gis03

GRASSを用いた地理情報システム入門（第３回）

目　　　　次　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　３-２．データベースの構造
　　３-３．データファイル形式
　　　３-３-１．ラスター型データ
　　　３-３-２．ベクトル型データ
　　　３-３-３．サイト型データ
　　　３-３-４．イメージ型データ
　　３-４．領域とマスク
まとめ（３）

第３回目

　第３回目の講義です．今回はGRASSのデータベース構造とデータファイルの形式について説明します．

　実習ではGRASSの基本操作を引き続き説明します（チュートリアルのＢを行ないます）．

３-２．データベースの構造

　GRASSのデータベースは，通常Unixで利用されている階層型のディレクトリー構造をそのまま用いています．基本的なディレクトリはGISDBASE/LOCATION/MAPSETという３段階になっています．通常，利用者が操作するのはMAPSET以下のディレクトリです．

GISDBASE：GRASSのデータベースのトップレベル（最上位）のディレクトリーはGISDBASEと呼ばれています．利用者がGRASSに入る時は，まず，このディレクトリーを指定します．

LOCATION：GISDBASEの下のサブディレクトリーとして地域名を指定します．LOCATION（地域名）は地域ごとに独立したデータベースの名称です．すべてのデータベース検索と修正はこのLOCATION内に限定されます（同時に多数のLOCATIONをGRASSから呼び出すことはできません）．

MAPSET：LOCATIONの更に下にサブディレクトリーMAPSETがあります．利用者が選んだMAPSETは現在使用しているMAPSETとして記憶され，コマンドの実行前にLOCATIONとセットで表示されます．データベースへの変更は，指定したMAPSETのみにおいて可能となります．MAPSETのデータは利用者固有のものですが，誰でも読めます．読めないようにするには，ファイルのpermissionsをUnixのコマンド等（例えば，chmodコマンド等）で指定しなければなりません（注意が必要な場合があります）．なお，各LOCATIONの中には，すべての利用者が利用可能なPERMANENTとよばれる基本的なデータを含んでいる特別なMAPSETが必要です．

MAPSETの構造：MAPSETはそれぞれのデータベース要素（Elements）としてファイルやサブディレクトリーを持ちます．これらの要素は次のようなものです．

SEARCH_PATH：MAPSETのパス（ディレクトリー名）を指定したアスキー形式のファイルです．

WIND：現在の地域の設定情報が入ったファイルです．このファイルは，MAPSET作成時に自動的に作られ，GRASSのg.region コマンドにより修正されます．

GROUP：利用者がグループ（イメージ形式ファイル参照）として指定した画像名を記録します．これは，GRASSのイメージ機能により利用します．

Element（要素）：GRASSの中で用いられる要素（実際のデータ・属性等が保存されているディレクトリー名）です．要素のリストの一部を以下に示します．

　各要素はMAPSETが作られた時点では必ずしも存在しません．コマンドやアプリケーションによって必要に応じて自動的に作られます（自分で作成しなければならない場合もあります）．MAPSETの実際のデータはこれらのElement（要素）の下にあります．

PERMANENT：LOCATIONは必ずPERMANENTというMAPSETを持っています．PERMANENTはMAPSETの１つで，変更してはならないラスターやベクトルのファイル，例えばベースマップなどを保存しておくのに利用します．また，PERMANENTの中にMYNAMEとDEFAULT_WINDという２つの特別なファイルが含まれています．その２つは，通常のGRASSのコマンドでは修正されません．MYNAMEはLOCATIONの説明等を含む１行のアスキー形式のファイルです．DEFAULT_WINDはLOCATIONの領域の標準設定値（デフォルト値）が入っています．これらのファイルは，新しくMAPSETを作ったときに自動的に作成され（内容は自分が指定したもの），WINDの初期化等に使います．また，LOCATIONの標準設定として利用者が使用することができます．

データベースの利用ルール：GRASSのデータベースへの利用者からのアクセスはMAPSETレベルごとに制御されており，次の３つの簡単な規則があります:

・利用者がMAPSETディレクトリーの所有者である場合に限り，そのMAPSETを選ぶことができる．

・GRASSが動作している現在のMAPSET中のみファイルの作成，あるいは修正が許される．

・MAPSET中のすべてのファイルは，UNIXのファイルpermissionsによって禁止されないかぎり，誰にでも読める．

SEARCH_PATH：通常，利用者が利用するデータファイルは現在のMAPSETにあります．しかし，ユーザーが他の既存のデータファイルを指定した時は，データベースはファイルを見つけ出すためにサーチ（検索）をしなくてはならない場合もあります．例えば，もし利用者が既存する“SOILS”というラスター地図を利用したいときは，システムは“SOILS”と名付けられたラスターファイルを探すために，種々のMAPSETデータベースを見なければなりません．利用者がMAPSETのSEARCH_PATHを設定することにより，探すMAPSETを指定することができます．SEARCH_PATHは単にMAPSETのリストです．それぞれのMAPSETが順に調べられ，そしてその中で見つかった最初の“SOILS”というラスターファイルが表示されるようになります．このように利用者がSEARCH_PATHを設定することで，他の利用者のMAPSETのデータもアクセスすることができます．このファイルはg.mapsetsコマンドによって追加・修正等をします．

Unixのファイルの利用許可（File Permissions）：GRASSが作成するファイルは，一般にそのユーザーに対してはread（読む）/write（書く）が可能，ほかの人に対してはreadのみ可能です．ディレクトリーはユーザーにはread/write/search（探す）が可能で，他の人にはread/searchが可能です．つまり，先ほど説明したように，これはすべての利用者が他の誰のデータファイルでも読むことができることを意味します．MAPSET中のすべてのファイルへの許可は，GRASSのg.accessコマンドを用いてMAPSETディレクトリーの上で，readとsearchの許可を取り去る，あるいは付加することによって制御できます．もし，readとsearchの許可を取り去ったならば，他の利用者は現在の利用者のMAPSETにあるファイルを読むことができなくなります．

３-３．データファイル形式

　GRASSのデータファイル形式は基本的に，ラスター型データ，ベクトル型データ，サイト型データ，イメージデータグループなどに分けられます．ここでは，これらの各データ形式のデータ構造およびファイルの内容について簡単に説明します．

３-３-１．ラスター型データ

　GRASSのラスター型データは各格子セルの属性値あるいは数値を示すマトリックスとして，ラスターファイルに保存されます（整数型はディレクトリcellの下，実数型はディレクトリfcellの下）．それぞれの格子セルは，長方形（一般的には正方形のほうが解析には便利）で土地をパッチ状に覆うものと考えます．属性値はカテゴリー番号と呼ばれる値が割り当てられます．

　それぞれのラスター型データに対する色々なサポートファイルがあります．サポートファイルは，すべてラスターファイル名と同じ名前がつけられており，それぞれはMAPSETの下にある別のディレクトリーに存在します．これらのディレクトリーとそれらの機能を以下に示します．

　GRASSのラスターデータファイルの物理的な構造はuncompressed, compressed,およびreclassedの３つのフォーマットの中の１つをとることができます．

・Uncompressed フォーマット：非圧縮型で，ラスターファイルには，実際に（行）×（桁）のマトリックスのデータが入っています．それぞれのバイト（あるいは，多バイトデータであればバイトセット）がラスター地図レイヤーの１セルを表します．物理的なファイルの大きさは，行×列×(byte/セル) バイトです．

・Compressed フォーマット：圧縮型で，非常に大きなディスク容量を使用するラスターファイルを保存するために用いられます．圧縮はラン-レングス変換（run-length encording）により行われます．ラン-レングス変換とは，同じデータ値の連続をその”値”と”連続する数”の２つで示すことによって，圧縮する方法です．

・Reclass レイヤー：Reclassレイヤーは，直接的なデータを含んでいませんが，参照する地図レイヤーのカテゴリーを再分類表に沿って再分類し，ほかの地図レイヤーとして参照できるようにします．reclassファイルはそれ自身，直接的なデータを持っていません．reclass情報は，ラスターヘッダーファイルに保存されます．

サポートファイル：ヘッダー(Header)，カテゴリー(category)，カラーテーブル(color table)ファイルなどから構成されます．これらのフォーマットと意味を以下に示します．

ヘッダーファイル（cellhd）：下に示したような，ラスターファイルの領域・分解能・データのサイズ等を記述しています．

カテゴリーファイル（cats）：ラスターファイルの名前，カテゴリ値（番号）とカテゴリーの名前の対応を記述しています．

カラーテーブルファイル（colr）：ラスターファイルのカテゴリーとそれを表示するための色の対応を記述しています．

なお，実数型は整数型に加えて多くのサポートファイルが必要ですので注意してください．GRASSのバージョンの上位に向っては互換性がありますが，下位に向っては互換性がありません．なお，GRASS4.Xで作成したファイルは（GRASS5.0でも，そのままでも使える場合がありますが），r.supportコマンドにより，GRASS5.0の形式に更新して下さい．

実数型に必要なサポートファイル：実数型には上記のサポートファイル以外に，フォーマット（f_format)，レンジ（範囲；f_range），変換ルール（f_quant），ヌル(null)などのファイルがあります．これらは，cell_miscディレクトリーの下のラスターファイル名のディレクトリーの下に，それぞれ保存されています．

これらの意味を以下に簡単に示します．

・f_format（フォーマット）：実数型データのフォーマットを定義しています．

・f_range（レンジ；範囲）：実数型データの最大値と最小値を記述しています．

・f_quant（変換ルール）：実数型データを整数型に変換する際の方法を記述しています．

・null（ヌル)：ヌル値のフラグを記述しています．

３-３-２．ベクトル型データ

　GRASSのベクトル型データは，arcs（アーク；弧）と呼ばれる非交差曲線からなるarc-node表現法で保存されています．arcはxy座標のペアの連続として保存され，１つのarcの２つの終端点は，node（ノード；節）と呼ばれています．２つの連続したxyのペアがarcの各セグメントを示します．

　arcは，１つ，または結合した他との組み合わせで，より高度な地図要素であるline（ライン；線（例えば，道路あるいは河川))，あるいはarea（エリア；領域（例えば農地)）を形成します．線的な形（linear feature)を形成するarcは，line（線)と呼ばれ，そして，area（領域）の輪郭となるarcはarea edge（領域境界線），あるいはarea line（領域線）と呼ばれています．

　それぞれの線や領域には，カテゴリー番号と呼ぶ整数の属性値が割り当てられます．ベクトル型データの情報は多くのデータファイルに分けられて保存されます．１つのベクトル地図レイヤーを構成するファイルはすべて同じ名前を持ち，それぞれはMAPSETの下の異なったディレクトリー（要素element）に保存されます．これらのディレクトリー（要素）とその機能（function）を以下に示します．

実際に使われるarcの情報は，digディレクトリにバイナリー形式のファイルとして保存されます．ASCIIフォーマットで表現したものはdig_asciiディレクトリに保存されます．データはヘッダー部分とデータ部分の２つから構成されます．ヘッダー部分にはベクトルデータの諸情報（作成者・作成日時・スケール・領域等）を示しています．このヘッダー部分のフォーマットを次に示します：

　arcの情報は，このヘッダーに続いています．それぞれのarcは形の記載とそれに続く一連のxy座標のペアより表現されます．形の記載部分は

　　arcのタイプ（A：領域境界,あるいは，L：線）＋点の数

の２つで示します（例えば，3点からなる線はL 3，5点から構成される領域は，A 5など）．そして，実際のxy座標点が次に続きます（以下は，UTM座標系の例です）．

ベクトルカテゴリー属性ファイル（dig_att）：ベクトル地図レイヤーにおけるそれぞれの線や領域に，それぞれカテゴリー番号を割り当てます．dig_attはASCII形式のファイルで，各線や領域に関してそれぞれ，座標マーカーとカテゴリー番号を指定したつぎのようなものです．

　座標マーカーとはdigファイルにおける線や領域を特定するために用いられます．そのためには，線や領域をユニークに識別できるような位置を示していなければなりません．特に，領域（A）の座標マーカーは領域の内部になければなりません．また，線（L）の座標マーカーは，線を確実に示す座標でなければならず（他の線との交点ではだめ），かつ，node（節；端点）を指定してはいけません．

　このdig_attファイルに記載されていない線や領域は，unlabeled（ラベルなし）として取り扱われます．注意しなければならないのは，ベクトル→ラスター変換などを行う際に，ラベルなしの領域はカテゴリーゼロとして変換され，また，ラベルなしの線は無視されます．

カテゴリーラベルファイル（dig_cats）：各カテゴリー値（番号）にカテゴリー名をラベルとして付けます．記述方法やフォーマット形式はラスターのカテゴリーファイルと同じです．

３-３-３．サイト型データ

　点のデータはsite list（サイト(位置)リスト），あるいはsite file（サイト(位置)ファイル）と呼ばれ，ASCII形式でファイルに保存されます．サイトファイルはデータベース要素（ディレクトリー）のsite_listsの下に保存されます．サイト型データファイルの例を示します．

３-３-４．イメージ型データ

　人工衛星などによって撮影されたデジタル画像データ（リモートセンシング画像）やイメージスキャーナによってデジタル化された航空写真などは，各セルの情報を波長帯（バンド）ごとなどに分けファイル化し，多バンド（マルチバンド）ファイルとして構成されることが一般的です．例えば，ランドサットのTMデータはバンド１からバンド７までに分けられています．この様な多バンドの画像は同じ領域で同じ分解能を持つなど，値以外は同じであることが多いために，それらをまとめて１つのグループとして取り扱うと便利です．このためのデータ形式にラスター型データをグループとして取り扱うイメージ型データ（GROUP）があります．画像は個々は通常のラスター型データですが，グループとして扱うことにより，画像データの入力，位置合わせや統計解析等を行う場合に有効です．

３-４．領域とマスク

　GRASSにはデータの表示や解析などを行う区域を限定するためのREGION（領域）およびMASK（マスク）という２つのメカニズムがあります．利用者はREGIONで長方形の区域を限定し，さらにオプションとしてMASKによって，その領域内でのセルレベルの取り扱い領域を制限でます．

　REGIONとMASKは利用者の現在使用しているMAPSETの下に保存されます．GRASSのプログラムは自動的にそのREGIONの中のデータだけを表示・検索・計算します．さらに，MASKが設定されていれば，MASKの範囲だけに処理は限定されます．

　REGIONはコマンドg.regionやd.zoomを用いることによって設定され，設定内容はMAPSET中のWINDファイルに記述されます．また，このファイルは，単に地理的な領域境界だけでなく，セルの解像度等も指定できます．

　MASKは，r.maskコマンドにより設定できます．MASKはラスター型データの特殊なファイルであり，他のラスターファイルを読む時に，不透明なフィルターとなります．MASKが設定されていると，図14に示したように，MASK中でNo-data（データなし，カテゴリー値０）となっているセルは，もとの実際の値にかかわらずデータなし（null；図中では０）に対応づけられます．逆に，データあり（カテゴリー値１）となっているセルは，もとの値通りに対応づけます．このことにより，様々な形で取り扱う領域を限定することが可能となります．