查询栅格数据集合创建输入清单文件编写处理作业脚本创建 ScriptProcessor 实例可视化结果

`ScriptProcessor`用于使用卫星数据计算归一化差异植被指数 (NDVISentinel-2)

以下代码示例向您展示了如何使用 Studio Classic 笔记本中专门构建的地理空间图像计算特定地理区域的归一化差异植被指数，以及如何使用 P SageMaker ython SDK 使用 Ama SageMaker zon Processing 运行大规模工作ScriptProcessor负载。

此演示还使用了使用地理空间内核和实例类型的 Amazon SageMaker Studio Classic 笔记本实例。要了解如何创建 Studio Classic 地理空间笔记本实例，请参阅使用地理空间图像创建 Amazon SageMaker Studio Classic 笔记本。

您可以在自己的笔记本实例中通过复制和粘贴以下代码片段来完成此演示：

search_raster_data_collection用于使用特定的栅格数据集合查询给定时间范围内的特定感兴趣区域 (AOI) Sentinel-2。
创建一个清单文件，指定在处理作业期间将处理哪些数据。
编写一个计算 NDVI 的数据处理 Python 脚本。
创建ScriptProcessor实例并启动 Amazon SageMaker 处理任务。
可视化处理作业的结果。

使用 `SearchRasterDataCollection` 查询 Sentinel-2 栅格数据集合

使用 search_raster_data_collection 可以查询支持的栅格数据集合。此示例使用从Sentinel-2卫星提取的数据。指定的感兴趣区域 (AreaOfInterest) 是爱荷华州北部的农村地区，时间范围 (TimeRangeFilter) 是 2022 年 1 月 1 日至 2022 年 12 月 30 日。要查看 Amazon Web Services 区域中可用的栅格数据集合，请使用 list_raster_data_collections。要查看使用此 API 的代码示例，请参阅ListRasterDataCollections《Amazon SageMaker 开发者指南》。

在以下代码示例中，您将使用与Sentinel-2栅格数据采集关联的 ARN。arn:aws:sagemaker-geospatial:us-west-2:378778860802:raster-data-collection/public/nmqj48dcu3g7ayw8

search_raster_data_collection API 请求需要两个参数：

您需要指定与要查询的栅格数据集合相对应的 Arn 参数。
您还需要指定一个接受 Python 字典的 RasterDataCollectionQuery 参数。

下面的代码示例包含保存到 search_rdc_query 变量的 RasterDataCollectionQuery 参数所需的必要键值对。


search_rdc_query = {
    "AreaOfInterest": {
        "AreaOfInterestGeometry": {
            "PolygonGeometry": {
                "Coordinates": [[
                    [
              -94.50938680498298,
              43.22487436936203
            ],
            [
              -94.50938680498298,
              42.843474642037194
            ],
            [
              -93.86520004156142,
              42.843474642037194
            ],
            [
              -93.86520004156142,
              43.22487436936203
            ],
            [
              -94.50938680498298,
              43.22487436936203
            ]
               ]]
            }
        }
    },
    "TimeRangeFilter": {"StartTime": "2022-01-01T00:00:00Z", "EndTime": "2022-12-30T23:59:59Z"}
}

要提出search_raster_data_collection请求，必须指定Sentinel-2栅格数据集合的 ARN：。arn:aws:sagemaker-geospatial:us-west-2:378778860802:raster-data-collection/public/nmqj48dcu3g7ayw8还必须传入前面定义的 Python 字典，该字典指定查询参数。


## Creates a SageMaker Geospatial client instance 
sm_geo_client= session.create_client(service_name="sagemaker-geospatial")

search_rdc_response1 = sm_geo_client.search_raster_data_collection(
    Arn='arn:aws:sagemaker-geospatial:us-west-2:378778860802:raster-data-collection/public/nmqj48dcu3g7ayw8',
    RasterDataCollectionQuery=search_rdc_query
)

无法对此 API 的结果进行分页。要收集 search_raster_data_collection 操作返回的所有卫星图像，可以实现 while 循环。这将在 API 响应中检查 NextToken：


## Holds the list of API responses from search_raster_data_collection
items_list = []
while search_rdc_response1.get('NextToken') and search_rdc_response1['NextToken'] != None:
    items_list.extend(search_rdc_response1['Items'])
    
    search_rdc_response1 = sm_geo_client.search_raster_data_collection(
    	Arn='arn:aws:sagemaker-geospatial:us-west-2:378778860802:raster-data-collection/public/nmqj48dcu3g7ayw8',
        RasterDataCollectionQuery=search_rdc_query, 
        NextToken=search_rdc_response1['NextToken']
    )

API 响应会返回 Assets 键下与特定图像波段对应的 URL 列表。以下是 API 响应的截断版本。为了清晰起见，删除了一些图像波段。


{
	'Assets': {
        'aot': {
            'Href': 'https://sentinel-cogs.s3.us-west-2.amazonaws.com/sentinel-s2-l2a-cogs/15/T/UH/2022/12/S2A_15TUH_20221230_0_L2A/AOT.tif'
        },
        'blue': {
            'Href': 'https://sentinel-cogs.s3.us-west-2.amazonaws.com/sentinel-s2-l2a-cogs/15/T/UH/2022/12/S2A_15TUH_20221230_0_L2A/B02.tif'
        },
        'swir22-jp2': {
            'Href': 's3://sentinel-s2-l2a/tiles/15/T/UH/2022/12/30/0/B12.jp2'
        },
        'visual-jp2': {
            'Href': 's3://sentinel-s2-l2a/tiles/15/T/UH/2022/12/30/0/TCI.jp2'
        },
        'wvp-jp2': {
            'Href': 's3://sentinel-s2-l2a/tiles/15/T/UH/2022/12/30/0/WVP.jp2'
        }
    },
    'DateTime': datetime.datetime(2022, 12, 30, 17, 21, 52, 469000, tzinfo = tzlocal()),
    'Geometry': {
        'Coordinates': [
            [
                [-95.46676936182894, 43.32623760511659],
                [-94.11293433656887, 43.347431265475954],
                [-94.09532154452742, 42.35884880571144],
                [-95.42776890002203, 42.3383710796791],
                [-95.46676936182894, 43.32623760511659]
            ]
        ],
        'Type': 'Polygon'
    },
    'Id': 'S2A_15TUH_20221230_0_L2A',
    'Properties': {
        'EoCloudCover': 62.384969,
        'Platform': 'sentinel-2a'
    }
}

在下一节中，您将使用 API 响应中的 'Id' 键创建清单文件。

使用 `search_raster_data_collection` API 响应中的 `Id` 键创建输入清单文件

运行处理作业时，必须指定来自 Amazon S3 的数据输入。输入数据类型可以是清单文件，然后清单文件指向各个数据文件。您也可以为要处理的每个文件添加前缀。以下代码示例定义了将在其中生成清单文件的文件夹。

使用适用于 Python 的 SDK (Boto3) 获取与你的 Studio Classic 笔记本实例关联的默认存储桶和执行角色的 ARN：


sm_session = sagemaker.session.Session()
s3 = boto3.resource('s3')
# Gets the default excution role associated with the notebook
execution_role_arn = sagemaker.get_execution_role() 

# Gets the default bucket associated with the notebook
s3_bucket = sm_session.default_bucket() 

# Can be replaced with any name
s3_folder = "script-processor-input-manifest"

接下来，创建一个清单文件。该文件将保存您稍后在第 4 步中运行处理作业时要处理的卫星图像的 URL。


# Format of a manifest file
manifest_prefix = {}
manifest_prefix['prefix'] = 's3://' + s3_bucket + '/' + s3_folder + '/'
manifest = [manifest_prefix]

print(manifest)

以下代码示例返回将在其中创建清单文件的 S3 URI。


[{'prefix': 's3://sagemaker-us-west-2-111122223333/script-processor-input-manifest/'}]

运行处理作业时不需要使用 search_raster_data_collection 响应中的所有响应元素。

以下代码片段删除了不必要的元素 'Properties'、'Geometry' 和 'DateTime'。'Id' 键值对 'Id': 'S2A_15TUH_20221230_0_L2A' 包含年份和月份。以下代码示例将解析这些数据，以便在 Python 字典 dict_month_items 中创建新键。这些值是从 SearchRasterDataCollection 查询返回的资产。


# For each response get the month and year, and then remove the metadata not related to the satelite images.
dict_month_items = {}
for item in items_list:
    # Example ID being split: 'S2A_15TUH_20221230_0_L2A' 
    yyyymm = item['Id'].split("_")[2][:6]
    if yyyymm not in dict_month_items:
        dict_month_items[yyyymm] = []
    
    # Removes uneeded metadata elements for this demo 
    item.pop('Properties', None)
    item.pop('Geometry', None)
    item.pop('DateTime', None)

    # Appends the response from search_raster_data_collection to newly created key above
    dict_month_items[yyyymm].append(item)

此代码示例使用 .upload_file() API 操作将 dict_month_items 作为 JSON 对象上传到 Amazon S3：


## key_ is the yyyymm timestamp formatted above
## value_ is the reference to all the satellite images collected via our searchRDC query 
for key_, value_ in dict_month_items.items():
    filename = f'manifest_{key_}.json'
    with open(filename, 'w') as fp:
        json.dump(value_, fp)
    s3.meta.client.upload_file(filename, s3_bucket, s3_folder + '/' + filename)
    manifest.append(filename)
    os.remove(filename)

此代码示例将上传指向上传到 Amazon S3 的所有其他清单的父 manifest.json 文件。它还会保存局部变量 s3_manifest_uri 的路径。在步骤 4 中运行处理作业时，您将再次使用该变量来指定输入数据的来源。


with open('manifest.json', 'w') as fp:
    json.dump(manifest, fp)
s3.meta.client.upload_file('manifest.json', s3_bucket, s3_folder + '/' + 'manifest.json')
os.remove('manifest.json')

s3_manifest_uri = f's3://{s3_bucket}/{s3_folder}/manifest.json'

既然已经创建并上传了输入清单文件，那么就可以编写一个脚本，在处理作业中处理数据。该脚本处理来自卫星图像的数据，计算 NDVI，然后将结果返回到不同的 Amazon S3 位置。

编写一个计算 NDVI 的脚本

Amazon SageMaker Studio Classic 支持使用%%writefile手机魔法命令。使用此命令运行单元格后，其内容将保存到本地 Studio Classic 目录中。这是专门用于计算 NDVI 的代码。不过，当您为处理作业编写自己的脚本时，以下内容可能很有用：

在处理作业容器中，容器内的本地路径必须以 /opt/ml/processing/ 开头。在本例中，input_data_path = '/opt/ml/processing/input_data/' 和 processed_data_path = '/opt/ml/processing/output_data/' 是以这种方式指定的。
使用 Amazon P SageMaker ro cessing，处理任务运行的脚本可以将处理后的数据直接上传到 Amazon S3。为此，请确保与 ScriptProcessor 实例关联的执行角色具备访问 S3 存储桶的必要条件。您还可以在运行处理作业时指定输出参数。要了解更多信息，请参阅 Amaz SageMaker on Python 软件开发工具包中的 .run()API 操作。在此代码示例中，数据处理结果直接上传到 Amazon S3。
要管理附加到处理作业的 Amazon EBS 容器的大小，请使用 volume_size_in_gb 参数。容器的默认大小为 30 GB。您也可以选择使用 Python 库 Garbage Collector 来管理 Amazon EBS 容器中的存储。

以下代码示例将数组加载到处理作业容器中。当数组累积并填满内存时，处理作业将崩溃。为防止出现这种崩溃，下面的示例包含了从处理作业容器中删除数组的命令。


%%writefile compute_ndvi.py

import os
import pickle
import sys
import subprocess
import json
import rioxarray

if __name__ == "__main__":
    print("Starting processing")
    
    input_data_path = '/opt/ml/processing/input_data/'
    input_files = []
    
    for current_path, sub_dirs, files in os.walk(input_data_path):
        for file in files:
            if file.endswith(".json"):
                input_files.append(os.path.join(current_path, file))
    
    print("Received {} input_files: {}".format(len(input_files), input_files))

    items = []
    for input_file in input_files:
        full_file_path = os.path.join(input_data_path, input_file)
        print(full_file_path)
        with open(full_file_path, 'r') as f:
            items.append(json.load(f))
            
    items = [item for sub_items in items for item in sub_items]

    for item in items:
        red_uri = item["Assets"]["red"]["Href"]
        nir_uri = item["Assets"]["nir"]["Href"]

        red = rioxarray.open_rasterio(red_uri, masked=True)
        nir = rioxarray.open_rasterio(nir_uri, masked=True)

        ndvi = (nir - red)/ (nir + red)
        
        file_name = 'ndvi_' + item["Id"] + '.tif'
        output_path = '/opt/ml/processing/output_data'
        output_file_path = f"{output_path}/{file_name}"
        
        ndvi.rio.to_raster(output_file_path)
        print("Written output:", output_file_path)

现在您有了一个可以计算 NDVI 的脚本。接下来，您可以创建的实例 ScriptProcessor 并运行您的处理作业。

创建 `ScriptProcessor` 类的实例

此演示使用可通过 Amaz SageMaker on Python 软件开发工具包提供的ScriptProcessor类。首先，您需要创建该类的实例，然后可以使用 .run() 方法启动处理作业。


from sagemaker.processing import ScriptProcessor, ProcessingInput, ProcessingOutput

image_uri = '081189585635.dkr.ecr.us-west-2.amazonaws.com/sagemaker-geospatial-v1-0:latest'

processor = ScriptProcessor(
	command=['python3'],
	image_uri=image_uri,
	role=execution_role_arn,
	instance_count=4,
	instance_type='ml.m5.4xlarge',
	sagemaker_session=sm_session
)

print('Starting processing job.')

当您启动处理作业时，需要指定一个 ProcessingInput 对象。在该对象中，指定以下内容：

您在步骤 2 中创建的清单文件的路径 s3_manifest_uri。这是容器的输入数据的来源。
输入数据保存在容器中的路径。这必须与您在脚本中指定的路径相匹配。
使用 s3_data_type 参数指定输入为 "ManifestFile"。


s3_output_prefix_url = f"s3://{s3_bucket}/{s3_folder}/output"

processor.run(
    code='compute_ndvi.py',
    inputs=[
        ProcessingInput(
            source=s3_manifest_uri,
            destination='/opt/ml/processing/input_data/',
            s3_data_type="ManifestFile",
            s3_data_distribution_type="ShardedByS3Key"
        ),
    ],
    outputs=[
        ProcessingOutput(
            source='/opt/ml/processing/output_data/',
            destination=s3_output_prefix_url,
            s3_upload_mode="Continuous"
        )
    ]
)

以下代码示例使用 .describe() 方法来获取处理作业的详细信息。


preprocessing_job_descriptor = processor.jobs[-1].describe()
s3_output_uri = preprocessing_job_descriptor["ProcessingOutputConfig"]["Outputs"][0]["S3Output"]["S3Uri"]
print(s3_output_uri)

使用 `matplotlib` 可视化结果

使用 Matplotlib Python 库，可以绘制栅格数据。在绘制数据之前，您需要使用来自卫星的样本图像计算 NDVI。Sentinel-2以下代码示例使用 .open_rasterio() API 操作打开影像阵列，然后使用Sentinel-2卫星数据中的nir和red图像波段计算 NDVI。


# Opens the python arrays 
import rioxarray

red_uri = items[25]["Assets"]["red"]["Href"]
nir_uri = items[25]["Assets"]["nir"]["Href"]

red = rioxarray.open_rasterio(red_uri, masked=True)
nir = rioxarray.open_rasterio(nir_uri, masked=True)

# Calculates the NDVI
ndvi = (nir - red)/ (nir + red)

# Common plotting library in Python 
import matplotlib.pyplot as plt

f, ax = plt.subplots(figsize=(18, 18))
ndvi.plot(cmap='viridis', ax=ax)
ax.set_title("NDVI for {}".format(items[25]["Id"]))
ax.set_axis_off()
plt.show()

上述代码示例的输出是一张卫星图像，上面叠加了 NDVI 值。NDVI 值接近 1 表示存在大量植被，接近 0 表示没有植被。

使用 ScriptProcessor 的演示到此结束。

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概述：ScriptProcessor API

地球观测作业

ScriptProcessor用于使用卫星数据计算归一化差异植被指数 (NDVISentinel-2)

使用 SearchRasterDataCollection 查询 Sentinel-2 栅格数据集合

使用 search_raster_data_collection API 响应中的 Id 键创建输入清单文件