DTM ako súčasť GIS

časť II – variogramové modelovanie

Cvičenie 2

DTM ako súčasť GIS Ciele cvičenia

Zoznámenie sa s prostredím Surfer 8.0

Vizualizácia bodového poľa (Post Map)

Návrh variogramu Jednoduché štruktúry Kombinované štruktúry Anizotropické modelovanie

Využitie navrhnutého variogramu pri modelovaní DTM

Vyhodnotenie výškovej presnosti RMSE Intervaly spoľahlivosti 95% a 99%

Prostredie Surfer Aktuálna verzia

Surfer 13 www.goldensoftware.com

Verzia na našej katedre

Surfer 9.0 demo

Komerčný softvér

Tvorca Golden Software, Inc., 809 14th

Street, Golden, Colorado, USA

Golden Software má svoju skupinu!!!

Funguje v OS Windows

Užívateľsky príjemné GUI

Podporuje rastrové aj vektorové štruktúry

Začíname

Štart Golden software Surfer 8

Surfer 8

Opisná vs. priestorová štatistika

Majme dve sady údajov: A a B

Opisné štatistiky týchto sád:

SadaSada AA BB

ÚhrnÚhrn 1525115251 1525115251

PriemerPriemer 100.00100.00 100.00100.00

Štand. odch.Štand. odch. 20.0020.00 20.0020.00

MediánMedián 100.35100.35 100.92100.92

10. percentil10. percentil 73.8973.89 73.9573.95

90. percentil90. percentil 125.61125.61 124.72124.72

Data A vs. Data B

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Data Values

ycne

uqe r

F

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Data Values

yc

ne

uq

erF

A B

Data A vs. Data B

A

0 25 50 75 100 125 1500

25

50

75

100

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

16

0 25 50 75 10 0 125 1500

25

50

75

100

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

16

B

Data A vs. Data B(Variogramy)

A B

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

LagDistance

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Va

rio

gra

m

Direction: 0.0 Tolerance: 90.0ExampleDataSet A

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

LagDistance

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Va

rio

gra

m

Direction: 0.0 Tolerance: 90.0ExampleData Set B

VariogramVariogram

Graf priestorovej štatistikyGraf priestorovej štatistikyNástroj na určenie priestorovej korelácieNástroj na určenie priestorovej korelácieViacero typov(ukážka na stránke) Viacero typov(ukážka na stránke)

Vizualizácia bodového poľa

Nástroj Post Map

Tvorba vlastného variogramu

Nástroj GRID >Variogram >New Variogram

Tvorba vlastného variogramu

Záložka DataData Columns

nastaviť poradie stĺpcov X, Y, Z

Duplicate Data ak vznikli omylom duplikované body, nastavením prahu v

smeroch x a y, možno takéto body vylúčiť

Data Exclusion Filter možnosť odfiltrovať niektoré body a získať tak zmenšený

súbor bodov pre testovacie účely

Tvorba vlastného variogramu

Záložka General

Variogram Grid nastaviť konečnú vzdialenosť, po ktorú bude prebiehať meranie

variability (Max Lag Distance) Obvykle 1/3 diagonály územia

Nastaviť počet uhlových (Angular) a radiálnych (Radial) oddielov (divisions)

Viac oddielov znamená presnejšie vzorkovanie a vernejšie zobrazenie krivky, ale aj dlhší výpočet!!!

Detrend vo väčšine prípade necháme túto možnosť vypnutú

Prvý návrh variogramu

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Lag Distance

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Va

riog

ram

Direction: 0.0 Tolerance: 90.0Column C

Exp

erim

entá

lny

vari

ogra

m

Variogram m

odelu

Úprava vlastností variogramu Kliknúť na variogram ľavým tlačidlom, aby bol aktívny

Edit - Properties

Záložka Model TEÓRIA Upravuje vlastnosti a tvar modelovej (modrej) krivky

Záložka Experimental SKUTOČNOSŤ Upravuje zobrazenie experimentálnych (skutočných) údajov

HLAVNÝM cieľom je navrhnúť model tak, aby čo najviac korešpondoval so skutočnosťou, t.j. vytvarovať modrú krivku TAK, aby sa čo najviac podobala na čiernu lomenú čiaru a to VO VŠETKÝCH SMEROCH !!! (zmena uhlov)

Odchýlky medzi modrou a čiernou čiarou sa prejavia ako odchýlky výšok vo výslednom DTM, preto je nutné dôkladne nastaviť všetky parametre (nahradzujúcu funkciu, interpolačné váhy aj položky týkajúce sa anizotropie) !!!

Teória - MODEL Vo Variogram Properties na záložke

MODEL Vybrať vhodné funkcie, ktorýmichceme nahrádzať skutočnosť.Dá sa kombinovať aj viac funkciínaraz(ukážky na stránke).

Pre nugget efekt nastaviť vhodné miery rozptylu (Variance). Ak sa takýto efekt vyskytuje.

Pre ostatné komponenty variogramu nastaviť správne váhy LENGTH (A) a SCALE.

LENGTH = separačná vzdialenosť (vodorovná os), kde variogram dosiahne „rovinku“. Niekedy sa nazýva aj RANGE.

SCALE = hodnota variogramu (zvislá os), kde variogram dosiahne „rovinku“. Niekedy sa nazýva aj SILL.

Skutočnosť - EXPERIMENTAL Vo Variogram Properties na záložke

EXPERIMENTAL Nastaviť toleranciu na 30°. Krok nastaviť takisto na 30°. Pomocou tlačidiel pre rotáciu vyšetriť priebeh variogramu v rôznych smeroch (menší krok = plynulejšia animácia). Vypnúť Auto Vertical Scale pre stabilizáciu experimentálneho variogramu.

Zmena modrých výsekov.

Nájsť taký smer, kde variogram dosiahne minimálnu koreláciu („rovinku“) pri čo najdlhšej separačnej vzdialenosti.

Anizotropické modelovanie(tolerancia 30°)

0 5 10 15 20 25 3 0 35 40 45 50 55 60

Lag Distance

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Vario

gram

Direction: 0.0 Tolerance: 30.0Column C

0 5 10 15 20 25 3 0 35 40 45 50 55 60

Lag Distance

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Vario

gram

Direction: 30.0 Tolerance: 30.0Column C

0 5 10 15 20 25 3 0 35 40 45 50 55

Lag Distance

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Vario

gram

Direction: 60.0 Tolerance: 30.0Column C

60 0 5 10 15 20 25 3 0 35 40 45 50 55 60

Lag Distance

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Vario

gram

Direction: 90.0 Tolerance: 30.0Column C

0 5 10 15 20 25 3 0 35 40 45 50 55 60

Lag Distance

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Vario

gram

Direction: 120.0 Tolerance: 30.0Column C

0 5 10 15 20 25 3 0 35 40 45 50 55 60

Lag Distance

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Vario

gram

Direction: 150.0 Tolerance: 30.0Column C

0° 30° 60°

90° 120° 150°

Anizotropické modelovanie Vo Variogram Properties na záložke

EXPERIMENTAL nastaviť smer, kde variogram dosiahne minimálnu koreláciu („rovinku“) pri čo najdlhšej separačnej vzdialenosti.

Vo Variogram Properties na záložke MODEL nastaviť Length tak, aby sa model kryl so skutočnosťou najviac ako sa dá.

Vo Variogram Properties na záložke MODEL nastaviť Anisotropy Angle podľa smeru,kde variogram dosiahne minimálnu koreláciu („rovinku“) pri čo najdlhšej separačnej vzdialenosti.

Vo Variogram Properties na záložke EXPERIMENTAL nastaviť nový smer = smer s minimálnym sklonom modelovej krivky + 90°

Vo Variogram Properties na záložke MODEL nastaviť pomer anizotropie (Ratio) tak, aby sa model kryl so skutočnosťou najviac ako sa dá.

Anizotropické modelovanie Skontrolovať model otáčaním pomocou „Step

CW“ a „Step CCW“

Konečné doladenie sa dá dosiahnuť pomocou funkcie „AutoFit“. Táto však vyžaduje správne určené iniciálne hodnoty interpolačných váh. AutoFit nie je spôsob ako obísť navrhovanie variogramu a získať hotový výsledok, bez predošlej analýzy.

Kriging Grid - Data... Vybrať dáta, ktoré chcem modelovať

Advanced Options Get Variogram

Kriging Type Point – ostrejšie výsledky Block – zhladenejšie výsledky

Drift Type None – väčšinou používame túto voľbu

Spacing Rozlíšenie výsledného rastra v smeroch x aj y

Cross validation Výsledné odchýlky sa dajú uložiť do zvláštneho súboru pomocou tlačidla „Cross

validation“

Grid – Residuals... Doplní stĺpec s odchýlkami do pôvodného textového súboru Tieto môžeme potom ďalej vyhodnotiť pomocou RMSE, príp. inak

Dobré rady pri modelovaní... Nevytvárajte príliš komplikované modely variogramov.

Najjednoduchší model, ktorý zohľadňuje podstatné entity je najlepší model

Ak ste na pochybách, použite predvolený variogramový model pre tvorbu Gridu/DTM. Jednoduchý lineárny variogram obvykle generuje prijateľný Grid/DTM.

Pri anizotropickom modelovaní používajte pomer anizotropie max. 3:1. Ak model naznačuje, že je potrebný vyšší pomer, zvážte možnosť odstránenia trendu v údajoch

Vyhodnotenie presnosti Grid

Residuals…

Zadať GRID súbor

Zadať pôvodný súbor s DVBP

Zadať stĺpec, do ktorého sa hodnoty odchýlok uložia

Otvoriť súbor s odchýlkami cez File – Open

V ponuke Data – Statistics vybrať požadované štatistické miery (priemer, rozptyl, štand. odchýlka, intervaly spoľahlivosti atď.) a zhodnotiť výsledky

Export do GRASSu File

Open... Kliknúť náš GRID

File Save As…

Zadať meno súboru

Zadať typ súboru “GRD Surfer 6 Text Grid”

r.in.ascii Na záložke REQUIRED zadáme meno výstupnej

vrstvy, ktorá nám vznikne po importe do mapsetu

Na záložke OPTIONAL povolíme voľbu „Surfer ASCII file will be imported“ a nižšie v políčku „ASCII file to be imported“ sa doklikáme (cez tlačidlo Browse...) k vstupnému *.grd súboru, ktorý sme získali exportom so Surferu

Spustíme modul

Ďalej už môžeme s importovanou vrstvou pracovať ako s bežnou GRASS rastrovou vrstvou