Uploaded by anton.wolw00

Interpolation av Geoidhöjd (7)

advertisement
Anton Wolw
Thelma Åsvärd
EXTF80, Geografisk informationsteknik
Lantmäteri, Lunds Tekniska Högskola
Kursansvarig: Karin Larsson
Interpolation av Geoidhöjd
Introduktion
I denna övning görs studier på hur man kan bestämma geoidhöjder med avståndsviktad
medelvärdesinterpolation respektive bilinjär interpolation. Därutöver studeras också några
egenskaper hos respektive interpolationsmetod. Interpolation används för att skatta värden på
de platser som ligger mellan kända punkter. Fyra kända punkter runt respektive sökt punkt A
och B kommer att användas under övningen för att interpolera fram de sökta punkternas
respektive värden för de två metoderna.
Syfte
Syftet med denna övning är att få praktiska färdigheter i att beräkna interpolation, där man
genom att analysera metoderna ska få kunskap om de egenskaper interpolerade ytor får.
Metod
I denna uppgift har man använt sig av två metoder för att interpolera fram geoidhöjden. I
uppgift ett användes interpoleringsmetoden avståndsviktad medelvärdesinterpolation som
utgår ifrån att nyttja omkringliggande kända punkters värden, där de närmaste punkterna
kommer att få störst inflytande för att få fram den sökta punktens interpolerade värde.
Därefter nyttjar man i uppgift två interpoleringsmetoden bilinjär interpolation som kräver att
punkterna ligger i ett regelbundet rutnät, där avstånden i x- och y-led mellan de kända
punkterna och de kända punkterna värden används för att få fram den sökta punktens
interpolerade värde.
Resultat
Uppgift 1
1a) Interpolera fram värdet på punkterna A och B med hjälp av de fyra närmaste
mätpunkterna. Använd k=1.
Punkt A = 38,56302531 m
Punkt B = 39,67929958 m
Figur 1: Uträckning för punkt A med avståndsviktad medelvärdesinterpolation där k är satt till ett.
Figur 2: Uträckning för punkt B med avståndsviktad medelvärdesinterpolation där k är satt till ett.
1b) Interpolera fram värdet på punkterna A och B med hjälp av de fyra närmaste
mätpunkterna. Använd k=2.
Punkt A = 38,51907424 m
Punkt B = 39,64439044 m
Figur 3: Uträckning för punkt A och punkt B med avståndsviktad medelvärdesinterpolation där k är satt till två.
1c) Interpolera fram värdet på punkterna A och B med hjälp av de fyra närmaste
mätpunkterna. Använd k=3.
Punkt A = 38, 46129367 m
Punkt B = 39,60921991 m
Figur 4: Uträckning för punkt A och punkt B med avståndsviktad medelvärdesinterpolation där k är satt till tre.
Värden som använts för att räkna ut svaren ovan:
Punkt A
x (m)
y (m)
Avstånd till A (m)
Vikt k=1
Vikt k=2
Vikt k=3
g (m)
1343000
6179000
1000,872619
0,000999128
0,000000998
9,97386705 *10-10
38,801
1344000
6179000
723,7029777
0,001381782
0,000001909
2,63826807*10-9
38,769
1343000
6178000
807,3078719
0,001238685
0,000001534
1,90056374*10-9
38,445
1344000
6178000
416,8285019
0,002399068
0,000005756
1,38079046*10-8
38,407
Tabell 1: Värden som använts vid beräkningar för punkt A och svar som fåtts fram därefter.
Punkt B
x (m)
y (m)
Avstånd till A (m)
Vikt k=1
Vikt k=2
Vikt k=3
g (m)
1342000
6183000
1060,181588
0,000943235
0,00000089
8,39187927*10-10
39,865
1343000
6183000
1104,529312
0,000905363
0,00000082
7,42109964*10-10
39,84
1342000
6182000
453,8557039
0,002203343
0,000004855
1,0696621*10-8
39,61
1343000
6182000
549,5316187
0,001819732
0,000003311
6,02590031*10-9
39,587
Tabell 2: Värden som använts vid beräkningar för punkt A och svar som fåtts fram därefter.
1d) Vilka egenskaper får avståndsviktade medelvärdesinterpolationen då k=0? Känner
du igen dessa egenskaper från någon annan metod? Motivera varför det blir så.
När k är 0 så kommer inte vikterna att spela någon roll då alla oavsett avstånd kommer att få
värdet 1. Nämnaren kommer därmed endast bli antal uppmätta punkter n. Täljaren kommer
att bli summan av punkternas uppmätta geoidhöjder g. Svaret man får ut kommer att vara
medelvärdet av geoidhöjderna mellan de uppmätta punkterna. Man får alltså ett vanligt
oviktat medelvärde.
1e) Vilka egenskaper får avståndsviktade medelvärdesinterpolationen då k går mot
oändligheten? Känner du igen dessa egenskaper från någon annan
interpolationsmetod? Motivera varför det blir så.
Om man låter k gå mot oändligheten så kommer inflytandet från närliggande punkter att öka
och interpolationen blir lika med närmaste granne interpolation. Eftersom när k går mot
oändligheten så kommer avståndet upphöjt till k gå snabbare mot oändligheten desto större
avstånd den har. Eftersom vikten är 1 delat på avståndet upphöjt till k kommer de längsta
avståndens vikter närma sig noll snabbare än de med kortare avstånd. Detta gör att det blir
den närmaste grannen som kommer finnas kvar att interpolera med.
Uppgift 2
2) Interpolera fram värdet på punkterna A och B med hjälp av bilinjär interpolation.
Punkt A = 38,53405905 m
Punkt B = 39,61002194 m
Figur 5: Uträckning för punkt A och punkt B med bilinjär interpolation.
Uppgift 3
3a) Visa huruvida en yta som interpolerats med bilinjär interpolation är kontinuerlig
mellan rutorna (matematisk förklaring krävs).
Figur 6: Uträkning del 1 för bevis huruvida om en yta som interpolerats med bilinjär interpolation är
kontinuerlig mellan rutorna.
Figur 7: Uträkning del 2 för bevis huruvida om en yta som interpolerats med bilinjär interpolation är
kontinuerlig mellan rutorna.
Utifrån resultatet av figur 6 inklusive figur 7 kan man anta att R1 är densamma som R2,
därmed innebär detta att rutorna är kontinuerliga när en yta interpoleras med bilinjär
interpolation.
3b) Visa huruvida en yta som interpolerats med bilinjär interpolation har kontinuerliga
förstaderivator mellan rutorna (matematisk förklaring krävs).
Detta bevis utgår från samma rutnät som i uppgift 3a).
Ekvation 1: Formel för att kolla om de partiella förstaderivatorna verkligen är kontinuerliga vilket
nyttjas i beviset nedanför.
Undersökning av kontinuitet i y-led:
R1: θz/θu (u,w) = z2 - z1 + (z1 - z2 - z3 + z4) *w
R3: θz/θu (u,w) = z8 - z7 + (z7 - z8 - z1 +z2) * w
R1 och R3 är skilt från varandra, alltså ingen kontinuitet i y-led.
Undersökning av kontinuitet i x-led:
R1: θz/θw (u,w) = z3 - z1 + (z1 - z2 -z3 + z4) * u
R2: θz/θw (u,w) = z4 - z2 + (z2 - z5 - z4 + z6) * u
R1 och R2 är skilt från varandra, alltså ingen kontinuitet i x-led heller.
I och med att derivatorna ej stämmer överens, fås inga kontinuerliga bilinjära ytor. Detta
innebär att den interpolerade ytan ej heller har kontinuerliga förstaderivator.
3c) Diskutera om avståndsviktad medelvärdesinterpolation ger kontinuerliga ytor. Här
krävs inga matematiska förklaringar, men dock ett tydligt resonemang.
Avståndsviktad medelvärdesinterpolation är en metod för att skapa en yta utifrån punktdata
genom att använda en viktad medelvärde av närliggande punkter. Genom att vikta
närliggande punkter baserat på avståndet till den punkt som ska interpoleras, får man en mer
realistisk yta som bättre återspeglar terrängen eller egenskaperna hos den data som ska
interpoleras. Därmed får man när man använder avståndsviktad medelvärdesinterpolation en
kontinuerlig yta eftersom metoden skapar en interpolerad yta som täcker hela området, och
vikten av varje punkt används för att skapa en jämn och sammanhängande yta. Dessutom kan
man använda olika typer av viktfunktioner för att anpassa interpolationen efter den data som
ska interpoleras och därmed skapa en yta som bättre representerar den faktiska terrängen eller
egenskaperna. Emellertid så tar inte avståndsviktad medelvärdesinterpolation hänsyn till
icke-linjära effekter eller andra faktorer som kan påverka interpolationsresultatet i och med
att det är en linjär metod. Man måste också använda tillräckligt med punkter och välja en
lämplig viktfunktion för att få en tillräckligt noggrann och realistisk yta. Slutligen kan
avståndsviktad medelvärdesinterpolation filtrera bort tillfälliga fel om parametrarna bestäms
så. Dock har den varken kontinuerliga ytor eller kontinuerliga derivator.
Download