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  1. 2021.01.24 [R 지리공간 데이터 분석] 레스터 데이터 (Raster Data)

지리적 레스터 데이터 (geographic raster data) 는 일반적으로 (a) 레스터 헤더(raster header)(b) 행렬 (matrix)로 구성이 됩니다.

- (a) 레스터 헤더 (raster header): 좌표 참조 시스템(CRS, Coordinate Reference System), 시작점(the origin)과 범위 (the extent)를 정의함
- (b) 행렬 (matrix): 동일한 크기의 픽셀 또는 셀(pixel, or cell)을 표현. 픽셀 ID(pixel IDs)와 픽셀 값(pixel values).


보통 행렬의 시작점(the origin, or starting point)은 행렬의 좌측 하단 구석에 위치한 좌표를 의미하는데요, R의 raster 패키지의 레스터 헤더에서는 시작점의 기본값으로 좌측 상단 구석에 위치한 좌표를 시작점으로 사용하므로 주의가 필요합니다.

레스터 헤더에서 범위 (the extent) sms 행의 개수, 열의 개수, 셀의 크기 해상도로 정의합니다. 각각의 셀에 접근하거나 수정하려면 시작점(the origin)으로 부터의 셀 ID를 사용하거나 또는 명시적으로 행과 열을 지정하면 됩니다.

레스터 데이터의 행렬 표현법은 각 셀의 네 개 구석의 좌표를 명시적으로 저장하지 않으며, 대신 시작점(the origin)만 저장하고 나머지는 시작점으로부터의 행과 열의 ID를 가지고 각 셀에 접근하는 방식이므로 벡터 데이터 표현과 비교해서 상대적으로 효율적이고 속도가 빠릅니다. (예: 벡터 사각형 폴리곤의 경우 각 셀별로 5개 점의 좌표를 저장해야 함.) 하지만 벡터 데이터의 각 도형별로 여러개의 값을 가질 수 있는 반면에, 레스터 데이터의 경우 각 셀별로 하나의 값만을 가질 수 있습니다.

 

 

[레스터 데이터 유형 (1) 셀 ID (Cell IDs), (2) 셀 값 (Cell Values) ]

 

 

지리공간 벡터 데이터 처리 및 분석에 sf 패키지를 사용했었는데요, 레스터 데이터 처리 및 분석은 R raster 패키지를 사용합니다. 

spDataLarge 패키지에 내장되어 있는 미국 유타지역의 Zion 국립공원 지역의 레스터 샘플 데이터를 raster() 함수를 사용해서 불러오고, 레스터 데이터의 속성정보들을 살펴보겠습니다. 혹시 raster, spDataLarge, rgdal 패키지를 사전에 설치하지 않았다면 install.packages() 로 패키지를 먼저 설치해주세요.

raster() 함수로 불러온 레스터 데이터셋 이름 'srtm_raster' 을 입력해주면 클래스(class) 차원(dimentions), 해상도(resolution), 범위(extent), 좌표 참조 시스템 (Coordinates Reference System), 출처(Source), 이름(names), 최소/최대 값(min, max values) 속성 정보를 볼 수 있습니다.

 

# =================================
# R GeoSpatial Data Analysis 
# Raster Data using raster package
# =================================

library(raster)
library(spDataLarge)

install.packages("rgdal")
library(rgdal)

## raster dataset from the spDataLarge package, 
## a few raster objects and one vector object covering an area of the Zion National Park (Utah, USA).
raster_filepath = system.file("raster/srtm.tif", package = "spDataLarge")
srtm_raster = raster(raster_filepath)
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          
srtm_raster
# class      : RasterLayer 
# dimensions : 457, 465, 212505  (nrow, ncol, ncell)
# resolution : 0.0008333333, 0.0008333333  (x, y)
# extent     : -113.2396, -112.8521, 37.13208, 37.51292  (xmin, xmax, ymin, ymax)
# crs        : +proj=longlat +datum=WGS84 +no_defs 
# source     : /Library/Frameworks/R.framework/Versions/4.0/Resources/library/spDataLarge/raster/srtm.tif 
# names      : srtm 
# values     : 1024, 2892  (min, max)

 

 

이들 레스터 데이테의 속성 정보에 함수를 사용해서 일일이 접근이 가능합니다. 먼저, 좌표 참조 시스템(Coordinate Reference System, CRS)는 crs() 함수를 통해 확인할 수 있습니다.

 

## crs() : coordinate reference system
crs(srtm_raster)
# CRS arguments: +proj=longlat +datum=WGS84 +no_defs

 

 

dim() 함수는 레스터 데이터의 차원인 행의 개수(number of rows), 열의 개수 (number of columns), 층의 개수 (number of layers)를 한꺼번에 볼 수 있게 해줍니다. 

ncol() 은 열의 개수, nrow() 는 행의 개수, nlayers() 는 층의 개수를 개별적으로 접근할 수 있는 함수입니다.

 

## dim() : number of rows, columns and layers
dim(srtm_raster)
# [1] 457 465   1


nrow(srtm_raster)
# [1] 457

ncol(srtm_raster)
# [1] 465

nlayers(srtm_raster)
# [1] 1

 

 

ncell() 함수는 레스터 데이터의 전체 셀의 개수 (number of cells, or pixels) 를 알려주며, 이는 (셀의 개수 = 행의 개수 X 열의 개수) 를 의미합니다.

res() 함수는 레스터 데이터의 공간 해상도 (the raster's spatial resolution)를 나타냅니다.

 

## ncell() : number of cells (pixels) = number of rows * number of columns
ncell(srtm_raster)
# [1] 212505


## res() : the raster's spatial resolution
res(srtm_raster)
# [1] 0.0008333333 0.0008333333

 

 

extent() 함수는 공간의 x와 y 좌표의 최소, 최대값의 범위를 나타냅니다. 

반면에 summary() 함수는 각 셀의 특성 값의 분위수값과 평균의 요약 통계량을 나타냅니다.

 

## extent() : spatial extent
extent(srtm_raster)
# class      : Extent 
# xmin       : -113.2396 
# xmax       : -112.8521 
# ymin       : 37.13208 
# ymax       : 37.51292


## summary() : Summary of the values of a Raster* object (quartiles and mean)
summary(srtm_raster)
# srtm
# Min.    1024
# 1st Qu. 1535
# Median  1837
# 3rd Qu. 2115
# Max.    2892
# NA's       0
# Warning message:
# In .local(object, ...) :
# summary is an estimate based on a sample of 1e+05 cells (47.06% of all cells)

 

 

inMemory() 함수는 레스터 데이터가 메모리에 저장되어 있는지 (기본 설정), 아니면  디스크에 저장되어 있는지를 확인할 때 사용합니다. (블리언 반환)

 

## inmemory() : whether the raster data is stored in memory (the default) or on disk
inMemory(srtm_raster)
# [1] FALSE

 

 

 

레스터 데이터를 시각화하는데는 여러개의 패키지와 함수가 있는데요, 가장 기본적으로 쉽고 빠르게 시각화하는 방법은 plot() 함수를 사용하는 것입니다.

 

## plotting
plot(srtm_raster, main = 'basic raster plot')

 

[ Reference ]

* Raster data: https://geocompr.robinlovelace.net/spatial-class.html#raster-data

 

 

이번 포스팅이 많은 도움이 되었기를 바랍니다.

행복한 데이터 과학자 되세요!  :-)

 

 

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Posted by Rfriend

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