A Robust Algorithm of Multiquadric Method Based on an Improved Huber Loss Function for Interpolating Remote-Sensing-Derived Elevation Data Sets

Remote-sensing-derived elevation data sets often suffer from noise and outliers due to various reasons, such as the physical limitations of sensors, multiple reflectance, occlusions and low contrast of texture. Outliers generally have a seriously negative effect on DEM construction. Some interpolation methods like ordinary kriging (OK) are capable of smoothing noise inherent in sample points, but are sensitive to outliers. In this paper, a robust algorithm of multiquadric method (MQ) based on an Improved Huber loss function (MQ-IH) has been developed to decrease the impact of outliers on DEM construction. Theoretically, the improved Huber loss function is null for outliers, quadratic for small errors, and linear for others. Simulated data sets drawn from a mathematical surface with different error distributions were employed to analyze the robustness of MQ-IH. Results indicate that MQ-IH obtains a good balance between efficiency and robustness. Namely, the performance of MQ-IH is comparative to those of the classical MQ and MQ based on the Classical Huber loss function (MQ-CH) when sample points follow a normal distribution, and the former outperforms the latter two when sample points are subject to outliers. For example, for the Cauchy error distribution with the location parameter of 0 and scale parameter of 1, the root mean square errors (RMSEs) of MQ-CH and the classical MQ are 0.3916 and 1.4591, respectively, whereas that of MQ-IH is 0.3698. The performance of MQ-IH is further evaluated by qualitative and quantitative analysis through a real-world example of DEM construction with the stereo-images-derived elevation points. Results demonstrate that compared with the classical interpolation methods, including natural neighbor (NN), OK and ANUDEM (a program that calculates regular grid digital elevation models (DEMs) with sensible shape and drainage structure from arbitrarily large topographic data sets), and two versions of MQ, including the classical MQ and MQ-CH, MQ-IH has a better ability of maximally reducing the impact of outliers, while faithfully preserving terrain features. Theoretically, MQ-IH is not a promising interpolation method, and some side effects can be found from its simulation results. For example, the contours of MQ-IH are coarser than ANUDEM in some locations of the real-world study site, and its hill shade may not strictly agree with the real-world surface at rough terrain. Furthermore, the computing cost of MQ-IH is much bigger than that of the classical interpolation methods. However, compared with the classical interpolation methods, MQ-IH has significant potential for interpolating remote-sensing-derived elevation data sets

Atti del XXXV Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche

La XXXV edizione del Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche (IDRA16), co-organizzata dal Gruppo Italiano di Idraulica (GII) e dal Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale, e dei Materiali (DICAM) dell’Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, si è svolta a Bologna dal 14 al 16 settembre 2016. Il Convegno Nazionale è tornato pertanto ad affacciarsi all’ombra del “Nettuno”, dopo l’edizione del 1982 (XVIII edizione). Il titolo della XXXV edizione, “Ambiente, Risorse, Energia: le sfide dell’Ingegneria delle acque in un mondo che cambia”, sottolinea l’importanza e la complessità delle tematiche che rivestono la sfera dello studio e del governo delle risorse idriche. Le sempre più profonde interconnessioni tra risorse idriche, sviluppo economico e benessere sociale, infatti, spronano sia l’Accademia che l’intera comunità tecnico-scientifica nazionale ed internazionale all’identificazione ed alla messa in atto di strategie di gestione innovative ed ottimali: sfide percepite quanto mai necessarie in un contesto ambientale in continua evoluzione, come quello in cui viviamo. La XXXV edizione del Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, pertanto, si è posta come punto d’incontro della comunità tecnico-scientifica italiana per la discussione a tutto tondo di tali problematiche, offrendo un programma scientifico particolarmente ricco e articolato, che ha coperto tutti gli ambiti riconducibili all’Ingegneria delle Acque. L’apertura dei lavori del Convegno si è svolta nella storica cornice della Chiesa di Santa Cristina, uno dei luoghi più caratteristici e belli della città ed oggi luogo privilegiato per l’ascolto della musica classica, mentre le attività di presentazione e discussione scientifica si sono svolte principalmente presso la sede della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna sita in Via Terracini. Il presente volume digitale ad accesso libero (licenza Creative Commons 4.0) raccoglie le memorie brevi pervenute al Comitato Scientifico di IDRA16 ed accettate per la presentazione al convegno a valle di un processo di revisione tra pari. Il volume articola dette memorie in sette macro-tematiche, che costituiscono i capitoli del volume stesso: I. meccanica dei fluidi; II. ambiente marittimo e costiero; III. criteri, metodi e modelli per l’analisi dei processi idrologici e la gestione delle acque; IV. gestione e tutela dei corpi idrici e degli ecosistemi; V. valutazione e mitigazione del rischio idrologico e idraulico; VI. dinamiche acqua-società: sviluppo sostenibile e gestione del territorio; VII. monitoraggio, open-data e software libero. Ciascuna macro-tematica raggruppa più sessioni specialistiche autonome sviluppatesi in parallelo durante le giornate del Convegno, i cui titoli vengono richiamati all’interno del presente volume. La vastità e la diversità delle tematiche affrontate, che ben rappresentano la complessità delle numerose sfide dell’Ingegneria delle Acque, appaiono evidenti dalla consultazione dell’insieme di memorie brevi presentate. La convinta partecipazione della Comunità Scientifica Italiana è dimostrata dalle oltre 350 memorie brevi, distribuite in maniera pressoché uniforme tra le sette macro-tematiche di riferimento. Dette memorie sono sommari estesi di lunghezza variabile redatti in lingua italiana, o inglese. In particolare, la possibilità di stesura in inglese è stata concessa con l’auspicio di portare la visibilità del lavoro presentato ad un livello sovranazionale, grazie alla pubblicazione open access del volume degli Atti del Convegno. Il volume si divide in tre parti: la parte iniziale è dedicata alla presentazione del volume ed all’indice generale dei contributi divisi per macro-tematiche; la parte centrale raccoglie le memorie brevi; la terza parte riporta l’indice analitico degli Autori, che chiude il volume