2021/09/01 | 電子報No.0185期 | Hom 李宏君
你眼中的世界是長什麼樣子呢？最近拜讀了一篇關於特殊主題地圖繪製的文章Average colors of the world(註)覺得頗有創意，身為數據分析師的筆者Erin Davis用色塊的概念詮釋了這幅饒富藝術風格的世界地圖，國與國之間有如拼圖的效果般拼出一個完整的世界！從標題顧名思義，地圖的色塊顏色代表的就是區塊內的色彩平均值，實際上的做法是以國界圖資套疊了Sentinel-2衛星影像加以計算出的平均色作為每個國家的「代表色」，各位有沒有發現這跟我們幾年前發想的「印象派地圖」概念不謀而合呢！
註：本文部分圖片及內容引用自Average colors of the world，已獲得原作者授權使用
像這樣子形式的主題地圖不僅是追求視覺上的趣味性，透過色彩平均的概念更是直觀地反映出了地區的主要地貌特徵，從圖1我們第一眼就可以很明顯看到黃褐色的非洲地區國家，表示其國土地表大部分面積由岩層或泥沙所覆蓋，森林分布廣泛的國家則呈現深綠色；而長年冰封的南極大陸、格陵蘭島則為一片白茫茫。一如我們在衛星影像藝術家－印象派地圖華麗登場一文中所提到的，每個區塊包含的色彩值其實紀錄著重要的屬性資訊。
在實作上，Average color map當然也可以隨意調整為更細緻的呈現效果，筆者以美國本土為例，改以州(State)、郡(County)的行政區界作為展示的尺度，如此一來就不再只是單一的淺綠色塊，我們甚至可以清楚看到一片土黃色即為西部高原、峽谷等特殊地形的所在位置了。
各位圖粉是否開始覺得手癢想自己來動手做看看？在原文中筆者也非常大方公開詳細實作流程，分享如何以R搭配GDAL的程式語法，透過自動化向量前處理、批次下載Sentinel-2衛星影像並依行政區界切圖，以及色彩值計算等步驟快速實現主題圖的製作。如果您準備和我一樣一起跟著Erin的腳步入坑，建議在開始之前先在電腦上安裝QGIS與R，並準備Shapefiles格式的行政區域向量圖資(註)，若沒接觸過R也不需太過擔心，過程中僅需具備一點點初階的程式基礎即可，我們以台灣為例，一起來繪製一幅台灣的平均色地圖吧！
註：本文範例向量圖資採用RiChi電子地圖資料。
按目標行政區拆分Shapefiles
這裡針對台灣本島縣市作為主題地圖呈現的目標，第一步是根據縣市名稱的屬性欄位拆分(註)成19個獨立的Shapefiles檔案，如同GIS軟體中的Split By Attribute功能，利用每個獨立的縣市作為影像下載範圍的裁切依據。
註：在R中向量檔的讀取與匯出是使用read_sf、write_sf的function。
衛星影像下載與切圖
Sentinel-2衛星為歐洲太空總署(ESA)旗下的開源光學衛星，其影像圖資可由許多管道無償下載，而目前德國公司EOX IT Services GmbH更提供了全球無雲影像底圖(EOxCloudless)的免費WMS、WMTS服務供非商業介接使用，透過該服務給定各縣市Shapefiles的邊界四角坐標即可擷取該縣市內的三波段真實彩色(True Color)影像，作為RGB色彩值計算的依據。
*在R中st_bbox()可返回Shapefiles邊界矩形框的xmin, ymin, xmax和ymax。
根據縣市界Shapefiles，將上述衛星影像進行裁切，在此採用GDAL強大的地理空間資料函式庫，而QGIS開源地理資訊軟體本身即以此為核心進行影像網格及向量的處理，我們可直接在QGIS中進行操作，筆者更是佛心的提供了自動生成GDAL語法可方便於大量資料的批次裁切。
平均色彩值計算
只要計算裁切後影像的RGB平均值，並依據Shapefiles範圍給定顏色編碼即可匯出成果，平均色地圖就完成囉！順道一提，這邊筆者用了一個小技巧，直接將裁切後的影像resample成 1 pixel，可更方便計算出個別縣市的色彩值。
除了縣市以外，我們另外也使用鄉鎮市區的行政區用同樣的方法來產製，拼圖一下從19個縣市變為352個鄉鎮市區(統計至2021年台灣本島的行政區數量)，有點像解析度提升的概念，呈現的效果當然也更為細緻。可以很明顯看到人口聚集的西部顏色偏褐，從縣市尺度來看，六都涵蓋的山區面積比例反而較彰化、雲林等縣大，所以顏色也相對偏綠；但如果切換到鄉鎮市區尺度就可以很明顯看出都會區的位置了。
不論是「印象派地圖」抑或「平均色地圖」，中心思想其實都是透過影像色彩的簡約化來描述地表特徵，前者是以影像分割(Segmentation)萃取的自然輪廓界線(物件)作為單元，對於地上物特徵的量化有很好的表達，具備地物分類的實質功能；而本文以行政區作為分界線是我們平時都很熟悉的語意單位，配合上影像色彩的填充，讓我們對於地理資料有更直觀的視覺感受，雖然參考影像會因為時間上的差異而有所變化，這也意味著我們眼中的世界也是會隨著時間的變化而改變的。
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