Досвід застосування ГІС-технологій для автоматичного аналізу морфології рельєфу за даними радарного знімання

Існує нагальна потреба узагальнення досвіду щодо можливостей упорядкування інформації про рельєф земної поверхні, який в [1] визначено як найбільш ємний і «важкий» елемент структури космічної інформації. З настанням інформаційної ери й появою у відкритому доступі матеріалів супутникових зондувань в оптичному та субоптичному діапазонах й активних зондувань земної поверхні в прагматичному світі геоінформатики серед інших додатків з'явився напрям геоморфометрії, який певною мірою корелює з традиційним морфометричним аналізом рельєфу. У сфері ГІС-технологій, які стрімко розвиваються, активно досліджують можливості картографування морфології рельєфу за матеріалами зондування радіолокатором бокового огляду зі спеціальних супутників. Останній напрям набув широкого розголосу в науковому світі геоінформатики, де існують потужні центри обробки дистанційних даниха) European Commission - DG Joint Research Centre, Institute for Environment and Sustainability - Land Management and Natural Hazards Unit, TP Ispra (VA), Italy; b) International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Melbourne, Australia та інші., проте практично невідомий широкому загалові геоморфологів.

Стан вивчення питання й огляд попередніх досліджень

Наводимо скорочений огляд робіт, надрукованих переважно впродовж останніх 10 років.

Аналізові наукових досягнень та дослідницького апарату флювіальної геодинаміки та регіональної морфоструктури території України присвячено фундаментальну колективну монографію Інституту географії НАН України за редакцією В.П. Палієнко [2], де, зокрема, наведено ГІС-технології картографування у традиційному (морфотектонічному) та новітньому (структура- лістичному) аспектах. С. Ю. Бортник та ін. [3] суттєво уточнили поняття морфоструктури, дотримуючись структуралістичного бачення проблеми. С.В. Костріков та І.Г. Черваньов розробили засади вчення про флювіальні геоморфосистеми, у тому числі навели низку оригінальних алгоритмів їх структурного аналізу, насамперед за структурно-цифровою моделлю рельєфу (СЦМР) [4, 5]. Розроблено також комп'ютерну систему «Ре- льєф-процесор» для структуризації рельєфу за цифровою моделлю рельєфу (ЦМР) [6]. Д.В. Лопатін та Є.Ю. Лікунов обґрунтували принципи моделювання рельєфу на основі дистанційних методів, у тому числі матеріалів радіолокаційного знімання, та нових понять структурології рельєфу [7]. Декілька сучасних робіт, присвячених сучасним методам і технологіям цифрового моделювання рельєфу в науках про Землю, вміщено в журналі «Геоморфологи» [8-10].

Проте, у всіх наведених теоретичних моделях та їх алгоритмічних реалізаціях процес розпочинається зі структурно-цифрової моделі рельєфу безвідносно до способу її отримання. А важливим є саме новітній спосіб отримання й первинної обробки інформації. Удосконалюються моделі радіолокаційних даних для зменшення впливу деревної рослинності на якість відбиття радіолокаційного сигналу (SRTM SRTM - (Shuttle Radar Topographic Mission) - глобальна цифрова модель висот. data) і заповнення свого роду «чорних дір» цього сигналу у певних ділянках поверхні, які виникають з різних причин [11-13 та ін.]. Основна їх увага зосереджена саме на проблемі подолання інформаційного «шуму» (артефактів, за їх термінологією), причому у великих масштабах емпіричної вибірки (наприклад, у роботі [13] охоплено обробкою всю територію Австралії). Проте, практично не використано базову інформацію щодо структурних особливостей рельєфу, отже роботи мають обмежене геоморфологічне значення.

М е т а нашого дослідження: обґрунтувати можливість побудови структурно-цифрової моделі рельєфу, яка б адекватно відображала його інваріантфлювіальну мережу поверхневого стоку, досягши цього в автоматичному режимі обробки й структуризації даних засобами ГІС-технологій. У світовій літературі запроваджено поняття гео- морфометрії, до подальшого розроблення якого й належить це дослідження.

У контексті досягнення цієї мети у статті викладено питання:

- розроблення алгоритмів та ГІС-технологій створення структурно-цифрових моделей рельєфу (СЦМР) для подальшого вирішення в автоматичному режимі певних геоморфологічних та інженерних завдань;

- розроблення методу відтворення вигляду рельєфу (оптичного образу рельєфу) за структурно-цифровою моделлю, отриманою у радіодіапазоні електромагнітних хвиль (РЦМР);

- оцінювання точності, похибок та усунення технічних помилок, які спотворюють образ рельєфу у топологічному й метричному відношеннях.

Виклад основного матеріалу

Створення тривимірної структурної моделі рельєфу

Досліджуючи морфологію рельєфу, було сформульовано принципові положення про низку його основних властивостей, відображення яких є необхідною передумовою створення адекватної тривимірної моделі флювіального рельєфу через правильне подання його структури [9,10]. Таку модель було названо структурно-цифровою моделлю рельєфу (СЦМР).

Основні відмінності СЦМР від існуючих ЦМР :

• реальний рельєф принципово не є гладкою поверхнею (якими є фізичне поле чи математична функція), тому що основні його риси задаються каркасними лініями (гребенями й тальвегами) та характерними точками, які у своїй закономірній сукупності порушують гладкість поверхні. Отже, він не може бути якісно відображений як континуум (рельєф-поле), якщо не передбачити його природну структурованість;

• характерні лінії та точки, зазначені вище, є найбільш інформативними з топографічного та геоморфологічного подань, що певною мірою відображається у способах картографування рельєфу та його морфологічного аналізу, але втрачається при складанні ЦМР;

• характерний вигляд рельєфу визначається каркасними лініями, індивідуальний рисунок яких є неповторним, тому добре розпізнаваним та ідентифікативним для геоморфолога, підлягає ретельному описові, тому що є закономірним;

• каркасні лінії рельєфу утворюють його інваріант, тобто таку стійку структуру, яка зберігає основні риси навіть при зміні системи координат, орієнтування знімальної апаратури тощо, тому що належить до внутрішньої геометрії рельєфу і повно відображається лише в СЦМР.

Вибір схеми впорядкування інваріантної структури

Надалі розглядаємо мережу тальвегів, розуміючи, що систему вододілів можна отримати автоматично за принципом: між двома тальвегами є вододіл, порядок якого визначається молодшим з цих тальвегів.

Важливими є такі три складні завдання, що набувають значення нині через масовий розвиток дистанційних засобів дослідження рельєфу:

• спосіб відбору точок, що мають бути точно визначені апріорі, для того щоб відображення рельєфу так само точно відповідало призначенню;

• спосіб перебудови ЦМР у СЦМР, оскільки остання має адекватну топологічну структуру і на 1-2 порядки зменшує обсяг оброблюваного масиву даних порівняно з вихідною;

• універсалізація цифрової моделі, яка дає змогу через комбінування окремих ЦМ алгоритмічно створювати різні образи, похідні від СЦМР.

Спосіб відбору точок для створення первинної ЦМР диктується технологічними можливостями. Алгоритми перетворень ЦМР в СЦМР є досить складними, що виправдовує себе у подальшій роботі як ефективний засіб для контролю якості даних, недосяжний за традиційних технологій цифрування рельєфу. Проте, така робота потребує складних маніпуляцій з даними, якщо їх джерелом є супутникове сканування земної поверхні в оптичних діапазонах, це пов'язано з тим, що вихідні для цього показники яскравості залежать від альбедо, яке, в свою чергу, визначається кількома характеристиками. Серед них, крім залежних від рельєфу мережі стоку, експозиції та крутизни скату, є, як відомо, рослинний і ґрунтовий покриви, спосіб землекористування та інфраструктура місцевості. Істотне, часто вирішальне, значення мають стан атмосфери та різні атмосферні явища, значущість сезону року й часу доби. Усі ці й інші обставини, комбінуючись, перетворюють дані оптичного сканування на складну мозаїку, у якій корисний (щодо рельєфу) сигнал затьмарюється оптичними «шумами», розібратися в яких не під силу будь-якому прямому алгоритмові.

Отже, наступне завдання - прямий спосіб побудови моделі рельєфу через активне зондування поверхні Землі засобами радарного знімання, враховуючи те, що відбитий радіосигнал значною мірою вільний від перерахованих «шумів» (проте має інші вади, які ми намагаємося знівелювати).

Побудова ЦМР за даними радіолокаційного зондування земної поверхні: утворення радіолокаційної цифрової моделі рельєфу (РЦМР) Для того, щоб побудувати аналітично радіолокаційний образ рельєфу, необхідно вирішити зворотне завдання визначення просторового положення (тобто зовнішньої геометрії) певних елементарних його ділянок, кожну з яких можна було б вважати за похилу площину, а рельєф представити як багатогранник.

Стандартні способи побудови ЦМР не дають змоги відтворити таку будову рельєфу через випадковий характер матричної ЦМР та плоский спосіб запису ізолінійної моделі. Структурно-цифрове моделювання дає принципову можливість відтворення тривимірної моделі рельєфу. Коротко завдання зводиться до того, щоб мати можливість визначити у радіодіапазоні «яскравість» кожної елементарної площини, що є гранню багатогранника, задаючи елементи її зовнішнього орієнтування щодо приймальної апаратури та враховуючи такі зовнішні щодо цієї системи чинники як стан атмосфери, альбедо та індикатрису розсіювання земної поверхні (земних покривів), які визначають потужність відбитого сигналу. Сукупність таких яскравостей створює мозаїку радіолокаційного образу рельєфу (РЛОР). Дослідження, проведені на різних тестах, а також на різних типах і станах рельєфу, довели високу точність його відображення у радіолокаційному образі рельєфу, що дає можливість візуалізації ділянок місцевості, недоступних для спостереження, або ж синтезу оптичного вигляду уявних та умовних РЛОР; наприклад, щоб використати значний інтелектуальний апарат візуального дослідження об'єктів та явищ, здавна застосовуваний геоморфологами) [1-3 та ін.].

Початкова обробка «сирих» даних З точки зору геоморфолога, ЦМР має забезпечити адекватність у таких відношеннях:

а) якою мірою враховано шорсткість поверхні (мікро- та мезорельєф);

б) наскільки точно можна виявити реальні гребені й тальвеги;

в) наскільки закономірно змінюються висоти в дендритах тальвегів (оскільки їм притаманний односпрямований водний потік);

г) чи є топологічно адекватною «картинка» рельєфу згідно з його генезисом та динамічними процесами.

Як вихідні експериментальні дані було використано відкриті джерела SRTM та ASTER GDEM³ з останніми уточненнями й ітераційно підвищеною точністю характеристик. Вихідні дані надаються з корекцією найкритичніших вад радіолокаційного сканування - «порожнин» без відбиття сигналу (voids), що являють собою ділянки без зафіксованої інформації про яскравість в обраних діапазонах радіохвиль. Процес просторового заповнення пустот РЦМР включає різні підходи і, як правило, базується на використанні даних з інших ЦМР, тому можна вважати, що структуру рельєфу корекції цього типу артефактів істотно не спотворює [12]. SRTM та GDEM апаратно представлені радіолокаційно синтезованою апертурою (SAR)^{3 ASTER GDEM} - (ASTER Global Digital Elevation Model) - глобальна цифрова модель висот.

SAR - синтезована радіолокаційна апертура (техн.)... У сантиметрових діапазонах випромінювання сигнал має тенденцію значно відбиватися від рослинного покриву. Отже РЦМР SRTM та GDEM мають стійкі риси деякого спотворення цифрової моделі місцевості, тому що деревостан може потенційно впливати на результати структурного аналізу рельєфу (рис. 1).

Існує методика видалення «шумів» від сканування рослинного покриву [13], але у нашому експерименті ми обрали ділянку з мінімальним впливом рослинності на дешифровані структурні елементи, щоб початково уникнути впливу рослинності.

Артефактами радіолокаційного знімання рельєфу, що не лише впливають, а й унеможливлюють структурний аналіз, є замкнуті депресії (sinks). У структурному відношенні ці локальні зниження являють собою чарунки, що мають невизначений напрям стоку. При розрахунку акумуляції стоку за нескорегованою РЦМР цілісності дендриту ліній стоку не спостерігається, що суперечить дійсній будові флювіального рельєфу, тому модель стоку розривається наявними артефактами, не забезпечуючи можливості правильно відтворити його закономірну топологічну структуру (рис. 1).

Рис. 1. Деяке спотворення цифрової моделі флювіальної мережі, пов'язане з впливом рослинності

Тому для автоматичного виділення мережі стоку наявність у вихідних даних гідрологічно коректної РЦМР є необхідною умовою. Методично «заповнення» уявних замкнених депресій нами було виконано у середовищі ArcGIS (інструмент Fill модуля Spatial Analyst). Він базується на принципі ітераційного заповнення основних та виникаючих на їх периферії знижень з урахуванням заданого обмеження по висоті (Z-індекс) [11]. Після отримання гідрологічно коректної моделі образ флювіальної мережі набув цілісної дендритної структури (рис. 2).