СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАЗРАБОТКИ ЦМР ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОПАСНЫХ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ СИТУАЦИЙ
(НА ПРИМЕРЕ Р. ОБЬ)

Крупочкин Е.П.

Институт водных и экологических проблем СО РАН, г. Барнаул, Россия

E-mail: krupochkin@mail.ru

Аннотация.

В работе рассматривается проблема создания цифровых моделей рельефа для решения задачи прогнозирования опасных гидрологических ситуаций на примере р. Оби. В целях обеспечения гидрологически корректными данными ИМС, моделирующей опасные паводковые ситуации и их последствия, рекомендуется использовать технологическую схему, предложенную ранее Крупочкиным Е.П., Ловцкой О.В. и др.(2014).

С использованием данных полевых измерений проведен количественный анализ цифровых моделей рельефа, а также материалов радарных топографических съемок. Наибольшую ценность представляют топографические данные крупного масштаба, особенно при учете глубин русла. При определенных условиях возможен переход на ускоренную технологию построения ЦМР речной долины с помощью моделей SRTM и Aster GDEM.

В связи с прошедшим паводком в Алтайском крае и его последствиями, особо актуальной стала задача разработки информационно-моделирующей системы (ИМС) в целях краткосрочного прогнозирования опасных гидрологических ситуаций. Одной из ключевых задач для ИМС стала разработка цифровых моделей рельефа (ЦМР), без которых просчитать плановые модели практически невозможно.

Вместе с тем во многих гидрологических исследованиях повышенное внимание стало уделяться такому источнику информации о рельефе, как данные дистанционного зондирования (ДДЗ). В частности, можно отметить два доступных и важных с позиции моделирования источника информации – данные SRTM (2000 г.) и данные Aster GDEM (1999 г.).

Продукт SRTM получен в рамках известной программы «Shuttle». Мы использовали вторую версию продукта, что объясняется гибкостью модели, возможностью самостоятельного сбора любых мозаик. Последнее свойство – результат привязки к регулярной сети с размером ячейки 1×1 градус [1].

Модель Aster GDEM – продукт совместного проекта METI (Министерство экономики, торговли и промышленности Японии) и NASA (Национальное аэрокосмическое управление США) [2]. Версия продукта 2.0 улучшена по данным Landsat и имеет разрешение 30 м, т.е. фактически в 3 раза выше SRTM.

В рамках задач по созданию ЦМР для обеспечения ИМС р. Обь ранее нами была представлена алгоритмизированная технологическая схема в блоке моделирования которой включены в процесс не только ДДЗ, но и широкий спектр картографических материалов [3]. Прежде всего, это оцифрованные планшеты М 1:25000, цифровая картографическая основа М 1:100 000, материалы геодезических съемок поймы р. Оби (представлены сотрудниками ИВЭП СО РАН А.А. Коломейцевым, А.А. Дьяченко). Отметим, что все перечисленные источники информации о рельефе образуют блок «входных данных» отмеченной выше технологической схемы.

Для проведения экспериментов использован репрезентативный район исследований, расположенный в пойме р. Оби, охватывающий правый берег в районе п. Затон и левый берег, занятый садоводствами. Проведенный корреляционный анализ между тестируемыми данными показал устойчивую связь между моделями SRTM и Aster GDEM, при этом наиболее высокой оказалась связь SRTM с отметками абсолютных высот (R = ± 0,7), снятыми по реперным точкам с планшета (рис. 1).

Рис. 1. Линейно-регрессионная зависимость между высотными отметками, снятыми по реперным точкам с планшета (М 1:25 000) и вычисленными по SRTM-модели

Как видно из графика, наибольший отрицательный вес, снижающий уровень значимости анализируемой тесноты связи, принадлежит далеко отстоящим точкам. Восстановленные координаты этих точек позволили установить их местоположение. Оказалось, что большая часть из них соответствует левобережному расположению – районы интенсивного хозяйственного освоения, садоводческие участки и т.п. (рис. 2). Учитывая значительный временной период (более 20 лет), прошедший с момента последней геодезической съемки местности в пределах заданного планшета (N-44-108-Б-а) следует закономерно предположить, что цифровая модель высот по данным радарной съемки покажет худший результат. Но фактически данные SRTM, напротив, приблизились к материалам геодезической съемки. Учитывая, что последнее обновление элементов топоосновы проводилось в 1986 г., разница составила 14 лет (2000 г. – 1986 г.).

Для оценки объективности различных (как по типу, так и по уровню генерализации) исходных материалов, определяющих качество ЦМР, и как результат – возможность моделирования опасных гидрологических ситуаций, требовалось провести ряд расчетов. Выше упоминалось о том, что при использовании входных данных учитывались инструментальные наблюдения (геодезическая съемка). Такие наблюдения мы использовали как «эталон» по следующим причинам: 1) новизна и актуальность полученных материалов, 2) высокая точность в результате увязки данных в системе государственной геодезической сети.

Рис. 2. Фрагмент космического снимка с зоной покрытия реперными точками, показывающими максимальные отклонения от линии регрессии

Дальнейшие расчеты выполнялись по следующему алгоритму:

1. Подготовка сводных данных, включающих перечень отметок абсолютных высот, снятых в точках наблюдения: h_100k – высоты, снятые с цифровой картографической основы в масштабе 1:100 000; h_25k – высоты, снятые с планшета в масштабе 1:25 000; значения высот, определяемые по ДДЗ (SRTM и Aster GDEM) а также интерполированные ASCII-значения в точках DEM-модели, разработанной по результатам оцифровки планшетов с использованием массива о глубинах (данные с лоций).

2. Вычисление среднеквадратических отклонений высотных отметок (δ_i) по отношению к измеренным в полевых условиях – приближенным к истинным значениям (H_эт):

где h_i – численные значения измеренных в точках наблюдения/интерполяции высот, f_i – частоты вариационного ряда, представляющие собой число точек наблюдения для каждого i-го эксперимента.

3. Обработка и графическое оформление результатов вычислений, подведение итогов.

В ходе проведенного количественного анализа параметров ЦМР, разработанным по разнотипным источникам (включая анализ плановых и 3D-моделей, данных радарной и оптической стереосъемки, материалов геодезических съемок, картографических данных и др.) установлены следующие закономерности.

Высокой практической значимостью отличаются плановые модели, полученные в результате оцифровки топографических карт. Вместе с тем для карт масштаба 1:100 000 следует указать на их некорректность с точки зрения гидрологии, поскольку выявляются несоответствия рельефа местности с границами речных долин, линиями тальвегов и русел. Результаты оцифровки планшетов в масштабе 1:25 000 более достоверны, но при этом нельзя не учитывать (на самих планшетах) отсутствие информации о глубинах, что не менее важно при разработке корректной ЦМР. Наряду с отмеченными недостатками следует выделить фактор потери актуальности топографической информации, поскольку большая часть планшетов обновлялась в лучшем случае в 90-е годы.

Численный анализ морфометрических характеристик ЦМР, проведенный на основе высокоточных полевых измерений (район пос. Ильича, правый берег р. Оби) позволил определить разницу измеренных и интерполированных высотных значений, вычислить показатели среднего квадратичного отклонения (δ_i) по всем видам исходных данных. Минимальные значения отклонений (δ = ± 1,3 м) оказались характерны для ЦМР, созданной по результатам оцифровки планшетов (М 1:25 000) с использованием информации о глубинах. Для данных SRTM значение δ оказалось равным ± 1,6 м, что также является весьма неплохим результатом.

Проведенный корреляционно-регрессионный анализ подтвердил высокую линейную зависимость между моделями SRTM и значениями в точках, измеренными по планшетам М 1:25 000 (см. рис. 1), что свидетельствует о небольших расхождениях в плане актуальности топографической информации (имеется ввиду, год съемки и год обновления элементов топоосновы).

Суммируя выше сказанное необходимо отметить важность топографической информации М 1:25 000, особенно при совместном использовании рельефа речной долины и глубин русла. Вместе с тем при моделировании ЦМР речной долины с шагом от 20 м и ниже вполне можно ограничиться данными SRTM и Aster GDEM, что значительно ускорит процедуру разработки ЦМР. Полученные модели будут соответствовать топографическим данным, соответствующим диапазону от 1:50 000 до 1:100 000 (но при условии использования глубинных отметок по руслу).

Для перехода на качественно новый технологический уровень подобных исследований целесообразно переходить от оцифровки планшетов к более широкому использованию данных радарной интерферометрии (SAR-данные) и аэросъемки с помощью беспилотных летательных аппаратов.

Работа выполнена в рамках проекта СО РАН VII.76.1.1 «Исследование процессов формирования стока и разработка информационно-моделирующих систем оперативного прогнозирования опасных гидрологических ситуаций для крупных речных систем Сибири» при частичной финансовой поддержке междисциплинарного партнерского проекта фундаментальных исследований СО РАН 74 «Разработка принципов и информационно-вычислительных технологий обработки и интерпретации мультиспектральных спутниковых изображений высокого и сверхвысокого пространственного разрешения»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. SRTM Topography //Официальный сайт геологической службы США.
Режим доступа (URL): http://dds.cr.usgs.gov/srtm/version2_1/Documentation/SRTM_Topo.pdf Дата обращения: 25.05.2014

2. The Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) //Официальный сайт совместного проекта METI (Министерство экономики, торговли и промышленности Японии) и NASA (Национальное аэрокосмическое управление США). Режим доступа (URL): http://asterweb.jpl.nasa.gov/gdem.asp Дата обращения: 03.04.2014

3. Крупочкин Е.П., Ловцкая О.В., Смирнов В.В. Алгоритмизированная технология разработки цифровых моделей высот поймы реки Оби //Водные и экологические проблемы Сибири и Центральной Азии: сборник трудов II Всероссийской научной конференции с международным участием. 2014. С. 109-117.