Earth Engine תומך בטרנספורמציות של מערכי נתונים, כמו טרנספוזיציה, טרנספורמציה הפוכה וטרנספורמציה פסאודו-הפוכה. לדוגמה, נניח שאנחנו משתמשים ברגרסיה רגילה של הריבועים הקטנים ביותר (OLS) על סדרה זמנית של תמונות. בדוגמה הבאה, תמונה עם פסים של גורמים חזויים ותגובה הופכת לתמונה של מערך, ולאחר מכן מתבצעת 'פתרון' כדי לקבל אומדנים של גורמי חזויים של ריבועים קטנים בשלוש דרכים. קודם צריך לאסוף את נתוני התמונה ולהמיר אותם למערכים:
Code Editor (JavaScript)
// Scales and masks Landsat 8 surface reflectance images. function prepSrL8(image) { // Develop masks for unwanted pixels (fill, cloud, cloud shadow). var qaMask = image.select('QA_PIXEL').bitwiseAnd(parseInt('11111', 2)).eq(0); var saturationMask = image.select('QA_RADSAT').eq(0); // Apply the scaling factors to the appropriate bands. var opticalBands = image.select('SR_B.').multiply(0.0000275).add(-0.2); var thermalBands = image.select('ST_B.*').multiply(0.00341802).add(149.0); // Replace the original bands with the scaled ones and apply the masks. return image.addBands(opticalBands, null, true) .addBands(thermalBands, null, true) .updateMask(qaMask) .updateMask(saturationMask); } // Load a Landsat 8 surface reflectance image collection. var collection = ee.ImageCollection('LANDSAT/LC08/C02/T1_L2') // Filter to get only two years of data. .filterDate('2019-04-01', '2021-04-01') // Filter to get only imagery at a point of interest. .filterBounds(ee.Geometry.Point(-122.08709, 36.9732)) // Prepare images by mapping the prepSrL8 function over the collection. .map(prepSrL8) // Select NIR and red bands only. .select(['SR_B5', 'SR_B4']) // Sort the collection in chronological order. .sort('system:time_start', true); // This function computes the predictors and the response from the input. var makeVariables = function(image) { // Compute time of the image in fractional years relative to the Epoch. var year = ee.Image(image.date().difference(ee.Date('1970-01-01'), 'year')); // Compute the season in radians, one cycle per year. var season = year.multiply(2 * Math.PI); // Return an image of the predictors followed by the response. return image.select() .addBands(ee.Image(1)) // 0. constant .addBands(year.rename('t')) // 1. linear trend .addBands(season.sin().rename('sin')) // 2. seasonal .addBands(season.cos().rename('cos')) // 3. seasonal .addBands(image.normalizedDifference().rename('NDVI')) // 4. response .toFloat(); }; // Define the axes of variation in the collection array. var imageAxis = 0; var bandAxis = 1; // Convert the collection to an array. var array = collection.map(makeVariables).toArray(); // Check the length of the image axis (number of images). var arrayLength = array.arrayLength(imageAxis); // Update the mask to ensure that the number of images is greater than or // equal to the number of predictors (the linear model is solvable). array = array.updateMask(arrayLength.gt(4)); // Get slices of the array according to positions along the band axis. var predictors = array.arraySlice(bandAxis, 0, 4); var response = array.arraySlice(bandAxis, 4);
import ee import geemap.core as geemap
Colab (Python)
import math # Scales and masks Landsat 8 surface reflectance images. def prep_sr_l8(image): # Develop masks for unwanted pixels (fill, cloud, cloud shadow). qa_mask = image.select('QA_PIXEL').bitwiseAnd(int('11111', 2)).eq(0) saturation_mask = image.select('QA_RADSAT').eq(0) # Apply the scaling factors to the appropriate bands. optical_bands = image.select('SR_B.').multiply(0.0000275).add(-0.2) thermal_bands = image.select('ST_B.*').multiply(0.00341802).add(149.0) # Replace the original bands with the scaled ones and apply the masks. return ( image.addBands(optical_bands, None, True) .addBands(thermal_bands, None, True) .updateMask(qa_mask) .updateMask(saturation_mask) ) # Load a Landsat 8 surface reflectance image collection. collection = ( ee.ImageCollection('LANDSAT/LC08/C02/T1_L2') # Filter to get only two years of data. .filterDate('2019-04-01', '2021-04-01') # Filter to get only imagery at a point of interest. .filterBounds(ee.Geometry.Point(-122.08709, 36.9732)) # Prepare images by mapping the prep_sr_l8 function over the collection. .map(prep_sr_l8) # Select NIR and red bands only. .select(['SR_B5', 'SR_B4']) # Sort the collection in chronological order. .sort('system:time_start', True) ) # This function computes the predictors and the response from the input. def make_variables(image): # Compute time of the image in fractional years relative to the Epoch. year = ee.Image(image.date().difference(ee.Date('1970-01-01'), 'year')) # Compute the season in radians, one cycle per year. season = year.multiply(2 * math.pi) # Return an image of the predictors followed by the response. return ( image.select() .addBands(ee.Image(1)) # 0. constant .addBands(year.rename('t')) # 1. linear trend .addBands(season.sin().rename('sin')) # 2. seasonal .addBands(season.cos().rename('cos')) # 3. seasonal .addBands(image.normalizedDifference().rename('NDVI')) # 4. response .toFloat() ) # Define the axes of variation in the collection array. image_axis = 0 band_axis = 1 # Convert the collection to an array. array = collection.map(make_variables).toArray() # Check the length of the image axis (number of images). array_length = array.arrayLength(image_axis) # Update the mask to ensure that the number of images is greater than or # equal to the number of predictors (the linear model is solvable). array = array.updateMask(array_length.gt(4)) # Get slices of the array according to positions along the band axis. predictors = array.arraySlice(band_axis, 0, 4) response = array.arraySlice(band_axis, 4)
שימו לב ש-arraySlice()
מחזירה את כל התמונות בסדרת הזמן עבור טווח האינדקסים שצוין לאורך bandAxis
(הציר 1). בשלב הזה אפשר להשתמש באלגברה של מטריצות כדי למצוא את המקדמים של OLS:
Code Editor (JavaScript)
// Compute coefficients the hard way. var coefficients1 = predictors.arrayTranspose().matrixMultiply(predictors) .matrixInverse().matrixMultiply(predictors.arrayTranspose()) .matrixMultiply(response);
import ee import geemap.core as geemap
Colab (Python)
# Compute coefficients the hard way. coefficients_1 = ( predictors.arrayTranspose() .matrixMultiply(predictors) .matrixInverse() .matrixMultiply(predictors.arrayTranspose()) .matrixMultiply(response) )
השיטה הזו פועלת, אבל היא לא יעילה וקשה לקרוא את הקוד. דרך טובה יותר היא להשתמש ב-method pseudoInverse()
(matrixPseudoInverse()
לתמונה של מערך):
Code Editor (JavaScript)
// Compute coefficients the easy way. var coefficients2 = predictors.matrixPseudoInverse() .matrixMultiply(response);
import ee import geemap.core as geemap
Colab (Python)
# Compute coefficients the easy way. coefficients_2 = predictors.matrixPseudoInverse().matrixMultiply(response)
מבחינת קריאוּת ויעילות חישובית, הדרך הטובה ביותר לקבל את המקדמים של OLS היא solve()
(matrixSolve()
לתמונה של מערך). הפונקציה solve()
קובעת איך לפתור את המערכת בצורה הטובה ביותר על סמך המאפיינים של הקלטות, באמצעות פסאודו-הופכי למערכות עם יותר משוואות מאשר משתנים, הופכי למטריצות ריבועיות ושיטות מיוחדות למטריצות כמעט חד-ערכיות:
Code Editor (JavaScript)
// Compute coefficients the easiest way. var coefficients3 = predictors.matrixSolve(response);
import ee import geemap.core as geemap
Colab (Python)
# Compute coefficients the easiest way. coefficients_3 = predictors.matrixSolve(response)
כדי לקבל תמונה עם כמה תדרים, מקרינים את תמונת המערך למרחב בעל מימדים נמוכים יותר, ואז משטחים אותה:
Code Editor (JavaScript)
// Turn the results into a multi-band image. var coefficientsImage = coefficients3 // Get rid of the extra dimensions. .arrayProject([0]) .arrayFlatten([ ['constant', 'trend', 'sin', 'cos'] ]);
import ee import geemap.core as geemap
Colab (Python)
# Turn the results into a multi-band image. coefficients_image = ( coefficients_3 # Get rid of the extra dimensions. .arrayProject([0]).arrayFlatten([['constant', 'trend', 'sin', 'cos']]) )
בודקים את הפלט של שלוש השיטות ומבחינים שמטריצת המקדמים שמתקבלת היא זהה ללא קשר לפותר. העובדה ש-solve()
גמיש ויעיל הופכת אותו לאפשרות טובה לבניית מודלים לינאריים למטרות כלליות.