Цифровые модели местности

Моделирование природных процессов требует представления об изучаемых объектах. В последнее время, в связи с развитием вычислительной техники, получило широкое распространение понятие о цифровых моделях местности. Если для исследуемого региона мы имеем сведения о высотах в точках некоторой сетки, то о ней уже можно говорить, как о цифровой модели местности. Дальнейшие её оценки сводятся к тому - приемлемы ли параметры такой цифровой модели - величина шага сетки и точность представления данных по высоте - для решения конкретных прикладных задач.

Цифровая модель являтся формой представления сведений о рельефе и пространственной изменчивости различных характеристик. Соответственно, она применяется в задачах, где требуются детальные сведения о рельефе или других особенностях местности. Цифровая модель местности предназначена для автоматизации предоставления данных о рельефе в численных реализациях гидрологических (и не только) моделей.

Цифровая модель местности - форма представления сведений о рельефе или пространственной изменчивости различных характеристик. Соответственно, она применяется в тех задачах, где требуются детальные сведения о рельефе, или других особенностях местности_, например, в задачах территориального анализа_.

Позволяет избежать трудоёмких процедур ручной подготовки данных для программ, использующих особенности геометрии объекта.

Обзор доступных моделей

Первый вопрос, возникающий при обращении к цифровым моделям, - это вопрос о географической привязке, шаге сетки, об использованных системах координат о высотах и точности представления по высоте.

Определение высоты над уровнем моря.

Высота над уровнем моря является сложным понятием, поскольку является, по сути, расстоянием между уровенными поверхностями неоднородного поля силы тяжести g (суммы гравитационного поля и центробежного потенциала). Уровенная поверхность, принятая за начало отсчета, называется геоидом. Геоидом является и невозмущенная поверхность морей и океанов. А вот под материками оценить геоид гораздо сложнее. В геожезии используется метод вычисления высот по наземным измерениям — нивелировке и гравиметрии, введя систему так называемых нормальных высот, отсчитываемых от эллипсоида Красовского. Эта система и принята в России в качестве государственной (Балтийская система 1977 года).
Наконец, высоты, понимаемые как геометрические расстояния до математической поверхности некоторого (произвольного) эллипсоида, называются эллипсоидальными или геодезическими.

Для систем географических координат в мире существуют несколько стандартов.

WGS-84 - в этой системе заданы орбиты спутников, по которым определяют свое местоположение. Точность навигационных орбит, определяющая точность полученных координат WGS-84 - не выше двух-трех метров. Это и есть точность реализации системы WGS-84.
IGS ввела свою систему геоцентрических координат, на основе рекомендаций Международной службы вращения Земли (www.iers.org). Эта система называется ITRF и задается координатами некоторого набора пунктов (около 50), из числа наиболее стабильных и долговременных станций IGS, расположенных, к тому же, вдали от границ тектонических плит. Эту систему можно считать преемницей WGS-84 для достигнутого ныне уровня точности.
Обе системы имеют начало в центре масс Земли и задаются на одном и том же эллипсоиде. Помимо координат, в ITRF заданы годовые скорости смещений, которые тоже со временем уточняются. По ним можно легко пересчитать координаты на нужную эпоху.
WGS-84 сейчас стала де-факто международной системой навигации. Все аэропорты мира, согласно требованиям ICAO, определяют свои аэронавигационные ориентиры в WGS-84. Россия не является исключением. С 1999 г. издаются распоряжения о ее использовании в системе нашей гражданской авиации, но до сих пор нет ясности в главном — станет ли эта информация открытой (иначе она теряет смысл), а это зависит от совсем других ведомств, к открытости не склонных.
У нас есть и своя общеземная система координат, альтернатива WGS-84, которая используется в ГЛОНАСС. Она называется ПЗ-90, разработана нашими военными, и кроме них, по большому счету, никому не интересна, хотя и возведена в ранг государственной.
Наша государственная система координат - «Система координат 1942 г.», или СК-42, (как и пришедшая ей недавно на смену СК-95) отличается тем, что, во-первых, основана на эллипсоиде Красовского, несколько большем по размерам, чем эллипсоид WGS-84, и во-вторых, «наш» эллипсоид сдвинут (примерно на 150 м) и слегка развернут относительно «общеземного». Всё потому, что наша геодезическая сеть покрыла шестую часть суши еще до появления всяких спутников. Эти отличия приводят к погрешности GPS на наших картах порядка 180 м. После учета параметров перехода, эти погрешности устраняются, для «навигационной» точности. Но, увы, не для геодезической: точных единых параметров связи координат не существует, и виной тому - локальные рассогласования внутри государственной сети. Геодезистам приходится для каждого отдельного района самим искать параметры трансформирования в местную систему.


Цифровые картографические материалы представлены в Сети в различных видах. Для целей географических исследований наибольший интерес представляет формат DEM - digital elevation modelling. Формат этот представляет собой матрицу, каждая точка которой характеризуется координатами (широтой и долготой) и высотой. На основе такой матрицы возможно построение карт в изолиниях высот (contour map), псевдотрехмерных теневых карт рельефа (shadow map) и - трехмерных карт, или блок-диаграмм (surface map). Следует заметить, что DEM формат существует, минимум, в двух разновидностях - USGS DEM и GTOPO DEM.
Разномасштабные карты в DEM-формате доступны на ряде сайтов, принадлежащих американским научным и правительственным организациям.
На сервере NOAA National Data Centers представлены данные ETOPO5 - пятиминутные матрицы для всего Земного шара, а также батиметрия морского дна и карты поверхности дна, построенные по данным спутниковой альтиметрии. К сожалению, батиметрия Каспийского моря в них отсутствует. Кроме того, представлены разнообразные геофизические карты. Доступ к данным - свободный.
Сервер NOAA National Data Centers , держателей проекта GLOBE, содержит также данные в формате DTED (digital terrane elevation data). Матрица: 30-секундная, аналогично GTOPO30. Доступ к данным - свободный.
Данные GLOBE- The Global Land One-km Base Elevation (GLOBE). Проект GLOBE декларируется как 1-километровый грид, глобальная DEM, «с контролем качества». В действительности, шаг сетки здесь - не 1 км, а 30 секунд. Это дает: от 0.61 км - на севере, до 0.75 км - на юге каспийского региона.
Данные GTOPO30, из глобального архива земных процессов (Land Processes DAAC), - 30-секундные матрицы, охватывающие всю поверхность суши.
5-минутные матрицы имеют слишком малую частоту представления данных, поэтому были выбраны данные из проекта GLOBE и данные GTOPO30 . После их сравнения, выяснилось, что это суть одни и те же данные, представленные в разных форматах.

Для визуализации данных подбиралась неравномерная цветовая шкала, более подробная для областей высот вокруг –28 м абс., и более грубая для высот от 100 м абс. и выше.

На следующем рисунке видно, что данные побережья Калмыкии и дельты Волги имеют странный вид - наблюдается фрагментация по квадратным областям. Это можно объяснить, по-видимому, неточной привязкой отдельных квадратов карты по высоте при способе оцифровки, применяемом в проекте GTOPO, а также точностью представления данных по высоте – 1 метр, принятой в проекте, и, кроме того, особенностями использованной цветовой шкалы.

Посмотреть картинку Один_в_Один. Один пиксел соответствует одному числу из модели

На приведённой карте проступили дефекты оцифровки в областях наибольшего нашего интереса (Прикаспийская низменость, Калмыкия etc.). Весьма любопытно выглядит залив Кара-Богаз-Гол.С другой стороны, рельеф горных массивов, возвышенностей, плоскогорий выглядит вполне правдоподобно и убедительно. Данные же по глубинам моря - вообще отсутствуют.

Нами создана цифровая модель рельефа местности DEM Caspy-30”, которая содержит высотные данные Каспийского региона, по сетке с шагом 30 секунд, с непрерывным представлением по высоте.

Цифровая модель представлена в виде четырёх файлов, содержащих информацию о местности:
1. NAME.MDL- описатель модели. Содержит сведения о происхождении данных, о формате заголовочного файла, о названиях файлов, составляющих модель.
2. NAME.HDR - заголовок данных. Содержит параметры сетки и географическую привязку. Формат этого файла сильно зависит от источника исходных данных.
3. NAME.DAT - матрица высот (в м абс.) по регулярной сетке.
4. NAME.BMP - растровое изображение данных, где один пиксел соответствует одному числу из матрицы данных, его цвет определяется специально подобранной цветовой палитрой.

Скачать цифровую модель Caspy-30” можно здесь (около 8.5 Mb)

Посмотреть картинку Один_в_Один. Один пиксел соответствует одному числу из модели

Данные относятся к центру ячейки
Проекция широта/долгота
Левый край карты 44о в.д.
Правй край карты 56о в.д.
Верхний край карты 52о с.ш.
Нижний край карты 35о с.ш.
Количество рядов 2040
Количество колонок 1440
Шаг сетки 0.00833333333o (30”)
Единица измерения по высоте м абс. (б.с.)
Минимальное значение -1067
Максимальное значение 5401

В процессе разработки и использования модели было создано много различных вспомогательных и инструментальных программ, позволяющих работать с ней.
Созданная цифровая модель может быть использована в научных исследованиях, где требуется учет рельефа местности.
Следует отметить, что качество рельефа отдельных областей не вполне удовлетворительно, особенно это относится к районам Северного Каспия и заливу Кара-Богаз-Гол. Недостатки интерполяции возникли из-за недостаточного и неравномерного покрытия территории данными.
Предполагается продолжать работу над моделью, найти и использовать дополнительные источники данных для плохо покрытых данными участков и добавить их, улучшив тем самым модель.
Поскольку во всем мире продолжается работа над глобальными цифровыми моделями, мы надеемся, что со временем качество моделей, таких, как GTOPO30, станет удовлетворительным для областей с небольшими перепадами высот. Тогда, объединив данные из нашей DEM с данными из других моделей, можно будет повысить качество территориального анализа в будущих исследованиях.