Geo-feature modeling uncertainties in discrete global grids: a case study of downtown Calgary, Canada
discrete global grid systems, Open Geospatial Consortium, geo-feature modeling, geometric uncertainties, topological uncertainties.
https://doi.org/10.1139/geomat-2020-0011
The Open Geospatial Consortium has officially adopted discrete global grid systems (DGGS) as a new option for Earth reference standards. Many state-of-the-art DGGS implementations have been developed, revealing the potential for DGGS applications. Before the wide application of DGGS in solving real-world problems, however, the potential uncertainties of modeling on DGGS should be investigated and documented. This study focused on the uncertainties of geo-feature modeling on DGGS, quantitatively measured the point position displacement and line and polygon features’ geometry distortion, and evaluated the validity of topological relationships. Specifically, traffic cameras (points), main streets (lines), and land-cover classes (polygons) of downtown Calgary (AB, Canada) were modeled in various DGGS configurations at multiple resolutions. Results showed that the point displacement and polygon distortion generally reduced when being modeled at a higher resolution. The tessellations with the monotonical convergence characteristic are recommended if cell indices are expected to represent levels of model precision. Line features’ fidelity was affected by grid tessellations, resolution levels, grid orientation relative to the Earth, and the rotated line directions. The degree of the line distortion was not straightforward to forecast. Maintaining the topological validity between spatial objects with various granularities was challenging and needed further algorithm development for DGGS implementations. The study outcomes can serve as useful guidelines in the selection among grid types, refinement ratios, and resolution levels when applying DGGS implementations to urban environments. This paper also pinpoints several research directions that can benefit the quantization and analysis of vector features on DGGS.
L’Open Geospatial Consortium a officiellement adopté les Systèmes de grilles mondiaux discrets (DGGS — « discrete global grid systems ») comme nouvelle option pour les normes de référence terrestre. Plusieurs mises en place d’avant-garde des DGGS ont été développées, révélant le potentiel des applications des DGGS. Toutefois, avant d’en arriver à une application étendue des DGGS pour régler les problèmes du monde réel, les incertitudes potentielles de la modélisation des DGGS devraient être examinées et documentées. La présente étude met l’accent sur les incertitudes de la modélisation des caractéristiques géographiques des DGGS, ayant mesuré quantitativement le déplacement de la position du point ainsi que la distorsion géographique des caractéristiques des lignes et des polygones et ayant évalué la validité des relations topologiques. Plus particulièrement, les caméras de circulation (points), les rues principales (lignes) et les catégories de couverture terrestre (polygones) du centre-ville de Calgary ont été modélisées dans diverses configurations des DGGS à de multiples résolutions. Les résultats ont permis de déterminer que le déplacement du point et la distorsion du polygone diminuent généralement lorsqu’ils sont modélisés à une résolution plus élevée. Les pavages avec la caractéristique de la convergence monotonique sont recommandés si on s’attend à ce que les indices des cellules représentent les niveaux de précision du modèle. La fidélité de la caractéristique de la ligne a été altérée par les pavages de la grille, les niveaux de résolution, l’orientation de la grille par rapport à la terre et le sens de la rotation de la ligne. Le degré de distorsion de la ligne n’était pas facile à prévoir. Le maintien de la validité topologique entre les objets spatiaux avec diverses granularités était complexe et nécessitait le développement d’un autre algorithme pour les mises en place des DGGS. Les résultats de l’étude peuvent servir de lignes directrices utiles dans la sélection parmi les types de grilles, les ratios d’amélioration et les niveaux de résolution lors de l’application des mises en place des DGGS aux environnements urbains. La présente communication identifie également plusieurs orientations de recherche qui peuvent tirer profit de la quantification et de l’analyse des caractéristiques des vecteurs sur les DGGS.