Научная статья на тему 'Построение планетарной цифровой модели рельефа и ее приложения'

Построение планетарной цифровой модели рельефа и ее приложения Текст научной статьи по специальности «Геология»

144
182
Поделиться
Область наук

Аннотация научной статьи по геологии, автор научной работы — Дементьев Ю. В., Кулик Е. Н., Дергачева Е. В.

В СГГА ведется работа по построению планетарной цифровой модели рельефа (ПЦМР) и ее приложениям в гравиметрии. Модель строится по узлам регулярной сетки с шагом 5'×5' на основе модели радарной топографической съемки SRTM.

Похожие темы научных работ по геологии , автор научной работы — Дементьев Ю.В., Кулик Е.Н., Дергачева Е.В.,

GLOBAL DIGITAL ELEVATION MODEL AND APPLICATIONS

SSGA is building a global digital elevation model and working on model's applications in gravimetry. The model has the nodes of a regular grid with cell size 5'×5', is based on data of Shuttle Radar Topography Mission (SRTM).

Текст научной работы на тему «Построение планетарной цифровой модели рельефа и ее приложения»

УДК 528.2

Ю.В. Дементьев, Е.Н.Кулик, Е.В. Дергачева СГГ А, Новосибирск

ПОСТРОЕНИЕ ПЛАНЕТАРНОЙ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ РЕЛЬЕФА И ЕЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

В СГГА ведется работа по построению планетарной цифровой модели рельефа (ПЦМР) и ее приложениям в гравиметрии. Модель строится по узлам регулярной сетки с шагом 5'*5' на основе модели радарной топографической съемки SRTM.

Yu.V. Dementiev, E.N. Kulik, E.V. Dergacheva Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)

10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation

GLOBAL DIGITAL ELEVATION MODEL AND APPLICATIONS

SSGA is building a global digital elevation model and working on model’s applications in gravimetry. The model has the nodes of a regular grid with cell size 5'*5', is based on data of Shuttle Radar Topography Mission (SRTM).

В настоящее время геопространственная информация находит всё большее применение в различных областях науки и производства, а эффективность решения геопространственных задач с помощью геоинформатики значительно повышается. Этому способствует всё большая доступность исходных данных, создание разнородных баз данных, появление всё более мощных персональных компьютеров, а также глобальная информационная сеть Интернет.

В последние годы особое место в мире информационных технологий отводится географическим информационным системам. Современные методы анализа геопространственных данных применяемые в ГИС могут быть очень простыми, в ряде случаев надо лишь создать аналитическую карту; или более сложными и комплексными, включающими много расчётных величин для моделирования реального мира и объединение большого числа различных слоёв.

Очевидно, что способы отображения и представления геопространственной информации должны совершенствоваться и развиваться по пути повышения наглядности, информативности и эстетичности.

Одним из способов изображения рельефа с применением современных технологий является построение цифровой модели рельефа (ЦМР).

ЦМР - это определенная форма представления исходных данных и способ их структурного описания, позволяющий восстановить исходную поверхность рельефа территории местности в цифровом виде.

Использование ЦМР постепенно становится неотъемлемой частью исследований в науках о Земле, экологии, земельном кадастре и инженерных проектах.

Аналитическая обработка ЦМР служит для получения производных морфометрических или иных данных, включая вычисление углов наклона и экспозиции склонов; анализ видимости/невидимости; построение ЦММ и профилей поперечного сечения; оценку формы склонов через кривизну их поперечного и продольного сечения; вычисление положительных и отрицательных объемов; генерацию линий сети тальвегов и водоразделов, образующих каркасную сеть рельефа; интерполяцию высот; построение изолиний; цифровое ортотрансформирование изображений, расчета различных редукций аномалий силы тяжести в гравиметрии и другие вычислительные операции, и графоаналитические построения [1].

Построение ЦМР требует определённой структуры данных. Исходные точки могут быть по-разному распределены в пространстве: сбор данных может осуществляться по точкам регулярной сетки, по структурным линиям рельефа и хаотично.

Источниками исходных данных для создания ЦМР суши служат:

а) Цифровые и аналоговые топографические карты и планы;

б) Данные дистанционного зондирования Земли (стереопары аэрофото-, радиолокационных и космоснимков);

в) Результаты наземных съёмок (тахеометрическая съёмка, нивелирование, GPS-съёмка и др.)

г) Лазерное сканирование.

При изучении формы, размеров и гравитационного поля Земли требуется знание данных о рельефе всей поверхности Земли, т.е. требуется планетарная цифровая модель рельефа (ПЦМР). Очевидно, что такие модели могут быть более разряженные, чем ЦМР локальных территорий. Ведущими учеными центрального научно-исследовательского института геодезии, аэрофотосъемки и картографии (ЦНИИГАиК) выполняются большой объем работ по изучению и моделированию гравитационного поля Земли (ГПЗ). Так в последние годы, по данным средних аномалий силы тяжести в трапециях размером ЭО’хЭО’ по широте и долготе, получена планетарная модель ГАО2008 [2]. Ведутся работы по построению новой глобальной модели ГПЗ с более детальными аномалиями силы тяжести по трапециям размером 5’х5’ [3]. Очевидно, что модели ГПЗ неразрывно связаны с ПЦМР. При вычислении аномалий, как разностей измеренных и нормальных значений силы тяжести, вводятся поправки (редукции) за влияние топографических масс, расположенных между физической поверхностью Земли и отсчетной поверхностью нормального гравитационного поля (поверхность эллипсоида). Следовательно, при расчете полной топографической редукции аномалий силы тяжести требуется ПЦМР, построенная по узлам регулярной сетки.

Анализируя множество цифровых моделей рельефа для построения ПЦМР, в качестве основы мы выбрали модель радарной топографической съемки Shuttle Radar Topography Mission [4], покрывающую около 80% всей поверхности суши земного шара. Оставшуюся часть предварительно планируется заполнить по данным картографирования земной поверхности.

В рамках международного космического проекта Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) по радарной топографии Земли возглавляемого NASA проведенного с 11 по 22 февраля 2000 г., с борта космического корабля многоразового использования "Endeavour" выполнена трёхмерная съёмка поверхности Земли в районах, расположенных между 60° северной и 56° южной широты.

SRTM - это международный проект по радарной топографии Земли между Национальным агентством по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA), Национальным пространственно-информационным агентством (NGA) (также известным как Национальное картографическое управление, NIMA) министерства обороны США (DoD) и немецким (DLR) и итальянским (ASI) космическими агентствами [4].

Чтобы получить трёхмерные данные о поверхности Земли, инженеры оборудовали космический корабль двумя радарными антеннами использующие сигналы в C- и X-диапазонах (длина волны 5,6 и 3,1 см соответственно), добавив выдвижную 60-метровую мачту (рис. 1).

Рис. 1. Оборудование SRTM для выполнения радарной интерферометрической съёмки поверхности Земли космическим кораблём

"Endeavour"

Main antennas (transmit and receive) - главная антенна (передача и приём сигналов); L-band - L-полоса; C-band - С-полоса; X-band - X-полоса; Mast -мачта; AODA - авиакосмическая электроника определения пространственного и орбитального положения; Outboard antennas (receive only) - внешняя (вспомогательная) антенна (только приём сигналов)

Таким образом, система могла работать как однопроходный интерферометр, обеспечивающий эффективный и точный сбор высотных данных о поверхности земного шара [4].

Всего в результате съёмки выполнено около триллиона измерений и получено 12 терабайт радиолокационных данных, которые в течение двух лет

проходили обработку специалистами NASA и других организаций, в частности, представителями немецкого и итальянского космических агентств.

В настоящее время данные SRTM существуют в нескольких версиях: предварительная (версия 1, от 2003г.) и окончательная (версия 2, от февраля 2005 г). Окончательная версия прошла дополнительную обработку,

выделение береговых линий и водных объектов, фильтрацию ошибочных значений. Кроме того, существует версия 3, полученная организацией CIAT из оригинальных высотных данных путём обработки, которая обеспечила получение гладких топографических поверхностей, а так же интерполяцию областей, в которых отсутствовали исходные данные[5].

Данные версии 1 и 2 распространяются в нескольких вариантах - сеть с размером ячейки 1 угловая секунда (что соответствует пространственному разрешению порядка 30 м) и 3 угловые секунды (порядка 90 м). Точность данных по высоте составляет 16 м.

Более точные односекундные данные доступны на территорию США, на остальную поверхность Земли доступны только трёхсекундные данные.

Данные версии 1 и 2 распространяются квадратами размером 1°х1° в формате HGT.

Данные версии 3 распространяются в виде файлов ARC GRID, а также ARC ASCII и в формате GeoTiff, квадратами 5°х5° в системе координат WGS84[6].

Дополнительно с представленными данными в виде отдельных слоев также распространяются данные SWBD по площадным гидрографическим объектам.

Данные всех версий свободно доступны в Интернет.

На основе этой информации в СГГА ведется работа по построению ПЦМР по узлам регулярной сетки с шагом 5’х5’.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пространственное моделирование средствами ГИС для морфотектонического

анализа [Электронный ресурс] / Е.А. Вишневская, А.В. Елобогоев, Е.М. Высоцкий, Н.Н. Добрецов. - Электрон. текст. и граф. данные // Из материалов международной конференции «Интеркарто-6» - Новосибирск: Объединённый институт геологии,

геофизики и минералогии Сибирского отделения РАН, 2000. - Режим доступа: http://www.masters.donntu.edu.ua/2004/ggeo/soloyjov/library/lib8.htm, свободный.

2. Демьянов, Г.В. Планетарные модели гравитационного поля Земли, их роль в современных условиях развития геодезии [Текст] / Г.В. Демьянов, Р.А. Сермягин // Геодезия и картография. - 2009. - №10. - С.8-12.

3. Демьянов, Г.В. Построение общеземной системы нормальных высот [Текст] / Г.В. Демьянов, А.Н Майоров, М.И. Юркина // Геодезия и картография. - 2009. - №1. -С.12-16.

4. Shuttle Radar Topography Mission [Электронный ресурс]: The Mission to Map the

World / JPL NASA; ред. Eric Ramirez. - Электрон. текст. данные, граф. данные и табл. -California: PFMA Group, 2005 - 2006. - Режим доступа:

http://www2.jpl.nasa.gov/srtm/index.html, свободный.

5. GIS-Lab [Электронный ресурс]: Географические информационные системы и дистанционное зондирование: О данных SRTM и их импорте с помощью Arcinfo

Workstation / Авторский коллектив GIS-Lab ; координатор GIS-Lab Максим Дубинин. -Электрон. текст. данные, граф. данные и табл. - [Б. м.: б. и.], 2002 - 2009. - Режим доступа: http://gis-lab.info/qa/srtm.html, свободный.

6. Муравьёв, Лев. Высотные данные SRTM против топографической съёмки [Электронный ресурс]: Авторский материал / Лев Муравьёв. - Электрон. текст. и граф. данные. - [Б. м.]: Институт геофизики УрО РАН, 2008. - Режим доступа: http://www.bestreferat.ru/referat-97438.html, свободный.

© Ю.В. Дементьев, Е.Н.Кулик, Е.В. Дергачева, 2010