CC BY
31
УДК 504.064.37+551.435
ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДАННЫХ ЛАЗЕРНОЙ АЛЬТИМЕТРИИ В СРАВНИТЕЛЬНОЙ ОЦЕНКЕ НАБОРОВ ВЫСОТНЫХ ДАННЫХ
Элеонора Ринатовна Семакова
Астрономический институт им. Улугбека АН РУз, 100052, Узбекистан, г. Ташкент, ул. Астрономическая, 33, кандидат географических наук, старший научный сотрудник, тел. (+99871)235-81-02, e-mail: ella@astrin.uz
Дмитрий Геннадьевич Семаков
Астрономический институт им. Улугбека АН РУз, 100052, Узбекистан, г. Ташкент, ул. Астрономическая 33, научный сотрудник отдела прикладных космических исследований, тел. (+99871)235-81-02, e-mail: dsemakov@astrin.uz
Представлены примеры использования данных лазерной альтиметрии для двух районов исследования в горах Узбекистана в целях проведения сравнительной оценки цифровых моделей рельефа.
Ключевые слова: данные GLAS/ICESat, горные районы, ЦМР, оценка точности.
EXAMPLES OF USING THE LASER ALTIMETRY DATA IN COMPARATIVE ASSESSMENT OF ELEVATION DATA SETS
Eleonora R. Semakova
Ulugh Beg Astronomical Institute of the Uzbekistan Academy of Sciences, 100052, Uzbekistan, Tashkent, 33 Astronomicheskaya St., Ph. D., senior scientific researcher, tel. (+99871)235-81-02, e-mail: ella@astrin.uz
Dmitriy G. Semakov
Ulugh Beg Astronomical Institute of the Uzbekistan Academy of Sciences, 100052, Uzbekistan, Tashkent, 33 Astronomicheskaya St., scientific researcher of the department of applied space technologies, tel. (+99871)235-81-02, e-mail: dsemakov@astrin.uz
Examples of using the laser altimetry profile data for two study areas in the mountains of Uzbekistan to carry out a comparative evaluation of digital elevation models are presented.
Key words: GLAS/ICESat data, mountain area, DEM, vertical accuracy.
Альтиметрические измерения высот, полученные сенсором GLAS спутника ICESat (2003-2009 гг.) предназначены, в основном, для определения массы льда на всей планете и изучения влияния изменений земной атмосферы и климата на массы полярного льда и уровень Мирового океана [1]. Данные находятся в свободном доступе (www.nsidc.org), и могут также служить в качестве эталонной информации для оценки вертикальной точности цифровых моделей рельефа труднодоступных районов с весьма ограниченным набором наземных опорных точек, или их полным отсутствием.
В настоящей работе рассматриваются примеры использования данных ICESat для оценки точности построенных ранее цифровых моделей рельефа
(ЦМР) горных районов Западного Тянь-Шаня на основе интерферометрических радиолокационных данных TerraSAR-X/TanDEM-X[2], а также в сравнительной оценке высотных данных SRTM и ASTER. Один из районов исследования с высотами до 3 700 м относится к горным районам с активным проявлением геофизических процессов, таких как снежные лавины, сели и оползни. Другой район, с высотами до 4 500 м, охватывает гляциальную область с широким распространением ледников и небольших моренных озер.
Данные ICESat представляют собой профильные точечные измерения участка поверхности диаметром 70 м (минимальное расстояние между соседними точками в профиле - 172 м), которые содержат информацию о расположении и высоте земной поверхности, коэффициентах отражения, геодезических и атмосферных поправках. Точность определения высоты составляет 0,5 м для пологих поверхностей с крутизной до 3о, до 1 м - для участков с крутизной до 10о, и до 10 м - для очень крутых участков [1].
Исследуемые районы оказались охваченными 22 профилями ICESat (продукт 14, выпуск 34, 2003-2008 гг.). После преобразования их в текстовый формат, высота точек в профилях была рассчитана с учетом поправок за насыщенность сигнала, центрирование гауссовской кривой лазерного импульса, переход от эллипсоида Topex/Poseidon к эллипсоиду WGS-84, высоту геоида над эллипсоидом и сезонный снежный покров. В качестве поправки за сезонный снежный покров использована среднесуточная высота снега на ближайшей метеостанции. Программное обеспечение NSIDC позволяет изучать форму волны сигнала, измерять уровень шероховатости поверхности и оценивать, соответственно, влияние крутизны склона.
Зачастую, при наложении слоев с цифровыми моделями рельефа или вычитании одной ЦМР из другой, например, в целях определения изменения толщины льда за определенное время, обнаруживается их несовпадение, вызванное либо сдвижкой относительно друг друга, либо смещениями в зависимости от высоты местности или характерными сенсорными смещениями высокого порядка. Методика, подробно описанная в работе [3], предлагает использовать на начальном этапе универсальное уравнение коррекции, решение которого сводится к расчету экспозиции и крутизны склона, и поиску трех параметров (величин горизонтального, вертикального сдвига и его направления). Коррекцию по сдвижке ЦМР проводят с таким количеством итераций, пока стандартное отклонение высот не уменьшится до 2 % от предыдущего.
Воспользовавшись методикой [3], мы оценили совпадение высотных данных SRTM, ASTER и TanDEM-X относительно профилей ICESat, при необходимости провели их корегистрацию и рассчитали среднюю квадратическую ошибку.
Предварительно оценивая в точках профилей ICESat разность их высот с SRTM, мы отбраковали те измерения, в которых разность превышала 100 м, вызванная, видимо, наличием облаков или тумана, а также отсортировали значения высот ICESat по сезонам съемки. Поскольку распределение осадков в горных районах имеет сложный характер, предпочтение в расчетах уделялось
профилям за летний период съемки, либо на дату, когда высота снега на метеоплощадке была равна нулю.
Для первого района исследований не было необходимости применять процедуру коррекции UMP, поскольку стандартное отклонение высот SRTM 1" и ASTERGDEM2 от данных ICESat оказалось в пределах допустимых значений.
Точность TanDEM-X несколько превышает заявленную точность [4], поскольку при ее построении использовалась одиночная сцена тандемных данных с одного витка орбиты. Тем не менее форма склонов при расчете производных характеристик рельефа и горизонталей выглядела намного лучше соответствующих форм, полученных с UMP SRTM и ASTER.
Для второго района исследований все HMP совмещались до двух итераций, при этом область ледников, как меняющаяся поверхность, была замаскирована полигональным покрытием ледников, полученное по данным спутника ALOS/AVNIR-2 [5]. Оставшиеся невязки являлись смещениями более высокого порядка [3]. В результате, точность ASTER оказалась лучше точности SRTM, а точность тандемных данных лучше точности ASTER. При разрешении HMP в 70 м, ошибка всех HMP не превышает 1/3 пикселя, TanDEM-X - 1/4. Тем не менее все ошибки оказались несколько больше заявленных. Pазность высот HMP с ICESat увеличивается с крутизной поверхности. Mорфологический анализ показал достоинства TanDEM-X по сравнению с SRTM и ASTER.
Поскольку, вследствие небольшой крутизны положения ледников, области радиолокационных теней и переналожения не попадали на область ледников, мы оценили изменение высоты поверхности ледников с помощью разности SRTM и TanDEM-X. В среднем по 7 ледникам, на область которых попали измерения ICESat, разность HMP соответствовала разности высот ICESat при оценке ежегодного изменения высоты поверхности ледников.
Таким образом, представленные примеры использования данных лазерной альтиметрии для двух горных районов Узбекистана показывают их пригодность в качестве эталона при совмещении любых наборов высотных данных, однако, крутизна склонов и сезонность съемки имеют решающе значение при оценке их точности в горах и расчете скорости понижения поверхности.
Авторы выражают благодарность NSIDC за предоставленные данные GLAS/ICESat и программное обеспечение по их обработке.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Zwally H., Schutz R., Bentley C., Bufton J., Herring T., Minster J., Spinhirne J., Thomas R. GLAS/ICESat L2 Global Land Surface Altimetry Data. Version 34. GLA14 Product. Boulder, Colorado USA: NASA National Snow and Ice Data Center Distributed Active Archive Center.
2014. http://dx.doi.org/10.5067/ICESAT/GLAS/DATA227.
2. Семакова Э. P. Предварительные результаты построения цифровой модели рельефа для некоторых районов Центрального и Западного Тянь-Шаня // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-
2015. XI Mеждyнар. науч. конгр. : Mеждyнар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 1. - С. 99-103.
3. Nuth C., Kaab A. Co-registration and bias corrections of satellite elevation data sets for quantifying glacier thickness change // Cryosphere. - 2011. - V. 5. - P. 271-290.
4. DEM Products Specification Document: https://tandemx-science.dlr.de/pdfs/TD-GS-PS-0021_DEM-Product-Specification_v3.1.pdf.
5. Семакова Э. Р., Семаков Д. Г. Определение гляциальных объектов в высокогорных районах Республики Узбекистан // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2014. X Междунар. науч. конгр.: Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология»: сб. материалов в 6 т., Новосибирск, 16-18 апр. 2014 г. - Новосибирск: СГГА, 2014. Т. 1. - С. 35- 40.
© Э. Р. Семакова, Д. Г. Семаков, 2017
