Erstellung von Zäunen und Vorhängen mit Geostatistik

RichieCarmichael

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Die parallelen Zäune, die in X- und Y-Richtung durch zwei separate Läufe des Parallel Fences-Werkzeugs erzeugt wurden.<\/P><\/DIV>

Hinweis:  Die 3D Fences Toolbox wurde am 28. Februar 2017 aktualisiert.<\/EM><\/STRONG>  <\/EM>

Dieser Artikel stellt eine Geoverarbeitungs-Toolbox vor und diskutiert sie, die Geostatistik auf vertikalen Schnitten von dreidimensionalen Punktwolken durchführen kann.Klicken Sie

hier<\/A>, um die Toolbox herunterzuladen.<\/STRONG>

Seit Jahren können Benutzer von ArcGIS und seiner Erweiterung Geostatistical Analyst eine ausgefeilte geostatistische Interpolation der Datenproben in zwei Dimensionen durchführen. Damit war die Erstellung kontinuierlicher Karten eines Phänomens möglich, das nur an ausgewählten Standorten gemessen wurde. Mit der zunehmenden Beliebtheit der Analyse in 3D und der Verfügbarkeit von 3D-Daten besteht die Notwendigkeit einer Option, Geostatistik auf 3D-Daten anzuwenden. Studien von atmosphärischen Querschnitten, geologischen Profilen und bathymetrischen Transekten sind ein integraler Bestandteil von GIS geworden. In jedem dieser drei klassischen Elemente (Luft, Erde und Wasser) können wir natürliche Phänomene messen, wie den Gradienten der Lufttemperatur, den Erzgehalt in verschiedenen Tiefen der geologischen Schichten oder den Salzgehalt des Ozeans entlang benachbarter vertikaler Transektenlinien.

In GIS analysieren wir nicht nur natürliche Phänomene, sondern auch menschengemachte. Menschliche Einflüsse auf Luft, Erde und Wasser werden ebenfalls gemessen. Zu den menschlichen Beiträgen zur Umwelt, die in 3D analysiert werden könnten, gehören Luftverschmutzungsfahnen und Ölverschmutzungen. Letztere können im Boden nach unten wandern und durch das Grundwasser verdriftet werden oder vom Meeresboden bis zur Oberfläche aufsteigen und dabei manchmal von Meeresströmungen mitgerissen werden. Ein Einblick in solche Vorgänge kann unser Verständnis der Phänomene erheblich verbessern. Dies war die Motivation für die Erstellung der 3DFences Toolbox<\/STRONG>.

Ein Schnitt<\/STRONG> ist ein vertikaler Teilbereich der 3D-Daten, analog zu einer Brotscheibe aus einem Laib Brot. Obwohl typischerweise in einer Dimension schmal, ist es dennoch ein 3D-Objekt. Ein Zaun<\/STRONG> ist eine 2D-Darstellung eines Schnitts von 3D-Daten. Alle Punkte, die zu einem Schnitt gehören, werden auf eine 2D-Ebene projiziert oder gedrückt. Der Begriff Zaundiagramm oder Zaun wird in der Geologie verwendet, um einen Querschnitt geologischer Schichten darzustellen, der aus einer Interpolation der Daten stammt, die aus einer linearen Anordnung vertikaler Bohrungen gewonnen wurden. Das Äquivalent eines Zauns in den Atmosphärenwissenschaften wird üblicherweise als curtain<\/STRONG> bezeichnet.<\/A>

Draufsicht auf einen Schnitt von Punkten, dargestellt in Lila, und der resultierende Zaun als farbige Linie in der Mitte der Eingabepunkte.<\/P><\/DIV>

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Seitenansicht der Eingabeschnittpunkte auf einer Seite des resultierenden Zauns. Die Punkte sind Messungen von Öl im Meerwasser nach einer Ölverschmutzung.<\/P><\/DIV>

Um es klarzustellen, führen die Werkzeuge in der 3D Fences Toolbox<\/STRONG> keine dreidimensionale Interpolation durch. Der Ansatz der 3DFences Toolbox<\/STRONG> implementiert keine geostatistische Analyse direkt auf den vertikalen Schnitten der 3D-Daten. Stattdessen transformieren die Werkzeuge einen Schnitt der 3D-Daten mit seinen X-, Y-, Z-Koordinaten und dem Messwert eines Phänomens durch eine Drehung um 90b0 auf eine horizontale zweidimensionale Ebene. Die geostatistische Interpolationsmethode des

Empirical Bayesian Kriging<\/A> (EBK) wird auf diese Punkte angewendet und erzeugt entweder die geostatistische Oberfläche der Vorhersage (Prediction), welche eine kontinuierliche Karte der Konzentration oder Intensität von etwas darstellt, oder eine Karte des Vorhersage-Standardfehlers (Prediction Standard Error), die als Karte des Vertrauensgrades in die Vorhersagekarte an jedem Ort erklärt werden kann. Das resultierende Ergebnis wird in einen Punktdatensatz umgewandelt, wobei die Punkte den interpolierten Wert im Zentrum der Rasterzellen repräsentieren. Die Punkte werden dann zurück in den ursprünglichen Koordinatenraum als regelmäßige Matrix von Punkten eingefügt, die einem Zaun ähneln. Der Zaun wird im Zentrum der ausgewählten Punkte des ursprünglichen Schnitts positioniert, wenn er in ArcScene oder ArcGIS Pro angezeigt wird. Das Raster wird in einen Punktdatensatz konvertiert, da ArcGIS derzeit keine Anzeige von Rasterdaten als vertikale Ebene unterstützt und Punkt-Symbologieoptionen zusätzliche Flexibilität bei der Darstellung der Ergebnisse bieten.

Jedes Standard- oder geostatistische Punktinterpolationswerkzeug von ArcGIS hätte in den Werkzeugen implementiert werden können. Für den Prototyp haben wir die geostatistische Methode Empirical Bayesian Kriging (EBK) gewählt, die für ihre am besten passenden Standardparameter und genauen Vorhersagen bekannt ist.<\/A>

Die 3DFences<\/STRONG>-Toolbox besteht aus drei separaten Werkzeugen zur Unterstützung verschiedener Methoden zur Erzeugung von Zäunen. Das Werkzeug Parallel Fences<\/STRONG> kann Sätze paralleler Zäune in Richtungen erzeugen, die sich entweder auf Längen-, Breiten- oder Tiefengrade beziehen. Mit anderen Worten erstrecken sich die Ausgabesätze paralleler Zäune von N nach S, W nach E oder durch die Z-Dimension. Die Anzahl dieser Zäune in jedem Satz wird vom Benutzer bestimmt. Alle Werkzeuge unterstützen Auswahlmengen zur Erstellung von Zäunen aus einer Teilmenge von Stichprobenpunkten.<\/A>

Ein Zaun entlang einer digitalisierten "S"-Form erstellt.<\/P><\/DIV>

Das Werkzeug Interactive Fences<\/STRONG> kann Zäune basierend auf Linien erzeugen, die auf der Karte digitalisiert wurden. Der Benutzer legt den Pufferabstand von der digitalisierten Linie fest. Alle Punkte innerhalb dieses Puffers werden für die geostatistische Analyse verwendet. Der Benutzer kann mehrere Linien digitalisieren und sogar selbstüberschneidende Linien mit vielen Scheitelpunkten erstellen. Das dritte Werkzeug namens Feature based Fences<\/STRONG> erstellt Zäune basierend auf vorhandenen Features in einem Polyline-Feature. In diesem Fall wird die Form des Zauns durch das vorhandene Feature bzw. Features bestimmt und erstreckt sich durch die Z-Dimension der ausgewählten Stichprobenpunkte. Zum Beispiel könnte es angewendet werden, um nach Öllecks über einer Ölpipeline zu suchen, die am Meeresboden verlegt ist.

Alle Werkzeuge enthalten Optionen, mit denen der Benutzer die Mindestanzahl an Stichprobenpunkten und Zaungröße festlegen kann, um eine vernünftige geostatistische Oberfläche zu erzeugen. Die Werkzeuge sind auch zeitabhängig. Wenn die Stichprobendaten ein Datums-Zeit-Feld enthalten und diese Option aktiviert ist, wird für jedes Zeitintervall ein Zaun generiert, sofern die Proben für dieses Intervall und diesen Ort die vom Benutzer festgelegten Mindestanforderungen erfüllen. Die resultierenden Zäune für aufeinanderfolgende Zeitfenster sind an denselben Positionen angeordnet. Um eine bessere visuelle Analyse zu ermöglichen, sollten diese daher als Zeitanimationen angezeigt werden.

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