Создание цифровых моделей рельефа местности на основе материалов дистанционного зондирования земли

Оперирование трехмерными географическими данными является необходимым во многих приложениях в области геологии, архитектуры, градостроительства и т. д. В настоящее время наиболее значимые области человеческой деятельности пополнились такими новыми понятиями, как 3D городское планирование, телекоммуникация, экологический мониторинг, государственные аварийно-спасательные работы, ландшафтное планирование, геологические и горные работы, мониторинг транспорта, рынок недвижимости, гидрографическая деятельность, управление утилизацией отходов и военные приложения. [7] Вследствие этого наблюдается возрастающий интерес к развитию методов трехмерного моделирования объектов в области геоинформатики, геодезии, картографии и т. д. Материалы топографо-геодезической изученности территории широко применяются в экологических, гидрологических, сельскохозяйственных, почвоведческих, климатологических, геологических, геоморфологических и многих других науках. Трехмерное математико-картографическое моделирование с использованием послойной визуализации позволяет проводить широкий ряд аналитических операций с тематическими поверхностями, синтезировать и анализировать ситуацию и процессы. Явное преимущество трехмерного моделирования - это возможность комплексного анализа и прогнозирования ситуаций с использованием пространства. Трехмерные модели являются эффективным средством для управления объектами, которыми могут быть отдельные территории, города, районы, административно-территориальные единицы и целые государства. Топографические карты как один из результатов топографо-геодезических изысканий позволяют моделировать, анализировать и в дальнейшем планировать, прогнозировать развитие тех или иных процессов, связанных с территорией Земной поверхности. Трехмерное моделирование средствами геоинформационных систем расширяет возможности анализа, позволяет создавать блоковые геоинформационные модели с использованием операций «Оверлей» и наглядно отображать геологию, гидрологию, экологию и другие структурные части территории как единого «организма». [1]

Для создания 3D-моделей рельефа сначала необходимо собрать исходные данные. С появлением спутниковых систем дистанционного зондирования Земли процесс создания картографических материалов стал менее трудоемким и более наукоемким.

В 2003 году Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (National Aeronautics and Space Administration, NASA) опубликовало материалы спутниковой радиолокационной съемки Земли (Shuttle Radar Topography Mission, SRTM) в виде цифровой модели рельефа (Digital elevation model, DEM) с пространственным разрешением от 30 до 90 метров. В открытом доступе были опубликованы матрицы высот с шагом 90 * 90 метров на всю территорию Земной поверхности в виде файлов ARC GRID, а также ARC ASCII и в формате Geotiff. [4, 5]

Shuttle radar topographic mission (SRTM) - радарная топографическая съемка большей части территории земного шара, за исключением самых северных (>60), самых южных широт (>54), а также океанов, произведенная за 11 дней в феврале 2000г с помощью специальной радарной системы. Двумя радиолокационными сенсорами SIR-C и X-SAR, было собрано более 12 терабайт данных. [3]

Учитывая появившейся спрос на данную информацию, необходимо проанализировать ее качество путем сравнения с топографическими картами как наиболее точной и объективной моделью рельефа. При этом предлагается использовать векторные топографические карты масштаба 1:200 000, так как их «пространственное разрешение» будет находиться в пределах 0,55 точности масштаба и соответствовать 100 м, учитывая погрешности за счет деформации бумаги при сканировании (td = 2 * tm), ошибок привязки и трансформирования (txy = 1.5 * tm) и графической точности материалов (tg = 2 * tm). [2]

Анализ структуры исходных матриц высот усложняется тем, что векторизованный картографический материал представляет собой нерегулярную матрицу высот, а данные ДЗЗ – это регулярная матрица. Качество аппроксимации поверхности с использованием нерегулярной триангуляционной модели обычно выше, чем в случае использования регулярной. [6] Поэтому для преобразования и приведения к единому виду регулярная матрица высот была преобразована в набор точек, представляющий собой нерегулярную сеть. Для этого был разработан подход, предполагающий использование ряда программных продуктов (Global Mapper 18, Google Earth PRO и MapInfo Professional) и приложений к ним. В качестве примера рассмотрим ЦМР с.п. Терекское и прилегающие к ней территории в Кабардино-Балкарской Республике.

Рассмотрим алгоритм использования разработанного подхода:

• •    Загрузка и выбор необходимого участка в программе Google Earth PRO.

• •    Экспорт в обменный формат KMZ.

• •    Импорт файла с расширением KMZ в программный комплекс Global Mapper 18.

• •    Создание по исходному материалу «рельефной сетки» и построение горизонталей с высотой сечения рельефа 50 м.

• •    Экспорт полученных векторных данных в формат Shape.

• •    Импорт Shape-файла в программный комплекс MapInfo Professional и конвертирование данных в формат TAB.

• •    Построение поверхности путем создания

  нерегулярной

  
  

триангуляционной сети (TIN-поверхность).

Рис. 1 Рабочее окно ГИС MapInfo с определением границ на космическом снимке

На рис. 2 отображен рельеф в виде горизонталей по данным дистанционного зондирования Земли (SRTM) и материалам стереотопографических съемок, а на рис. 3 её 3D модель.

Рис. 2 Рельеф с.п. Терекское

Рис. 3 Цифровая 3D модель рельефа местности

Данные ДЗЗ можно использовать только для картографических материалов масштаба 1:200 000. В этом случае точность определения высоты будет составлять 7 метров, т.к. исследуемая территория находится на европейской части РФ. [8] Величина отклонений разностей поверхностей в пределах 7 метров соответствует чуть более 90 % от всей территории. Основной вывод, который можно сделать на основе проведенных исследований, заключается в том, что данные ДЗЗ (SRTM) можно использовать для составления или обновления картографических материалов, создания трехмерных моделей поверхностей и различных пространственных анализов, точность которых соответствуют картографическим масштабам 1:200 000.

Карты масштаба 1:200 000 используются для решения следующих основных задач:

• -    изучения и оценки местности;

• -    предварительных расчетов при проектировании крупных сооружений народнохозяйственного и оборонного значения (промышленных, транспортных и т.п.);

• -    планирования и проведения инженерных изысканий и исследований по использованию природных ресурсов и освоению территорий;

• -    планирования и проведения военных мероприятий, организации взаимодействия войск, ориентирования при их передвижении и целеуказаний;

• -    обеспечения и осуществления полетов военной и гражданской авиации.

Кроме того, используется для изучения проходимости, защитных и маскировочных свойств местности, дорожной сети и производства расчетов при организации и совершении маршей.

Карты используются также в качестве основного картографического материала при создании топографических карт более мелких масштабов, различных специальных карт и других картографических документов. [6]

Стоит отметить, что карты масштаба 1:200 000 являются общегосударственными, но пользоваться данными ДЗЗ (SRTM) в большинстве случаев удобней.