Повышение точности цифровой модели рельефа для целей ландшафтного картографирования на территорию Республики Дагестан Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Науки о Земле / Earth Science Оригинальная статья / Original Article УДК 528.9:004

DOI: 10.31161/1995-0675-2018-12-3-96-102

Повышение точности цифровой модели рельефа для целей ландшафтного картографирования на территорию Республики Дагестан

© 20±8 Козуб Ю. И.

Московский государственный университет геодезии и картографии, Москва, Россия; e-mail: yuliana.kozub@yandex.ru

РЕЗЮМЕ. Целями данного исследования является обзор и сравнение ЦМР (цифровых моделей рельефа), находящихся в свободном доступе с разрешением 1 угловая секунда (примерно 30 м.): ASTER GDEM V2 (GDEMV2), SRTM 1Arc-Second Global (SRTM1), ALOS WORLD 3D-30m (AW3D30), повышение точности ЦМР для целей ландшафтного картографирования. Методы. Проведено визуальное сравнение и анализ точности ЦМР относительно пунктов ГГС (государственная геодезическая сеть). Далее проведена сшивка различных ЦМР и последующее исправление проблемных мест в стереорежиме. Результат. Автором повышена точность и визуальное качество ЦМР. Выводы. Повышение точности ЦМР с указанным разрешением позволяет повысить точность крупномасштабных ландшафтных карт, отображающих морфологическую структуру ландшафта. Для создания среднемасштабных ландшафтных карт нет необходимости в повышении точности ЦМР. Наибольшей точностью на территорию Республики Дагестан обладает ЦМР ALOS WORLD 3D (AW3D30).

Ключевые слова: ландшафт, ландшафтная карта, цифровая модель рельефа (ЦМР), ЦМР ASTER GDEM V2 (GDEM V2), ЦМР SRTM 1Arc-Second Global (SRTM1), ЦМР ALOS WORLD 3D-30m (AW3D30)

Формат цитирования: Козуб Ю. И. Повышение точности цифровой модели рельефа для целей ландшафтного картографирования на территорию Республики Дагестан // Известия Дагестанского государственного педагогического университета. Естественные и точные науки. 2018. Т. 12. № 3. C. 96102. DOI: 10.31161/1995-0675-2018-12-3-96-102

The Digital Elevation Model Improving for the Landscape Mapping of the Republic of Dagestan

© 2018 Yuliana I. Kozub

Moscow State University of Geodesy and Cartography, Moscow, Russia; e-mail: yuliana.kozub@yandex.ru

ABSTRACT. Aim. Review and comparison of the DEM (digital elevation models) which are freely available with a resolution of 1 angular second (approximately 30 meters): ASTER GDEM V2 (GDEMV2), SRTM 1Arc-Second Global (SRTM1), ALOS WORLD 3D-30m (AW3D30), improving the accuracy of DEM for the landscape mapping. Methods. The author has compared and analyzed the accuracy of the DEM in regard to the points of the GGN (State geodetic network). It is carried out the stitching of various DEM and the subsequent correction of problem areas in stereo. Result. The author has improved the accuracy and visual quality of the DEM. Conclusions. Improving the accuracy of the DEM with the specified resolution improves the accuracy of large-scale landscape maps. They reflect the morphological structure of the landscape. There is no need to improve the accuracy of the DEM to create medium-sized landscape maps. The ALOS WORLD 3D DEM (AW3D30) has the highest accuracy for the territory of the Republic of Dagestan.

Keywords: landscape, landscape map, digital elevation model (DEM), ASTER GDEM V2 (GDEM V2), SRTM 1Arc-Second Global (SRTM1), ALOS WORLD 3D-30m (AW3D30).

For citation: Kozub Yu. I. The Digital Elevation Model Improving for the Landscape Mapping of the Republic of Dagestan. Dagestan State Pedagogical University. Journal. Natural and Exact Sciences. 2018. Vol. 12. No. 3. Pp. 96-102. DOI: 10.31161/1995-0675-2018-12-3-96-102 (In Russian)

Введение

Информация о рельефе используется в различных задачах картографии, при реализации геоинформационных проектов, а также при ортотрансформировании данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Ландшафт - это генетически однородный природно-территориальный комплекс,

имеющий одинаковый геологический фундамент, климат, тип рельефа и состоящий из свойственного данному ландшафту набора динамических сопряженных и закономерно

повторяющихся в пространстве основных и второстепенных урочищ.

Ландшафтные карты - один из новых типов тематических карт природы. Объектом изображения на них является не один какой-то компонент природы, а весь их комплекс. Все компоненты ландшафта тесно между собой связаны и эволюционируют как части единой природной системы [3].

Н. А. Солнцев отмечал, что ландшафтообразующие факторы по своей структуре сложны и разнообразны. Он придерживался принципа неравнозначности взаимодействующих факторов и на первом месте по важности выделял литогенную основу (геологическое строение, литология поверхностных пород и рельеф). Рельеф является одним из главных элементов ландшафта [2].

Цифровая модель рельефа (ЦМР) - это неотъемлемая часть цифровой карты или цифровой модели местности (ЦММ), где объектом «моделирования» является рельеф местности. Исходной информацией для создания такой модели являются съёмочные пикетные точки с геодезическими координатами X, Y, Z и структурные линии рельефа, вершины которых имеют координаты X, Y, Ъ [1].

Материалы и методы исследования

В качестве района работы была выбрана Республика Дагестан, так как формы рельефа республики разнообразны. Это позволяет сравнить точность ЦМР на горные территории и равнины.

Работа проведена в программном продукте PHOTOMOD, объединяющем широкий набор программных средств

фотограмметрической обработки данных

ДЗЗ.

Автором проведен обзор и сравнение ЦМР (цифровых моделей рельефа), находящихся в свободном доступе с разрешением 1 угловая секунда (примерно 30 м): ASTER GDEM V2, SRTM 1Arc-Second Global, ALOS WORLD 3D-30m. Все используемые ЦМР полностью покрывают территорию республики.

1. ЦМР ASTER GDEM V2 (GDEM V2)

Сенсор ASTER был создан METI (Министерство экономики, торговли и промышленности Японии) и запущен на борту спутника NASA Terra в декабре 1999 года. Сенсор имеет возможность стереоскопической съемки вдоль полосы пролета с помощью двух телескопов, снимающих в надир и назад в ближнем инфракрасном диапазоне.

METI и Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) 17 октября 2011 года объявили о выпуске (ASTER) Global Digital Elevation Model Version 2.

Для версии 2 добавлены 260 000 дополнительных стереопар, выполнено расширение охвата, уменьшено количество артефактов. Алгоритм обработки

обеспечивает улучшенную пространственную разрешающую способность, повышенную горизонтальную и вертикальную точность и корректную идентификацию водных объектов.

Горизонтальное разрешение ASTER GDEM v2 соответствует 1 угловой секунде. Несмотря на то, что ASTER GDEM v2 показывает значительное улучшение по сравнению с предыдущим релизом, данные все же содержат аномалии и артефакты, которые препятствуют эффективности использования материала [5].

2. ЦМР SRTM 1Arc-Second Global (SRTM1)

Shuttle radar topographic mission (SRTM) -радарная топографическая съемка, покрывающая около 80% суши, за исключением самых северных (севернее 60° с.ш) и самых южных широт (южнее 54° ю.ш), а также океанов, произведенная в

феврале 2000 г. с помощью специальной радарной системы.

Глобальная цифровая модель рельефа SRTM является совместным проектом Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), Национального агентства геопространственной разведки США (NGA) и космических агентств Германии и Италии [6].

3. ЦМР ALOS WORLD 3D-30m (AW3D30)

Цифровая модель рельефа AW3D30 создана на основе огромного количества снимков (около 3 миллионов сцен), которые образуют стереопары и "триплеты". Снимки получены с японского спутника исследования Земли ALOS (Advanced Land Observing Satellite), с помощью установленной оптико-электронной системы (PRISM), позволявшие получать

панхроматические стереоизображения с пространственным разрешением 2.5 м.

В свободном доступе находится продукт AW3D30 с размером ячейки на местности 30 м (в коммерческой версии размер ячейки составляет 5 м) [4].

По причине технологических

особенностей получения глобальных ЦМР, основанных на разных законах физики, глобальные матриц высот имеют области отсутствия информации о высотах (no data), а также области некорректных значений.

Проведен визуальный анализ

вышеобозначенных ЦМР на территорию Республики Дагестан. В качестве вспомогательных материалов для анализа использовался геопривязанный растр космических снимков спутников Sentinel-2, а также построены матрицы разностей. Общая проблема всех рассмотренных ЦМР - ошибки по высоте на хребтах и тальвегах, особенно с большой крутизной склонов. Преимущественно это происходит из-за достаточно большой ячейки растра - около 30 м.

В результате обзора и сравнения рассматриваемых ЦМР были сделаны следующие выводы:

- AW3D30 наиболее качественно из предложенных ЦМР отображает рельеф горных районов, однако содержит достаточно большое количество локальных «выбросов» значений, которые необходимо

автоматизировано устранить. На равнинных территориях очень большое количество неверных значений, хорошо видны артефакты, в некоторых местах видна застройка и лесные массивы;

- SRTM1 визуально качественнее выглядит на равнинах, так как содержит меньше артефактов, однако в горах много областей с некорректными значениями;

- GDEM V2 визуально уступает по качеству AW3D30 в горах и SRTM1 на равнинах и визуально имеет зернистую структуру.

На рис. 1 приведен пример горного участка на трех рассматриваемых матрицах, в большинстве случаев визуально качественнее выглядит AW3D30. На рис. 2 приведен пример равнинного участка на трех рассматриваемых матрицах. На ЦМР GDEM V2 невозможно рассмотреть русло реки, видны артефакты. Однако не так явно, по сравнению с другими ЦМР, выделяется лес, расположенный вдоль русла реки. На AW3D30 четко просматривается русло реки, но также явно виден лес и имеются артефакты. На ЦМР SRTM1 на равнинных участках минимально количество артефактов по сравнению с другими ЦМР.

На основе вышеизложенных выводов для повышения точности автором предложено создать ЦМР путем сшивки рассматриваемых ЦМР и последующей проверки отдельных участков в стереорежиме.

Далее проведена оценка качества рассматриваемых ЦМР относительно пунктов государственной геодезической сети (ГГС). Проверка точности проводилась относительно 3128 пунктов ГГС, покрывающих всю территорию Республики Дагестан. Из табл. 1 следует, что наиболее точной ЦМР относительно пунктов ГГС является ЦМР AW3D30. AW3D30 принято выбирать в качестве основной ЦМР. На участках, где AW3D30 содержит много артефактов, принято вшивать части других ЦМР (преимущественно на равнинных участках).

Таблица 1

Оценка точности рассматриваемых ЦМР _относительно пунктов ГГС_

ЦМР

СКО (м)

Максимальное отклонение (м)

AW3D30 5.590 58.804

GDEM v2 11.247 111.950

SRTM1 12.823 126.181

Путем визуального анализа трех рассматриваемых ЦМР и с использованием анализа матриц высот, а также с помощью измерений высоты в отдельных местах были созданы контуры, в которые было предложено вшить вспомогательные ЦМР (рис. 3). В качестве вспомогательной ЦМР в большинстве случаев использовалась ЦМР SRTM1. Далее была произведена сшивка матриц.

В дальнейшем были созданы контуры с наибольшими значениями матрицы разности AW3D30 и SRTM1, а также AW3D30 и GDEM у2, так как на данных участках наибольшая вероятность ошибок, а также контуры с вызывающими сомнение участками при визуальном анализе и контуры с участками наибольших отклонений ЦМР от пунктов ГГС. Данные контуры были проверены и исправлены в стереорежиме. Аналогично в стереорежиме были устранены наиболее высокие лесные массивы, которые не удалось убрать с помощью сшивки.

Для проверки ЦМР на проблемных участках были созданы псевдостереопары из разномаршрутных и разновременных

GDEM V2

SRTM1

снимков космических аппаратов SPOT6, ALOS, World View и QuickBird.

В итоге полученная ЦМР визуально имеет гораздо меньшее число артефактов по сравнению с исходными ЦМР. Для более полной оценки полученного результата произведена оценка точности основной исходной и полученной ЦМР относительно пунктов ГГС (табл. 2). СКО (средневадратическое отклонение) и максимальное отклонение уменьшились.

Таблица 2

Оценка точности исходной и полученной ЦМР относительно пунктов ГГС

ЦМР СКО (м) Максимальное отклонение (м)

AW3D30 5.590 58.804

Полученная 5.324 35.926

ЦМР

На рис. 4 приведен пример проблемного участка, исправленного по

псевдостереопаре. На данном участке исправлена высота и геометрия горных хребтов, устранены артефакты. Для обеих ЦМР построены профили линии, показанных на рис. 4 (рис. 5).

GDEM V2

SRTM1

Рис. 1. Пример цифровых моделей рельефа ОВЕМ у2, 8КТМ1, AW3D30 на горный участок Республики Дагестан

Рис. 2. Пример цифровых моделей рельефа

ОВЕМ у2, 8КТМ1, AW3D30 на равнинный участок Республики Дагестан

5

• • Известия ДГПУ. Т. 12. № 3. 2018

йБРиЮиЯЫАЬ Уо!. 12. N0. 3. 2018

АЖЗОЗО Ж™1

Рис. 3. Примеры контуров, в которые предлагается вшить SRTM1

Рис. 4. Пример проблемного участка, исправленного по псевдостереопаре

3147.70 3605 4 72109 1081.63 1442 .18 1802.72 Л 63.26 2523.81 2884 3 5 3244 39

Рис. 5. Высотный профиль линии на AW3D30 и полученной ЦМР

Заключение

В результате выполненной работы проведен анализ ЦМР, находящихся в свободном доступе с разрешением 1 угловая секунда (примерно 30 метров): GDEM у2, SRTM1, AW3D30. Автором повышена точность и визуальное качество ЦМР за счет сшивки различных ЦМР и последующего исправления отдельных мест в стереорежиме.

Повышение точности ЦМР с разрешением около 30 м в пикселе позволяет повысить точность

крупномасштабных ландшафтных карт, на которых отображается морфологическая

структура ландшафта. Детальные карты такого рода нужны для целей локального проектирования. Для целей создания среднемасштабных ландшафтных карт, на которых отображаются классификационные единицы ландшафта (виды, роды, типы и классы), нет острой необходимости в повышении точности ЦМР.

Среди рассмотренных моделей наибольшей точностью для территории Республики Дагестан обладает ЦМР ALOS WORLD 3D (AW3D30), которую можно использовать для целей среднемасштабного картографирования ландшафтов без повышения точности.

Литература

1. Краснопевцев Б. В., Курков В. М. Методическое пособие, программы и контрольная работа по курсу «Фотограмметрия». М.: МИИГАиК, 2012. 48 с.

2. Солнцев Н.А. О взаимоотношении «живой» и «мертвой» природы // Вестник Московского

университа. Серия География. 1960. № 6. С. 1017.

3. Ландшафтные карты [Электронный ресурс]. 11Р1_: http://www.polnajajenciklopedija.ru /geografiya/landshaftnye-karty.html (дата

обращения: 15.02.2018)

4. ALOS Global Digital Surface Model "ALOS World 3D - 30 m (AW3D30)" [Электронный ресурс]. URL: http://www.eorc.jaxa .jp/ALOS/en/aw3d30/i ndex. htm (дата обращения: 10.05.2018)

5. ASTER Global Digital Elevation Map Announcement [Электронный ресурс]. URL:

1. Krasnopevtsev B. V., Kurkov V. M. Metodicheskoe posobie, programmy i kontrol'naya rabota po kursu «Fotogrammetriya» [Methodical manual, programs and control work for the "Photogrammetry"]. Moscow, MIIGAiK Publ., 2012. 48 p. (In Russian)

2. Solntsev N.A. The relationship of "living" and "dead" nature. Vestnik Moskovskogo universita. Seriya Geografiya [Procedings of Moscow University. Geography]. 1960. No. 6. Pp. 10-17. (In Russian)

3. Landshaftnye karty [Landscape maps]. Available at: http://www.polnajajenciklopedija.ru

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ Принадлежность к организации

Козуб Юлиана Ивановна, аспирант, кафедра географии, факультет картографии и геоинформатики, Московский

государственный университет геодезии и картографии, Москва, Россия, e-mail: yuliana.kozub@yandex.ru

https://asterweb.jpl.nasa.gov/gdem.asp (дата обращения: 18.05.2018)

6. Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) 1 Arc-Second Global [Электронный ресурс] URL: https://lta.cr.usgs.gov/SRTM1Arc (дата

обращения: 19.05.2018)

/geografiya/landshaftnye-karty.html (accessed 15.02.2018). (In Russian)

4. ALOS Global Digital Surface Model "ALOS World 3D - 30 m (AW3D30)". Available at: http://www.eorc.jaxa.jp/AL0S/en/aw3d30/index. htm (accessed 10.05.2018)

5. ASTER Global Digital Elevation Map Announcement. Available at: https://asterweb.jpl. nasa.gov/gdem.asp (accessed 18.05.2018)

6. Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) 1 Arc-Second Global. Available at: https://lta.cr. usgs.gov/SRTM1Arc (accessed 19.05.2018)

THE AUTHOR INFORMATION Affiliation

Yuliana I. Kozub, Ph.D student, Department of Geography, Faculty of Cartography and Geoinformatics, Moscow State University of Geodesy and Cartography, Moscow, Russia, e-mail:

yul i ana. kozub @yandex.ru

References

Принята в печать 07.09.2018 г.

Received 07.09.2018.