使用非投影数据与投影数据进行的计算的错误评估


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该问题以主题行“根据投影数据与非投影数据计算流向并描绘盆地”为主题而建立。: 根据投影数据与非投影DEM数据计算流向并描绘盆地。

但是,这是一个完全独立的问题,因为前面提到的问题已经确定在使用算法(例如,ArcGIS Flow Direction)时存在一些问题,这些算法假设球面/非实际地理坐标系中数据的欧几里得距离。

我们知道地图投影有点像拿橘子皮,然后试图将其弄平在桌子上-您会在地图投影中固有地引入一些错误。但是,投影的好处似乎可以抵消所引入的任何误差,尤其是在运行以笛卡尔/投影平面为前提的计算时。在这种情况下,我感兴趣的算法是ArcGIS Flow Direction算法,它确实假设您的数据已经投影(这是根据我的研究,大多数应用程序都采用的假设),因为它使用欧几里德方法来计算距离。

我的问题是:如何利用未投影的DEM数据(地理坐标系中的DEM数据)与投影数据(适当的投影中的DEM数据)来量化在给定研究区域中计算流动方向时可能引入的误差? UTM或保形的东西?

当然,您可以使用未投影,然后再投影相同的DEM数据来导出流向栅格。但是那又怎样呢?由于我们的目标是尽可能精确地对地球表面进行建模(并且我们并未解决在创建原始DEM等过程中可能引入的任何错误-就我而言,这是一个常数) ....我们只是假设从投影DEM得出的流向数据更好,然后比较两个栅格的各个像元值以识别哪些像元具有不同的方向值(在正常D-8模型的背景下) )?我猜想要这样做,那么您将必须采用从非投影数据得出的流向栅格,然后应用与流向投影栅格相同的投影。

什么才是最合理的,应将未投影的DEM与准确度的基准进行比较?

对于那些了解数学方程式的细节,对于那些理解它的人来说,可能会为您提供基本的证明,并且足以满足某些要求,但同时也可能将错误传达给没有经验的人。对数学有深入的了解,但可能只知道足够的地理/ GIS危险就好了(理想情况下,两个级别都很好,这将与铁杆地理极客和一般的GIS爱好者产生共鸣)。对于更高级别的人来说,说数学上的证明可能会使它有些争议-我正在寻找更切实的东西(例如,类似于将美元数字附加到某种政府的低效率上)。

关于如何量化这一点的任何想法或想法将不胜感激。

汤姆


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我认为这是一个有趣的问题,但是在水文建模的背景下,似乎限制您对投影空间和非投影空间之间的误差的查询过于严格:选择D8算法引入的误差可能会超过投影的。您是否对准确性有较高的兴趣,还是有特定的原因将其限制在预测与非预测之间?
scw

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@scw好评论。但是请注意,在高于40度左右的纬度下,投影失败误差开始超过最大d8误差(至少对于某些流动方向而言),并且通常具有可比较的大小(作为流动角度的变化) 。因此,投影误差和d8误差同样值得关注。此外,d8误差(某种程度上)在所有方向上平均,但投影误差会产生系统偏差。因此,几乎在所有纬度上,投影误差都可能比d8误差差,甚至可能差得多。
Whuber

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感谢您的评论-我理解您在说的:D8及其相关问题,但是整个讨论的原始动力(以及之前相关的询问是否更好地进行投影的帖子)仅专注于该问题。 :投射数据更好还是没关系?这就是为什么这个问题只关注这一方面的原因,因为它对我的团队和我们用于工作的通用工具具有实际意义。
turkishgold

谢谢您提出这个问题和之前的问题。进行与软件无关的理论/基本原理讨论以及“如何使program-x做y”非常重要。。我只是希望我能更好地了解他们的深度和细节。;-)
马特·威尔基(Matt wilkie)2011年

@matt wilkie-感谢您的评论,我同意...重要的是要对这类事情有所了解。GUI软件包(如ArcGIS)在工具和黑盒工具上均带有“默认设置”,可轻松单击并运行而无需担心细节。因此,为什么花了我这么长时间才能获得关于该主题的详细答案。作为专业人员,我们需要了解我们正在做什么!
turkishgold

Answers:


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在回答前一个问题时已经进行了分析,但是也许有帮助。

错误有两个主要部分:“ d8”算法(仅表示八个基本方向的流量)和投影的影响(或缺少投影)。让我们集中讨论后者,因为这似乎是主要问题。

误差取决于投影中的变形以及地形本身。就局部而言,在一个较小的区域内,地球表面上的所有投影变形在一个方向上都比在垂直方向上要大。这就是为什么(正确计算的)天梭Indicatrix是理想的椭圆形的原因,因为椭圆形只是一个拉伸的圆。地形可以具有任何方面(流动方向)。为了解决这个问题,让我们看一下一个地形,该地形的确在所有可能的方向上都具有简单的流线:

锥1

在此颜色渐变的圆锥高程轮廓图上叠加了流线集合,这些流线显示了水的流动方向。您可以通过检查它们是否以正确的角度越过轮廓来确认这些流线是正确的。

通过选择合适的测量单位和合适的坐标系原点(在圆锥体的顶点),以坐标(x,y)表示的高程方程很简单

z = -Sqrt(x ^ 2 + y ^ 2)。

流线始终平行于z的梯度(沿相反方向),这是通过相对于xy区分该公式而得出的:

-Grad(z)=(x,y)/ Sqrt(x ^ 2 + y ^ 2)。

系数1 / Sqrt(x ^ 2 + y ^ 2)不会改变方向,因此出于理解流线的目的,我们可以忽略它。因此,在任何位置(x,y),流线指向方向(x,y)。

圆锥2

坐标中水平拉伸的效果(在此图像中减少2倍)是拉伸所有轮廓(不更改轮廓级别:高度不受投影影响​​)。尽管(当然)轮廓线代表真实的圆,但它们在地图上看起来不再像真实的圆。 但是,当在这些坐标中计算流线时它们必须像以前一样以直角穿过轮廓。

拉伸的效果是将高程放置在坐标(x,y)的任意点处的新坐标(拉伸x,y)上。反向考虑:坐标(X,Y)=(拉伸 x,y)处的高程必须是在(x,y)=(X / stretch,Y)处计算的z值。因此,此投影中的在表面方程为

z = -Sqrt((x / stretch)^ 2 + y ^ 2)。

差异化,我们计算

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

再次,共同因素无关紧要;因此,在任何位置(x,y)处,计算出的流线指向(x / stretch ^ 2,y)方向。这是用于在上图中绘制流线的公式。您可以看到它们以正确的角度正确地越过了轮廓。

锥3

第三张图片重新投影了前一张图片。 再次显示该表面没有变形。但是,流线似乎不再以直角交叉轮廓。 即使在上一张图片中也是如此:由于其中的变形,这些角度仅看起来是直角。穿越一直都是不正确的。 这就是为什么不投影(或使用不规则投影)是一个错误的原因。 问题是它可能有多大的错误。一些人声称这没有什么意义(至少在中低纬度地区)。

此重新投影(以消除地图中的变形)将(x * stretch,y)处的点移回(x,y)。先前在此处计算出的流方向存储在网格中(作为角度或方向代码):它不会改变。 因此,在(x,y)处计算的流方向为(x / stretch ^ 2,y)。

如第一个和最后一个图形之间的差异所示,这可以量化重新投影对所有可能流向的影响。这是它们的叠加层,没有轮廓图可分散注意力:

流量比较叠加

重投影对方向的影响不同,这取决于流相对于天梭Indicatrix主轴的方向。它是投影中相对线性失真的二次函数。因此,它会夸大甚至很小的失真。(这里说明的两个因素有些极端,但很现实:这是由于在60度纬度上投影而引入的失真,即使用地理坐标作为地图坐标。)

只需一点三角函数,就可以使用这些结果来计算流向中的角度误差,作为正确方向的函数。这是与在20、30、40、50和60度纬度上使用地理(非投影)坐标系相关的误差的图表。(当然,较大的误差与较高的纬度有关。)

角度误差图

“真实方向”以北向东为单位。当视向(计算时未投影纬度,经度)逆时针方向出现正角度差。

请记住,您必须在这些问题之上叠加d8错误!

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