankos klaidų. Tinkamai sulygiavus vektorinius duomenis, daugiakampiuose galima atrinkti atsitiktinius taškus naudojant st_sample(). Šis metodas ypač naudingas dirbant su daugiakampio formos failais ar kitais erdvinių vektorių formatais, siūlantis labiau integruotą ir išsamesnį erdvinių duomenų analizės sprendimą. 🌲

Dažnai užduodami klausimai apie atsitiktinę atranką daugiakampio ribose

  1. How do I randomly sample points from a raster within specific polygon bounds?
  2. Galite naudoti spatSample() funkcija iš Terra paketo R, kad atrinktų atsitiktinius taškus daugiakampio ribose. Nurodykite rastrinį objektą, taškų skaičių ir daugiakampio ribas kaip atrankos apimtį.
  3. What is the benefit of using the bounding box of polygons for random sampling?
  4. Naudojant daugiakampių ribojantį langelį, atsitiktinė atranka apribojama konkrečiomis geografinėmis dominančiomis sritimis, todėl analizė tampa tinkamesnė ir sumažinamas nereikalingas didelių rastrinių duomenų rinkinių skaičiavimas.
  5. Can I use the sf package to sample random points within polygon bounds?
  6. Taip, sf paketas R leidžia skaityti vektorinius duomenis (pvz., Shape failus), transformuoti jų koordinačių sistemas naudojant st_transform(), tada imkitės taškų naudodami st_sample() funkcija.
  7. Why is it important to align the coordinate systems of the raster and vector data?
  8. Koordinačių sistemų derinimas naudojant st_transform() užtikrina, kad ir rastro, ir daugiakampio duomenys būtų toje pačioje projekcijoje, užkertant kelią nesutapimui taško atrankos proceso metu ir užtikrinami tikslūs rezultatai.
  9. What other functions are useful when working with random point sampling in R?
  10. Kitos naudingos funkcijos apima rast() rastriniams duomenims įkelti, ext() gauti daugiakampio apimtį ir plot() vizualizuoti atrinktus taškus rastro ir daugiakampio ribų viršuje.
  11. How do I visualize the random points on a raster?
  12. Galite naudoti plot() funkcija, rodanti rastrį, daugiakampio ribas ir atrinktus taškus. Tai būtina norint patikrinti, ar taškai patenka į numatomą sritį.
  13. Is random sampling within polygon bounds applicable to other spatial analysis tasks?
  14. Taip, atsitiktinė atranka daugiakampių ribose plačiai naudojama aplinkos modeliavimui, buveinių vertinimui, žemės dangos klasifikavimui ir net miestų planavimui, siekiant užtikrinti, kad mėginiai būtų imami tik dominančiomis vietomis, tokiomis kaip miškai, pelkės ar žemės ūkio zonos.
  15. Can I sample points across multiple disconnected polygons?
  16. Taip, aprašyti metodai gali atrinkti taškus keliuose atjungtuose daugiakampiuose. Daugiakampio sluoksnyje gali būti keli atskiri daugiakampiai, o taškai bus atrinkti kiekviename iš jų, atsižvelgiant į jų ribas.
  17. What are the performance benefits of avoiding raster clipping?
  18. Vengiant rastrinio iškirpimo žymiai sumažėja atminties naudojimas ir skaičiavimo apkrova, ypač dirbant su dideliais duomenų rinkiniais. Tiesioginis mėginių ėmimas iš rastro daugiakampio ribose pašalina poreikį apdoroti ir saugoti didelius tarpinius nukirptus duomenų rinkinius.
  19. Can I control the density of sampled points within the polygons?
  20. Taip, galite valdyti atrinktų taškų skaičių, nurodydami dydžio parametrą spatSample() funkcija arba reguliuoti taškų skaičių st_sample() funkcija, priklausomai nuo jūsų analizei reikalingo tankio.
  21. What happens if the raster and polygon layers have different resolutions?
  22. Jei rastro ir daugiakampio sluoksnių skiriamoji geba skiriasi, gali tekti iš naujo paimti rastrą, kad jis atitiktų daugiakampio skiriamąją gebą, arba pakoreguoti atrankos tankį, kad būtų užtikrintas dviejų duomenų rinkinių suderinamumas.

Šiame straipsnyje aptariami metodai atsitiktinė atranka taškų iš didelių rastrinių duomenų rinkinių konkrečiame daugiakampyje ribas. Duomenų rinkiniams augant, tradiciniai kirpimo metodai gali būti neveiksmingi, todėl naudoti paketus, pvz Terra siūlo optimizuotą sprendimą. Mėginių ėmimas tiesiai daugiakampio ribose padeda sutrumpinti apdorojimo laiką ir atmintis naudojimas, todėl jis efektyvesnis atliekant erdvinės analizės užduotis, pvz., aplinkos modeliavimą 🌍.

Optimizuotas didelių duomenų rinkinių atrankos metodas:

Galimybė atrinkti taškus daugiakampio ribose dideliuose rastriniuose duomenų rinkiniuose yra esminis įgūdis kiekvienam, dirbančiam su R erdviniais duomenimis. Terra paketą, galime optimizuoti taškų mėginių ėmimo procesus, kad jie būtų greitesni ir efektyvesni. Tiesioginis rastrinių duomenų atrinkimas be iškirpimo užtikrina efektyvų išteklių panaudojimą, ypač atliekant didelės apimties analizę 🌿.

Apibendrinant galima pasakyti, kad atsitiktinė atranka daugiakampių ribose, naudojant optimizuotus metodus, padeda valdyti didelius duomenų rinkinius, tuo pačiu užtikrinant patikimus rezultatus. Naudojant tokius paketus Terra ir sf, mokslininkai gali išvengti kirpimo neefektyvumo ir lengvai atlikti sudėtingas erdvines užduotis. Svarbiausias dalykas yra tai, kad atliekant geoerdvinę analizę sprendžiant didelius duomenis, tikslumas ir efektyvumas gali žengti koja kojon.

Šaltiniai ir nuorodos
  1. Suteikia įžvalgų apie Terra paketas, naudojamas erdvinei analizei ir atsitiktiniam taškinių mėginių ėmimui R. Daugiau informacijos rasite oficialioje Terra dokumentacijoje adresu „Terra“ paketo dokumentacija .
  2. Aptaria bendrą rastrinių duomenų atsitiktinės taško atrankos sampratą ir jos pritaikymą geografinėse informacinėse sistemose (GIS). Sužinokite daugiau šiame išsamiame straipsnyje apie atsitiktinės atrankos būdus adresu GIS salonas .