Оцінка помилок обчислення, зробленого з використанням непроектованих та прогнозованих даних


10

Це питання формується під питанням із темою "Розрахунок напряму потоку та розмежування басейнів від прогнозованих проти непрогнозованих даних".: Обчислення напряму потоку та розмежування басейнів за прогнозованими та непрогнозованими даними DEM.

Це зовсім окреме питання, однак, оскільки вищезгадане питання встановило, що існують проблеми із використанням алгоритмів (наприклад, ArcGIS Flow Direction), які передбачають евклідову відстань до даних у сферичній / непредмеченій географічній системі координат.

Ми знаємо, що прогнози на карті схожі на те, щоб зняти апельсинову шкірку і спробувати розгладити її на столі - у вас з’явиться деяка помилка, притаманна проекції карти. Але, здається, переваги проектування компенсують будь-яку введену помилку, особливо коли ви працюєте з розрахунками, які передбачають декартову / прогнозовану площинну поверхню. У цьому випадку алгоритм, який мене цікавить, - це алгоритм ArcGIS Flow Direction, який передбачає, що ваші дані проектуються (і це припущення, прийняте більшістю програм на основі мого дослідження), оскільки він використовує евклідовий підхід для обчислення відстані.

Моє запитання : як можна кількісно визначити помилку, яка може бути введена при обчисленні напрямку потоку в заданій досліджуваній області, використовуючи непроектовані дані DEM (дані DEM в географічній системі координат) проти прогнозованих даних (дані DEM у відповідній проекції, такі як UTM чи щось конформне)?

Зрозуміло, ви можете отримати растр потоку потоку, використовуючи непрогнозовані, а потім ті самі дані DEM, що проектуються. Але що тоді? Оскільки наша мета - моделювати земну поверхню якомога точніше (і ми не звертаємось до будь-яких помилок, які можуть бути введені в процесі створення оригінальної DEM тощо. - настільки, наскільки я побоююся, вони є постійною) .... чи ми просто припускаємо, що дані про напрямок потоку, отримані від проектованої DEM, є кращими, а потім порівнюємо окремі значення комірок двох растрових даних, щоб визначити, які комірки мають різні значення спрямованості (у контексті звичайної моделі D-8 )? Я думаю, щоб зробити це, тоді вам доведеться взяти растр напрямку потоку, отриманий з непрогнозованих даних, а потім застосувати ту саму проекцію, що використовується з проектованим растром напрямку потоку.

Що було б найбільше сенсу, і з чим слід порівнювати непроектований DEM як еталон точності?

Потрапляючи в найдрібніші деталі математичних рівнянь, може зрозуміти тим, хто це розуміє, надати рівень доказів на рівні землі і для когось цього буде достатньо, але це також, а також щось, що могло б передати помилку тому, хто не має в собі глибинне розуміння математики, але, можливо, просто знає достатню кількість географії / ГІС, щоб бути небезпечним, було б чудово (в ідеалі добре було б обидва рівні, які б відповідали хардкорним географам та середнім гафтерам ГІС). Для людей вищого рівня, які говорять про те, що докази є в математиці, можливо, це дещо відкрите для аргументів - я шукаю щось більш відчутне (наприклад, схоже на прив’язку доларової фігури до якоїсь неефективності в уряді).

Будемо дуже вдячні за будь-які думки чи ідеї щодо того, як це можна оцінити.

Том


1
Я думаю, що це питання цікаве, але в контексті гідрологічного моделювання здається, що обмеження вашого запиту на помилки в різниці між проектованим та непроектованим простором є надмірно обмежувальним: помилки, введені вибором алгоритму D8, швидше за все, перевищують проекція. Вас цікавить точність з високого рівня, або у вас є конкретні причини обмеження її до прогнозованого та непроектованого?
scw

1
@scw Хороший коментар. Однак зауважте, що помилка проектування починає перевищувати максимальну похибку d8 (принаймні для деяких напрямків потоку) на широтах, що перевищують 40 градусів або більше, і, як правило, має порівнянні розміри (як зміна кута потоку) . Таким чином, похибка проекції та похибка d8 однаково заслуговують на увагу. Крім того, похибка d8 (свого роду) середня у всіх напрямках, але помилка проекції створює систематичну зміщення. Таким чином, помилка проекції, мабуть, гірша - можливо, набагато гірша - ніж помилка d8 майже на всіх широтах.
whuber

1
Дякую за коментарі - я розумію, що ви говорите про: D8 та проблеми з цим, але оригінальний поштовх до всієї цієї дискусії (і відповідного попереднього допиту з питанням, чи краще проектувати чи не проектувати) був зосереджений виключно на цьому питанні : чи краще проектувати свої дані, чи це не має значення? Ось чому це питання зосереджено лише на цьому аспекті, оскільки воно має практичні наслідки для моєї команди та загальні інструменти, якими ми користуємось для своєї роботи.
turkishgold

Дякую за це та попереднє запитання. Важливо вести дискусії з теорією / основними принципами, що є агностиком програмного забезпечення, а також "як я можу зробити програму-x y?" . Я просто хочу, щоб я міг краще зрозуміти їх глибину та деталі. ;-)
matt wilkie

@matt wilkie- дякую за коментар, і я згоден ... важливо потрапити під капот з цими типами речей. Пакети графічного інтерфейсу, такі як ArcGIS з "налаштуваннями за замовчуванням" на інструментах та інструментах blackbox, полегшують все просто натискання та запуск, і не стосуються деталей. Отже, чому мені знадобилося так багато часу, щоб отримати детальну відповідь, потрібну мені на цю тему. Як професіонали нам потрібно зрозуміти, що HECK це ми робимо!
turkishgold

Відповіді:


6

Аналіз вже зроблено у відповіді на попереднє запитання , але, можливо, допоможе ілюстрація.

Є дві основні складові помилки: алгоритм "d8", який представляє потоки лише у восьми кардинальних напрямках, і ефект проекції (або його відсутність). Давайте зупинимось на останньому, адже це, здається, є головним питанням.

Похибка залежить від спотворень у проекції та на самій місцевості. Місцево в невеликому регіоні всі проекційні спотворення на земній поверхні складають розтягнення в одну сторону порівняно перпендикулярним напрямком: ось чому (правильно обчислена) Tissot Indicatrix є ідеальним еліпсом, оскільки еліпс - це лише розтягнуте коло. Місцевість може мати будь-який аспект (напрямок потоку). Щоб вирішити це, давайте подивимось на місцевість, яка дійсно має точки у всіх можливих напрямках простими потоковими лініями: конусом .

Конус 1

Накладення на цій колірній заштрихований контур карти висоти конуса являє собою сукупність ліній струму з вказівкою напрямку , де вода буде текти. Ви можете підтвердити правильність цих потоків, перевіривши, що вони перетинають контури під прямим кутом.

Вибравши відповідні одиниці вимірювання та відповідне походження для системи координат (на вершині конуса), рівняння для висоти за координатами (x, y) є просто

z = -Sqrt (x ^ 2 + y ^ 2).

Потокові лінії завжди паралельні градієнту z (у зворотному напрямку), обчислюються шляхом диференціювання цієї формули щодо x і y :

-Grad (z) = (x, y) / Sqrt (x ^ 2 + y ^ 2).

Коефіцієнт 1 / Sqrt (x ^ 2 + y ^ 2) не змінює напрямок, тому ми можемо ігнорувати його для розуміння потокових потоків. Таким чином, у будь-якому місці (x, y) напрямок вказує у напрямку (x, y).

Конус 2

Ефект горизонтальної розтяжки в координатах (на коефіцієнт 2 на цьому зображенні) полягає в розтягуванні всіх контурів (без зміни рівнів контуру: на висоту проекції не впливають). Хоча (звичайно) контури представляють справжні кола, вони вже не схожі на справжні кола на карті. Тим не менш, коли обчислюються потоки в цих координатах, вони повинні перетинати контури під прямим кутом так само, як і раніше.

Ефект розтягування полягає в тому, щоб поставити висоту в будь-якій точці координат (х, у) за новими координатами (розтягнення х, у). Розглянемо це у зворотному напрямку: висота в координатах (X, Y) = (розтягнення x, y) має бути значенням z, обчисленим при (x, y) = (X / stretch, Y). Тому рівняння видимої поверхні в цій проекції є

z = -Sqrt ((х / розтягнення) ^ 2 + у ^ 2).

Диференціюючи, ми обчислюємо

-Grad (z) = (x / stretch ^ 2, y) / Sqrt ((x / stretch) ^ 2 + y ^ 2).

Знову ж, загальний фактор не має значення; таким чином, у будь-якому місці (x, y) обчислені потокові точки вказують у напрямку (x / stretch ^ 2, y) . Це була формула, яка використовується для малювання потокових потоків на попередньому малюнку. Ви можете бачити, що вони правильно перетинають контури під прямим кутом.

Конус 3

Це третє зображення повторно відбиває попереднє зображення. Поверхня показується ще раз без перекосів. Однак потоки вже не здаються для перетину контурів під прямим кутом. Так було і в попередній картині: через спотворення в ній кути виявилися лише прямими кутами. Переїзди були неправильні протягом усього часу. Ось чому не проектування (або використання неконформної проекції) є помилкою. Питання в тому, наскільки великою може бути помилка. Деякі заявляють, що це мало наслідків (принаймні на низьких та помірних широтах).

Це перепроектування (для усунення спотворень на карті) переміщує точку на (x * розтягнення, y) назад до (x, y). Раніше обчислений напрямок потоку в цій точці зберігався в сітці (як кут або код напрямку): він не змінюється. Тому обчислений напрямок потоку при (x, y) дорівнює (x / stretch ^ 2, y).

Це кількісно визначає ефект перепроекції на всі можливі напрямки потоку, як показано різницею між першою та останньою графікою. Ось їх накладка, без контурної ділянки для відволікання:

Накладання потоку порівняння

Перепроекція по-різному впливає на напрямки залежно від того, як орієнтована течія відносно основної осі Індикатриси Тіссота. Це квадратична функція відносного лінійного спотворення в проекції. Як такий, він перебільшує навіть незначну кількість спотворень. (Коефіцієнт два проілюстрований тут кілька екстремальний , але реалістичний: це спотворення введено не в проект --that є, використовуючи географічні координати в якості координат карти - на широтах 60 градусів.)

За допомогою трохи тригонометрії можна використовувати ці результати для обчислення кутової помилки в напрямку потоку як функції правильного напрямку. Ось графік помилок, пов’язаних із використанням географічної (непроектованої) системи координат на широтах 20, 30, 40, 50 та 60 градусів. (Звичайно, більші помилки пов'язані з більшими широтами.)

Діаграма кутової помилки

"Справжній напрямок" знаходиться в градусах на схід від півночі. Позитивні кутові відмінності виникають, коли видимий напрямок (обчислюється без проектування lat, lon) проти годинникової стрілки від справжнього напрямку.

Пам'ятайте, що над ними слід накладати помилки d8!

Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.