2013年12月22日 星期日

102.12.19 Week15 上課心得與國外文獻

一、課堂筆記

本週課程包括主要為檢討第三次大作業,並且由個研究室派代表報告,因此不僅完成本作業三練習,還能學習不同研究室專業同學的不同作法。
首先是東庭同學的報告,帶給我的學習:
本次的作業三,因為包含了一些流域的定義,因此在難度上較高,故各研究室安排時間,開會討論可行方案與資源選擇,東庭同學提供了很多很好的圖資來源,例如 水利署 地理資訊倉儲中心,提供多種圖資,如河川水位測站、雨量測站、河川等圖資,格式為kml,經轉檔方能使用。
另外 以下整理一些提供國內各項圖資下載的來源:
1.交通部運研所 (台灣各縣市、河流shp)
2.中央地質調查所(崩塌地等坡災潛勢kml)

在操作gis之前,要先確認圖資來源是否較具公信力及內容是否為所需的資料。
最高流域的操作方式,多組同學使用與我類似的等高線線相交法,老師說明,既然都已經取得高程數據,何必再多一步,先產生等高線,再線相交取得高程呢? 直接找出流域中接觸的網格中,最大的數值,即可找到最高流域,目前在Arcgis中得知可以查看屬性表功能內,有MAX值的功能,可以直接找出最大值,而在qgis之中,目前暫時想到可能以高程分層設色圖,來做為最高高程判識方法。老師提到一個重要的觀念,因為每個人找到的流域最高高度,接與立霧溪維基百科專頁中,寫到的3443公尺不同,而我們一直認為我們一定有哪裡做錯,但是老師說明,其實所謂的流域最高高程,那個最高流域是人去界定的,因為假設若未來DEM解析度已能達到10*10公分時,我們便可以重建較現在更細的支流,而其最高流域追根溯源後,會發現到處都是最高流域(無限多個),因為解析度已達10*10公分,連高山中,滿地微小的細流也是最高流域(也可能是一個濕地)且上游某段溪流可能也會突然換名字,又突然換回來,此時就會發現,最高流域的判別本來就有不同的差異,因此我個人於本作業中,找到的最高流域高程為3150公尺,與水利署官方的3443公尺之間的差距,是可以被接受的。(最高流域取決與DEM的解析度)
而且早期資源較不發達,水文學中許多測定方法皆是依據等高線法去計量,較現在高解析度的數值高程模型DEM已經非常容易取得,而我們是採用DEM和GIS之方法,進行重新測量,因此結果本來就可能不同,甚至以此作法的精度及可信度,可能較傳統做法來的好,而水利署的河川數據大部分皆是以前舊有的等高線計算法取得的,因此與我們以DEM、GIS計算的數據會有所不同。
另外,在徐昇式雨量站的題目中,我們發現水利署所提供的雨量測站點位與氣象局所提供的測站點位不同,老師解釋到,當然會不同,因為不同單位之間,不一定會整合,而一般來說,氣象局的雨量站常常在增設及移動位置,且數量較多,應以氣象局的資料為主,水利署為輔,但是兩者都融合使用,才是最佳依據。
而在平均坡度這題,各組人員更是費力解釋如何算得,其中東庭同學使用的是勞倫生法,但是老師認為勞倫生法的計算要求及定義複雜,而我以arcgis產生坡度後,再利用統計工具,統計出平均值,為66%為集水區平均坡度,而流域平均坡度為33%,另還有主流平均坡度,三者是不同的意義,本來以為我的平均坡度66%式很怪異的數字,但是老師說,若以集水區來講,這是有可能的數值,因為立霧溪確實很陡,而水利署的主流平均坡度1:35(約3%),是指主流河川地平均坡度,3%也是合理的。
老師說raster網格式資料非常好用,網格中儲存的代表數據不同,即可內插法後產生多種的用途,如空氣汙染、水汙染、噪音值圖等等,而可透過raster的計算工具,再與土壤種類、坡度、計算出沖蝕量,所以應用非常多種且強大。
面積/主流長度=主流平均寬度
水系: 線(包含主流、支流、相連的湖泊、沼澤)
流域: 面
最後在徐昇式多邊形題中,產生的徐昇式多邊形要大於(包含)欲算權重範圍,算出的面積占比權重才有意義,否則剩餘未佔權重的面積,變得沒有意義,而若參考雨量站不夠充足,可以在範圍外很遠處加點虛設雨量站,用意是為了使不足的雨量站產生的多邊形面積可以涵蓋整個欲算範圍,而虛設的雨量站要在範圍外遠處。
建儒同學找到網路教學類似於我們使用qgis操作流域的過程,可供參考

二、網路文獻

1.Aster
The first version of the ASTER GDEM, released in June 2009, was generated using stereo-pair images collected by the ASTER instrument onboard Terra. ASTER GDEM coverage spans from 83 degrees north latitude to 83 degrees south, encompassing 99 percent of Earth's landmass.

The improved GDEM V2 adds 260,000 additional stereo-pairs, improving coverage and reducing the occurrence of artifacts. The refined production algorithm provides improved spatial resolution, increased horizontal and vertical accuracy, and superior water body coverage and detection. The ASTER GDEM V2 maintains the GeoTIFF format and the same gridding and tile structure as V1, with 30-meter postings and 1 x 1 degree tiles.

Version 2 shows significant improvements over the previous release. However, users are advised that the data contains anomalies and artifacts that will impede effectiveness for use in certain applications. The data are provided "as is," and neither NASA nor METI/Japan Space Systems (J-spacesystems) will be responsible for any damages resulting from use of the data.

As a contribution from METI and NASA to the Global Earth Observation System of Systems (GEOSS), ASTER GDEM V2 data are available free of charge to users worldwide from the Land Processes Distributed Active Archive Center (LP DAAC) and J-spacesystems.The GDEM is available for download from NASA ReverbLP DAAC Global Data Explorer, and J-spacesystems ASTER GDEM Page.
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這幾週的GIS課程,讓我知道原來全球數值高程模型(DEM)已經非常容易取得,而其來源為ASTER組織,在2009年他們公布了第一版的GDEM,涵蓋範圍從北緯83度到南緯83度,涵蓋將近99%的陸地面積,而在第二版的GDEM中,他們透過技術的提升,成功降低雜訊干擾,因此解析度得以提升,水平和垂直精度也提高,達到30*30公尺,他們指出,本DEM是由日本經濟產業部及美國NASA合作的全球綜合觀測系統(GEOSS)合作,並且開放全球用戶下載。有了ASTER提供的圖資,可以下載各國的DEM,對於未來可以提供分析國外地形的極方便取得圖資之方法,我嘗試連線到ASTER GDEM下載專頁,註冊會員後,可以依據手動圈選網格、上傳polygon、上傳shapefile、以經緯度選擇等方式,選取要下載的DEM圖資,而我嘗試下載日本及韓國區域,發現真的可以下載,但是範圍大,檔案切割數量多,容量偏大,但至少得知了一個很好的DEM取得來源。

2.盤古大陸國界地圖
盤古大陸(德語,英語: Pangaea或德語,英語: Pangea),又稱「超大陸」、「泛大陸」,有「全陸地」(德語: Ganzerde, 英語: all earth)的意思。盤古大陸是指在古生代至中生代期間形成的那一大片陸地。而這個名字是由提出大陸漂移學說的德國地質學家阿爾弗雷德·魏格納所提出的。然而若是將現今發展在各大洲的各國,重新還原到古盤古大陸,約六億五千萬年前的模樣,其還原結果可參考下圖,相當有趣的作法,然而台灣當時是不存在的。
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2013年12月17日 星期二

102.12.12 Week14 上課心得與國外文獻

一、上課筆記

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檢討實務練習02(大作業二),老師說目前免費提供全球的數值地形資料(DEM)的來源有ASTER、SRTM兩個提供者,就是aster(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)的背後創建者是誰呢,有如此大的能力去做全球的數值高程模型,原來是美國航太總署(NASA)旗下的噴射動力實驗室(Jet Propulsion Laboratory)所做的計畫。

常用的數值高程模型(DEM)格式: .Asc、.Lan、.TIF,以TIF來說,其本為圖片的一種格式,只是究其原理,圖片本屬網格性質,只是圖片上各網格儲存的資訊為顏色資訊,因此我們看上去就變成一張彩色圖片,利用相同原理,只是把每個網格紀錄的內容改為高程數據,如此一來TIF格式也能作為儲存高程數據的格式之一。

由於實務練習03之中,有要求計算流域的平均坡度,所以老師對於平均坡度的概念作說明。
平均坡度最簡單的概念就是 每100公尺的水平距離,高程上升幾公尺,表示為百分比,而我國的河川常以比值表示之,如1:35。
同學補充: 一般道路設計,平均坡度不會超過7%,因為7%已有明顯的爬坡感受,但是其實在許多山區道路、產業道路其平均坡度甚至達到15%,然而到20%時汽車爬坡困難。
另外在座標系統的部分,老師指出TM2 TWD97各代表的意義為何?
TM2指的是 投影系統 (橫麥卡托二度分帶) 把地球曲面轉為平面的過程。
TWD97 指的是座標系統,是地球大小的定義。
老師提到等雨量線法怎麼算其平均雨量呢?
各等雨量線取中間值,例如20、30兩等雨量線之間的面積,以25雨量表示,再算各塊等高線之間的面積之權重,取得平均雨量。

二、實務練習03


三、國外文獻學習

1.What is the difference between DEM, DSM and DTM?
A DEM is a 'bare earth' elevation model, unmodified from its original data source (such as lidar, ifsar, or an autocorrelated photogrammetric surface) which is supposedly free of vegetation, buildings, and other 'non ground' objects.

A DSM is an elevation model that includes the tops of buildings, trees, powerlines, and any other objects. Commonly this is seen as a canopy model and only 'sees' ground where there is nothing else overtop of it.

(A DTM(is effectively a DEM that has been augmented by elements such as breaklines and observationsother than the original data to correct for artifacts produced by using only the original data. This is often done by using photogrammetrically derived linework introduced into a DEM surface. An example is hydro-flattening commonly seen in elevation models done to FEMA specificationsdigital surface models)is effectively a DEM that has been augmented by elements such as breaklines and observations other than the original data to correct for artifacts produced by using only the original data. This is often done by using photogrammetrically derived linework introduced into a DEM surface. An example is hydro-flattening commonly seen in elevation models done to FEMA specifications

DTM(digital terrain models): bare-earth representation with irregular spaces between points (non-raster).

DEM(Digital elevation models): gridded raster representation of the DTM.
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在gis的應用中,常常會用到DEM,但是又有人講DTM或DSM,究竟三者之間有何差異,想要進一步了解,因此搜尋相關文獻,找到網路上相關說明。

DEM是指真實地球的數值高程模型,所謂"真實"指地球表面的自然地形起伏,以原始數據源進行儲存,未進行任何修改,所以也不包括地表上的植物、人工建築物及其他非自然地貌的起伏物體。

DSM是另一種數值高程模型,與DEM不同之處在於它允許包含人工建築物、植物、樹木甚至電線杆等物體的頂部。(請查看左示意圖)
而DTM可以視作一種強化後的DEM,它強化了地形的輪廓線,並且透過航照照片進行校正。


2.Inverted Earth
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看到網路上分享著有趣的圖片,利用反轉全球數值地形模型DEM的數值,創造出與現今地球陸海顛倒的世界,由於全球DEM日趨發達且自由取得,所以有了DEM就可以創建屬於自己的世界。

2013年12月9日 星期一

102.12.5 Week13 上課心得與國外文獻

一、上課筆記

本週的課程前半段由沈志全老師代課,課程中提到一些重點:

我們在使用徐昇多邊形法時,會需要雨量站的點位資料,但是並非所有的雨量站點位都要納入分析,要考慮到資料本身的品質、長度以及是不是研究所需的資料內容,先行選點後,在納入分析研究。
氣象站 不等於雨量站,兩者的是有等級差異的,id為4開頭的,表示為氣象站,且為重要的測站,而有些id開頭編碼為A或C者,表示為自動站,等級較低。
在座標系統方面,由於台灣早期氣象站使用的座標為GRS67,並非目前國際上較通用的WGS84,因此目前多數的氣象站座標仍繼續使用GRS67,誤差約200公尺,所以當要求精度較高時,要記得轉換座標才能與其他圖層疊圖使用。

另外,課堂中提到,有一個網站提供全球各國的地形高程(DEM)下載,網站為CGIAR-CSI(http://www.cgiar-csi.org/data/srtm-90m-digital-elevation-database-v4-1#download),該網站將世界各國分為多個網格,可以點選個別網格下載,而台灣被分為上下兩塊,分別為srtm_mk_61_07、srtm_mk_61_08,因此下載後仍需自行合併,才會有台灣本島完整的DEM。
而老師也特別提到,圖資只要經過切割或轉換,就會影響到影像的品質,進而造成誤差。
老師說明R to V、V to R工具,此處的R指Raster(網格),V指Vector(向量)。

二、實務操作02

以下說明實務練習02的操作概要。

第一題: 貓纜地形等高線主題圖
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第二題:貓纜沿線地形剖面與坡度資訊主題圖
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第三題: 貓纜沿線半徑2.5km內之96小時累積降雨分布情形資訊主題圖
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第四題: 貓纜沿線半徑2.5km內土石流潛勢溪流位置之主題圖
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三、網站學習

CGIAR-CSI
The CGIAR is a global partnership of research organizations dedicated to reducing poverty and hunger, improving human health and nutrition, and enhancing ecosystem resilience through agricultural research. Consortium for Spatial Information (CGIAR-CSI) is spatial science community that facilitates CGIAR’s international agricultural development research using spatial analysis, GIS, and remote sensing.

The SRTM digital elevation data provided on this site has been processed to fill data voids, and to facilitate it’s ease of use by a wide group of potential users. This data is provided in an effort to promote the use of geospatial science and applications for sustainable development and resource conservation in the developing world. Digital elevation models (DEM) for the entire globe, covering all of the countries of the world, are available for download on this site.

The SRTM 90m DEM’s have a resolution of 90m at the equator, and are provided in mosaiced 5 deg x 5 deg tiles for easy download and use. All are produced from a seamless dataset to allow easy mosaicing. These are available in both ArcInfo ASCII and GeoTiff format to facilitate their ease of use in a variety of image processing and GIS applications. Data can be downloaded using a browser or accessed directly from the ftp site.
本週課程中,老師提供了一個網站,可以下載全球的高程(DEM)圖資,老師問:是什麼國家這麼厲害? 可以把全球各國的DEM建立,答案應該不難猜測到是美國,因此想利用機會試了解該網站相關內容。該網站網址中有"CGIAR",其組織理念為致力於減少貧窮與飢餓的全球夥伴關係之研究機構,也對人類的健康與營養進行研究,透過農業技術相關研究,增進生態系統的平衡,然而他們亦包含空間科學方面的研究,例如空間利用分析、國際農業發展研究、地理資訊系統以及遙測技術。

另外,CGIAR-CSI提供了全球各國的SRTM數值高程模型免費下載,可以透過全球網格地圖形式,直覺地點選台灣區塊(srtm_mk_61_07、srtm_mk_61_08)即可下載使用,如此友善且易用性高的作法,讓全球許多空間利用分析、地區永續發展及環境保育等相關研究單位與機構成為他們的使用者,下載的格式包含ASCII和GEOTIFF兩種。而方才所提,本全球數值高程模型是由美國的NASA建置,他們利用航照雷達方式,建置全球超過80%的數值高程數據,,解析度約達90公尺,最佳處可達30公尺,而其DEM誤差約小於16米。

經過搜尋,我國的中研院(Sinica)於2010年6月有相關說明:

2009年6月底美國太空總署(NASA)和日本經濟產業省(METI)在網路上免費釋出全球數值地形模型(GDEM)資料,這份資料是利用美日合作的ASTER衛星拍攝所得影像,相較於前幾年NASA公開的SRTM資料涵蓋範圍為百分之八十,並且解析度提升至30公尺,並且已經將台灣本島及澎湖區域整併為單一圖幅,可供使用者下載使用(提供GeoTiff及ERDAS Lan格式兩種)。
如此一來,便多了一種高程數值模型圖資的使用選擇。

2013年12月1日 星期日

102.11.28 Week12 上課心得與國外文獻

一、課堂筆記

前週課程中,我們學習了surfer軟體的操作,而其內建多種的內插演算法,前週作業中選用Kriging、Inverse Distance、Nearest Neighbor 三種內插法作為比較。
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如上圖,Kriging、Inverse Distance、Nearest Neighbor三種內插法的結果差異相當大,因此在進行選擇之前,必須先明白使用的類型與應用,否則若選擇不適當的內插法進行演算,差異會相當大,不僅影響結果,也產生對於其他分析應用的誤導。
老師提到,國外不僅此一款坡度計算軟體,例如ArcGIS、Qgis其實都能運算簡單的等高線圖,之所以選用surfer作為教學用途,除了其定價較平易近人外,surfer對於空間資訊的計算更為強大,老師以砂石盜採量為例,可以迅速比較兩日期之間的地形地貌變化,甚至計算兩者之間的差異量,取得砂石遺失量,而不用以人工方式去計算,相當省時省力。
另外,老師更提到,Mosaic方法 (馬賽克),其內容是將多個DEM拚疊在一起,而有著不同的高程,這對於以往我們認知的一個地點一定只有一個高程這個觀念產生了衝突,因為出現了兩個以上的高程,此時作法為,在兩不同高程之圖層之間,取中心線,並使用距離權重方式,愈接近哪層權重愈高。

老師補充了一點,在任何情況下,解析度越高,出現的雜訊值就會越高(相機畫素亦同),因此surfer在處理較高解析度的等高線時,會出現雜訊偏差,雖surfer內建基本的優化程序,但效果仍相當有限。老師提醒,若z軸過小,而x,y很大,會使地形起伏不明顯,要手動將z軸的尺度放大,才能呈現出強調起伏的地形圖。

而本週有大作業,老師說明我們要能將DAT、GRD、contour之間做轉換,更要能進行計算以取得地形變化量(Match),老師也實驗給我們看,發現若將Kriging、Inverse Distance、Nearest Neighbor三種內插法各別相減,可以取得他們個別的差異,而差異多出現於外圍,中心區塊的差異較小,因此做研究的時候,以中心區塊較為準確。

二、參考文獻

1.What's New in Surfer 11?
本課程使用的版本為surfer 8,進行網站瀏覽時,發現原來surfer已經進化到11版,因此稍微了解了新版本11中,提供的新功能。空間多元的計算應用一直是surfer的強項,而這也體現於11版之中,官方強調能夠建立流域的地圖,並且允許對其屬性編輯,而其中更內建了強大的編輯工具,另外在一些距離與面積的計算也加強了許多,也解除了以往許多使用上的限制,並且支援更多種解析度的圖資,官方也強調,他們特別加入了類似於gis操作體驗的圖層操作概念,使你的圖層更有組織性更加直覺,對於國際的字體編碼也增加其支援性,提供參考地圖的功能,而出圖物件的設定中,提升客製化的程度,增進檔案之間的兼容性,並且加入了新的座標系統與投影基準面。
透過官方釋出的截圖(請參考下圖),可以看到對於屬性資料的易讀性都相對有了提升。
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更完整的編輯工具
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更直覺的距離測量與面積計算
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更友善的圖層操作體驗
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