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PIE-Engine实践篇|巧用map算子提高效率

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PIE-Engine 遥感云计算平台上集成了海量遥感数据、强大的算力和丰富的算子,使得大规模尺度长时间序列的遥感数据分析可以在线快速完成,其中一大利器便是map算子。本期我们来详细介绍map算子的作用,它和传统for循环的区别,以及如何巧用map算子优化代码,提高计算效率。

一、 map算子的作用

map算子是我们在云计算平台上处理影像时常用的算子,可以对集合(List、FeatureCollection、ImageCollection)中的每一个元素进行操作,操作完成返回的结果仍是一个集合对象。以FeatureCollection调用map算子为例,其基本形式如下:

var featureCol = pie.FeatureCollection('NGCC/CHINA_PROVINCE_BOUNDARY');

var featureColNew = featureCol.map(function (feature) {

var geometry = feature.geometry();

var featureNew = pie.Feature(geometry.centroid());

return featureNew;

})

上述代码取出featureCol 中的每一个feature,然后求取各feature的几何中心,得到一个新的矢量集合-featureColNew。

二、map算子和for循环的区别

当然,有些map操作用传统的for/while循环也可以实现,但二者在计算机制上有本质区别,for循环是在前端控制变量的循环,且是顺序执行代码,效率比较慢,一般在PIE-Engine里很少用。而map则是在后台服务器上直接作用于集合中的元素进行循环操作,执行效率很快,相当于“并行执行任务”, 但在map里一般不再用 print、Map、Export 以及Reducer等方法。下面分别对比在集合中使用map算子和for循环的不同之处。

针对List中的每个元素进行循环计算

//对List中的每个元素加1,采用map算子

var list1 = pie.List([1,2,3,2]);

var list2 = list1.map(function (value) {

return pie.Number(value).add(1);

});

print("list2",list2);

输出结果:


//对List中的每个元素加1,采用for循环

var list1 = pie.List([1,2,3,2]);

var list2 = [];

for(var i = 0;i

list2.push(pie.Number(list1.get(i)).add(1).getInfo());

}

print("list2",list2);

输出结果:


List集合调用map算子后便可直接作用于其中的元素,而采用for循环则还需要增加诸多限制,才能实现相同的功能。

针对FeatureCollection中的每个Feature进行循环计算

利用中国省级行政区划矢量数据计算每个省的面积,分别采用map算子和for循环进行计算。

(1)取FeatureCollection中的每个元素并计算其面积,采用map算子:

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var featureCol = pie.FeatureCollection().load('NGCC/CHINA_PROVINCE_BOUNDARY');

var featureColNew = featureCol.map(function (feature) {

var name = feature.get("name");

var geometry = feature.geometry();

var area = geometry.area().divide(1000000);

feature = feature.set("name",name);

feature = feature.set("area",area);

return feature;

})

var result = featureColNew.reduceColumns(pie.Reducer.toList(2),["name","area"]);

print("result",result);

Map.addLayer(featureCol,,"featureCol");

Map.setCenter(118,39.7,3);

代码链接:

https://engine.piesat.cn/engine-share/shareCode.html?id=cbe5f4f5efca4b5faa8344b0ab325c04

采用map算子获取中国各省的面积

(2)取FeatureCollection中的每个元素并计算其面积,采用for循环:

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var featureCol = pie.FeatureCollection().load('NGCC/CHINA_PROVINCE_BOUNDARY');

print(featureCol)

for(i = 0; i

var name = featureCol.getAt(i).get("name");

var geometry = featureCol.getAt(i).geometry();

var area = geometry.area().divide(1000000);

print(name,area);

}

Map.addLayer(featureCol,,"featureCollection");

Map.setCenter(118,39.7,3);

代码链接:

https://engine.piesat.cn/engine-share/shareCode.html?id=4198d136975841269e367aec1ae47e70

运行结果:

▲for循环输出各省面积

上述代码采用map算子,2秒即可出结果,而for循环则需要40秒,等待时间较长,从而体现map算子的优势。

针对ImageCollection中的每个Image进行循环计算

(1)取ImageCollection中的每个元素计算NDVI,采用map算子:

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var featureCol = pie.FeatureCollection().load('NGCC/CHINA_PROVINCE_BOUNDARY');

var beijing = featureCol.filter(pie.Filter.eq("name", "北京市"));

var bjGeo = beijing.getAt(0).geometry();

var visParams = ;

Map.addLayer(beijing, visParams, "北京市");

Map.centerObject(beijing, 6);

var imageCol = pie.ImageCollection("LC08/01/T1")

.filterDate("2019-12-01", "2019-12-31")

.filterBounds(bjGeo);

print("imageCol", imageCol);

var imageColNDVI = imageCol.map(function (image) {

// NDVI计算

var img_Nir = image.select("B5");

var img_Red = image.select("B4");

var img_NDVI = img_Nir.subtract(img_Red).divide(img_Nir.add(img_Red)).rename("NDVI");

return image.addBands(img_NDVI);

});

print("imageColNDVI", imageColNDVI);

//NDVI绘制样式

var visParamNDVI = {

min: -0.2,

max: 0.8,

palette: 'CA7A41, CE7E45, DF923D, F1B555, FCD163, 99B718, '+

'74A901, 66A000, 529400,3E8601, 207401, 056201, 004C00,'+

'023B01, 012E01, 011D01, 011301'

};

var imageNDVI = imageColNDVI.select("NDVI").mosaic().clip(bjGeo);

Map.addLayer(imageNDVI, visParamNDVI, "Layer_NDVI");

代码链接:

https://engine.piesat.cn/engine-share/shareCode.html?id=4ec895ce6e3b411daab877713ca81f45

输出结果:


(2)取ImageCollection中的每个元素计算NDVI,采用for循环:

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var featureCol = pie.FeatureCollection().load('NGCC/CHINA_PROVINCE_BOUNDARY');

var beijing = featureCol.filter(pie.Filter.eq("name", "北京市"));

var bjGeo = beijing.getAt(0).geometry();

var visParams = { color: "ff0000ff", fillColor: "00000000" };

Map.addLayer(beijing, visParams, "北京市");

Map.centerObject(beijing, 6);

var imageCol = pie.ImageCollection("LC08/01/T1")

.filterDate("2019-8-01", "2019-8-30")

.filterBounds(bjGeo);

print("imageCol", imageCol);

var newCol=[];

for (i = 0; i

var image = imageCol.getAt(i);

var img_Nir = image.select("B5");

var img_Red = image.select("B4");

var img_NDVI = img_Nir.subtract(img_Red).divide(img_Nir.add(img_Red))

.rename("NDVI");

image = image.addBands(img_NDVI);

newCol.push(image);

}

var newImageCol=pie.ImageCollection().fromImages(newCol);

print("newImageCol", newImageCol);

//NDVI绘制样式

var visParamNDVI = {

min: -0.2,

max: 0.8,

palette: 'CA7A41, CE7E45, DF923D, F1B555, FCD163, 99B718, ' +

'74A901, 66A000, 529400,3E8601, 207401, 056201, 004C00,' +

'023B01, 012E01, 011D01, 011301'

};

var imageNDVI = newImageCol.select("NDVI").mosaic().clip(bjGeo);

Map.addLayer(imageNDVI, visParamNDVI, "Layer_NDVI");

代码链接:

https://engine.piesat.cn/engine-share/shareCode.html?id=ef81bdf97c8d45809c3101f5f8dee4c4

上述代码采用map算子和for循环的计算时间基本相同, 但在使用for循环时要重新构造一个存放新的image集合的数组,并在循环结束后重新构造一个由这些image组成的ImageCollection,在步骤上较为复杂。

因此,在遥感云计算平台中,涉及到对集合中的每个元素进行操作时,推荐使用map算子,快速且便利。但前述提到,在map算子中不宜再用 print、Map、Export 以及Reducer等方法,如果需要对集合中的每个元素进行统计操作,则可用for循环代替,以下代码展示了使用for循环统计北京各城区提取的建筑区面积:

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var chn = pie.FeatureCollection('NGCC/CHINA_PROVINCE_BOUNDARY');

var beijing = chn.filter(pie.Filter.eq("name", "北京市"));

var bjGeo = beijing.getAt(0).geometry();

var chn2 = pie.FeatureCollection('NGCC/CHINA_COUNTY_BOUNDARY');

var beijing2 = chn2.filter(pie.Filter.eq("cname", "北京市"));

var bjGeo2 = beijing2.getAt(0).geometry();

Map.centerObject(beijing, 7)

var visParams = { color: "ff0000ff", fillColor: "00000000" };

Map.addLayer(beijing, visParams, "北京市边界");

Map.addLayer(beijing2, visParams, "北京市各区");

function rmCloud(image) {

var qa = image.select("BQA");

var cloudMask = qa.bitwiseAnd(1

return image.updateMask(cloudMask);

}

var l8 = pie.ImageCollection("LC08/01/T1")

.filterDate("2020-7-1", "2020-8-30")

.filterBounds(bjGeo)

.select(["B2", "B3", "B4", "B5", "B6", "BQA"])

.map(rmCloud);

//计算用到的指数

function imgCalculate(image) {

var green = image.select("B3");

var red = image.select("B4");

var nir = image.select("B5");

var swir1 = image.select("B6");

var ndvi = (nir.subtract(red)).divide(nir.add(red)).rename("NDVI");

var mndwi = green.subtract(swir1)

.divide(green.add(swir1))

.rename("MNDWI");

return image.addBands(ndvi).addBands(mndwi);

}

var imgCol = l8.map(imgCalculate)

.mean()

.clip(bjGeo);

Map.addLayer(imgCol, { min: 0, max: 3000, bands: ["B4", "B3", "B2"] }, "imgCol");

var ndvi = imgCol.select("NDVI");

var nonVeg = imgCol.updateMask(ndvi.lte(0.6));

Map.addLayer(nonVeg, { min: 0, max: 3000, bands: ["B4", "B3", "B2"] }, "nonVeg");

var mndwi = imgCol.select("MNDWI");

var nonVegWater = nonVeg.updateMask(mndwi.lte(0.3));

Map.addLayer(nonVegWater, { min: 0, max: 3000, bands: ["B4", "B3", "B2"] }, "nonVegWater");

var nonVegWater2 = nonVegWater.select("B2").gt(0);

Map.addLayer(nonVegWater2, { min: 0, max: 1, palette: "ff0000" }, "nonVegWater2");

var areaImage = nonVegWater2.pixelArea().multiply(nonVegWater2.gt(0));

var area = areaImage.reduceRegion(pie.Reducer.sum(), bjGeo, 30);

print("北京市建筑用地面积(单位:平方千米): ", pie.Number(area.get("constant")).divide(1000000));

var newFeatures = [];

for (var i = 0; i

var temp = nonVegWater2.clip(beijing2.getAt(i).geometry());

var areaImg = temp.pixelArea().multiply(temp.gt(0));

var area = areaImg.reduceRegion(pie.Reducer.sum(), beijing2.getAt(i).geometry(), 30);

newFeatures.push(beijing2.getAt(i).set("area", area.get("constant")));

}

beijing2 = pie.FeatureCollection(newFeatures);

print("beijing2",beijing2);

var result = beijing2.reduceColumns(pie.Reducer.toList(2), ["name", "area"]);

print("result", result);

代码链接:

https://engine.piesat.cn/engine-share/shareCode.html?id=bf885222bf584f33aaa96c2a0093c03d

输出结果:


三、巧用map算子,提高计算效率

map算子带来便利的同时,也将大量的计算转移给了后台计算服务。通常我们在影像处理时会计算多个指数,单个指数的计算公式通常会写成函数的形式方便调用。多个map算子共同使用时,相当于多次循环,所涉及到的运算量也很大,怎样使用map算子才能优化计算逻辑,提高计算效率呢?

下面以去云后计算裸土指数BSI、改进的归一化差异水体指数MNDWI、增强型的裸土指数EBSI、建筑用地指数NDBI等4个指数的计算为例,来说明如何在代码级别进行优化来减少计算量从而提高计算效率。

方法1,将每个指数的计算单独写成函数,在筛选完影像后依次用map算子调用:


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var chn = pie.FeatureCollection('NGCC/CHINA_PROVINCE_BOUNDARY');

var beijing = chn.filter(pie.Filter.eq("name", "北京市"));

var bjGeo = beijing.getAt(0).geometry();

Map.centerObject(beijing, 7)

var visParams = { color: "ff0000ff", fillColor: "00000000" };

Map.addLayer(beijing, visParams, "北京市边界");

//去云

function rmCloud(image) {

var qa = image.select("BQA");

var cloudMask = qa.bitwiseAnd(1

return image.updateMask(cloudMask);

}

//裸土指数BSI: [(B06 + B04)-(B05 + B02)]/[(B06 + B04)+(B05 + B02)]

function BSI(image) {

var nir = image.select("B5");

var swir1 = image.select("B6");

var red = image.select("B4");

var blue = image.select("B2");

var bsi = (swir1.add(red).subtract(nir.add(blue)))

.divide(swir1.add(red).add(nir.add(blue)));

return image.addBands(bsi.rename("BSI"));

}

//改进的归一化差异水体指数MNDWI: (B03 - B06)/(B03 + B06)

function MNDWI(image) {

var mndwi = image.select("B3").subtract(image.select("B6"))

.divide(image.select("B3").add(image.select("B6")))

return image.addBands(mndwi.rename("MNDWI"));

}

//增强型的裸土指数EBSI:(BSI - MNDWI)/(BSI + MNDWI)

function EBSI(image) {

var mndwi = image.select("MNDWI");

var bsi = image.select("BSI");

var ebsi = (bsi.subtract(mndwi)).divide(bsi.add(mndwi));

return image.addBands(ebsi.rename("EBSI"));

}

//建筑用地指数NDBI: (B06 - B05)/(B06 + B05)

function NDBI(image) {

var ndbi = image.select("B6").subtract(image.select("B5"))

.divide(image.select("B6").add(image.select("B5")))

return image.addBands(ndbi.rename("NDBI"));

}

//加载Landsat 8影像数据集合

var imgColl8 = pie.ImageCollection("LC08/01/T1")

.filterDate("2020-4-1", "2020-4-30")

.filterBounds(bjGeo)

.select(["B2", "B3", "B4", "B5", "B6", "B7", "BQA"])

.map(rmCloud)

.map(BSI)

.map(MNDWI)

.map(EBSI)

.map(NDBI)

.mean()

.clip(bjGeo);

print("imgColl8",imgColl8);

Map.addLayer(imgColl8, { min: 0, max: 3000, bands: ["B4", "B3", "B2"] }, "imgCol1");

Map.addLayer(imgColl8.select("BSI"), { min: -0.2, max: 0.2 }, "BSI");

Map.addLayer(imgColl8.select("NDBI"), { min: -0.2, max: 0.2 }, "NDBI");

Map.addLayer(imgColl8.select("MNDWI"), , "MNDWI");

Map.addLayer(imgColl8.select("EBSI"), { min: 0, max: 1 }, "EBSI");

代码链接:

https://engine.piesat.cn/engine-share/shareCode.html?id=402cadc45985400c8650620b9d93bad9

上述代码共调用了5次map算子,相当于对筛选后的影像进行了5次遍历,除去云操作外,每一次都是对每景影像进行波段运算完后添加计算后的指数,将大量的算力消耗在了重复读取和写入上,输出计算结果用时85秒,完整显示用时135秒。

依次调用多个map计算每个指数

方法2,将去云及指数运算封装成一个函数,在筛选完影像后仅用map算子调用一次:


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var chn = pie.FeatureCollection('NGCC/CHINA_PROVINCE_BOUNDARY');

var beijing = chn.filter(pie.Filter.eq("name", "北京市"));

var bjGeo = beijing.getAt(0).geometry();

Map.centerObject(beijing, 7)

var visParams = { color: "ff0000ff", fillColor: "00000000" };

Map.addLayer(beijing, visParams, "北京市边界");

var imgColl8 = pie.ImageCollection("LC08/01/T1")

.filterDate("2020-4-1", "2020-4-30")

.filterBounds(bjGeo)

.select(["B2", "B3", "B4", "B5", "B6", "B7", "BQA"]);

//影像处理函数

function imgCalculate(image) {

var qa = image.select("BQA");

var cloudMask = qa.bitwiseAnd(1

image = image.updateMask(cloudMask);

var blue = image.select("B2");

var green = image.select("B3");

var red = image.select("B4");

var nir = image.select("B5");

var swir1 = image.select("B6");

var bsi = (swir1.add(red).subtract(nir.add(blue)))

.divide(swir1.add(red).add(nir.add(blue)))

.rename("BSI");

var mndwi = green.subtract(swir1)

.divide(green.add(swir1))

.rename("MNDWI");

var ebsi = (bsi.subtract(mndwi)).divide(bsi.add(mndwi))

.rename("EBSI");

var ndbi = swir1.subtract(nir)

.divide(swir1.add(nir))

.rename("NDBI");

return image.addBands(mndwi).addBands(bsi).addBands(ebsi)

.addBands(ndbi);

}

imgColl8 = imgColl8.map(imgCalculate).mean().clip(bjGeo);

print("imgColl8", imgColl8);

Map.addLayer(imgColl8, { min: 0, max: 3000, bands: ["B4", "B3", "B2"] }, "imgCol1");

Map.addLayer(imgColl8.select("BSI"), { min: -0.2, max: 0.2 }, "BSI");

Map.addLayer(imgColl8.select("NDBI"), { min: -0.2, max: 0.2 }, "NDBI");

Map.addLayer(imgColl8.select("MNDWI"), , "MNDWI");

Map.addLayer(imgColl8.select("EBSI"), { min: 0, max: 1 }, "EBSI");

代码链接:

https://engine.piesat.cn/engine-share/shareCode.html?id=ce08fdb1cca147acb6ae6da7629fb49f

将指数计算封装到一个函数中调用

上述代码仅调用了1次map算子,对筛选后的影像进行了去云操作以及4个指数波段的添加,仅需对每景影像读取写入一次,大大节省了算力,只用8秒即可输出结果并完整显示,相比于方法1,计算速度提升近10倍。

学会了这种思路后,平常我们在编写代码时,注意将计算过程优化,就可以提高计算效率,减少等待时间。

 

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