Управление данными рельефа: Часть 1 — Обзор данных рельефа

Перед тем как приступать к управлению и распространению данных рельефа, следует иметь полное представление об этих данных. Данная инструкция состоит из трех частей. В первой части приведен обзор данных рельефа. Во второй части обсуждается создание плана управления данными и сопутствующие вопросы. В третьей части приведены последовательные этапы работы с данными рельефа (включая их публикацию).

Рельеф и местность

Модель рельефа и модель местности являются двумя основными представлениями данных высот, которые призваны удовлетворять практически всем требованиям пользователей. Высоты рельефа характеризуют непосредственно земную поверхность, им соответствует цифровая модель рельефа (ЦМР), тогда как высоты местности включают в себя также и объекты местности — здания, мосты, растительный покров и т.д. Высоты местности образуют цифровую модель местности (ЦММ). Иногда данные ЦМР хранятся и моделируются в виде облака точек (такие данные могут обозначаться аббревиатурой DTM).

Как правило, ЦМР необходима для ортотрансформирования аэрофотоснимков, тогда как ЦММ используется для расчетов областей видимости.

Четвертым представлением является ЦМР, привязанная к объектам гидрографии. Это особая модель рельефа, разработанная с применением строгих методов и контроля качества для использования в гидрологическом моделировании, например при цифровом моделировании водного потока. Такой тип ЦМР во многих организациях и приложениях не применяется, но в данном разделе ему будут посвящены некоторые замечания.

Представление водных массивов

Водные массивы в моделях рельефа могут иметь различное представление. Выбор представления зависит от потребностей пользователя. В число стандартных вариантов входят:

1. Водная поверхность — озера и океаны отображаются соответствующей водной поверхностью, такое представление применяется, например, для простой визуализации. В некоторых случаях высоты водных объектов нормализуются, принимая нулевое значение. Такой вариант ЦМР используется в ортотрансформировании.
2. Рельеф дна — применяется, например, в гидрологическом моделировании, если инженерам необходимо знать топографию водного бассейна при отсутствии воды в нем. Для этого ЦМР должна включать данные батиметрии.
3. Отсутствие данных (NoData) — Применяется, например, в приложениях, где необходимо точное вычисление площади земной поверхности, при этом водные объекты не следует учитывать.

Для большинства приложений наиболее приемлем будет первый вариант представления.

Ортометрические и эллипсоидальные высоты

Для полного понимания данных рельефа также необходимо различать ортометрические и эллипсоидальные высоты. Эллипсоидальная высота — это высота точки над математической поверхностью эллипсоида, форма которого приближена к форме Земли. Примером может служить эллипсоид Красовского или эллипсоид WGS 84, существует множество различных эллипсоидов.

Важно знать, что поверхность эллипсоида очень ровная и она может сильно различаться с уровнем моря в данной точке (то есть, с поверхностью геоида). Современные технологии позиционирования, как правило, проводят все измерения относительно некоторого референц-эллипсоида (к примеру, такова система орбитального спутникового позиционирования GPS, которая широко используется при аэрофотосъемке, лазерном сканировании и наземной съемке).

Ортометрическая высота — это высота точки над поверхностью модели геоида (геоид является приближением уровня поверхности моря). Хотя поверхность геоида также математическая и относительно гладкая, она имеет гораздо больше неровностей, чем эллипсоид, из-за местных вариаций силы тяжести. В традиционных методах геодезической съемки (без применения спутникового позиционирования) все измерения, как правило, проводятся относительно геоида (местного уровня моря).

• Эллипсоидальные высоты применяются в приложениях, работающих с данными GPS, а также для ортотрансформирования спутниковых снимков. При аэрофотосъемке могут использоваться и те, и другие высоты, в зависимости от того, какой датум применялся при внешней ориентации снимков. Внешняя ориентация может быть либо ортометрической (если контроль проекта проводился с наземных станций наблюдения), либо эллипсоидальной (с применением на летательном аппарате системы GPS вкупе с системой инерциальной навигации). В последнем случае для ортотрансформирования снимков потребуются эллипсоидальные высоты земной поверхности.
• Ортометрические высоты чаще всего применяются при геодезической съемке, в гидрологии, сельском хозяйстве и в землеустройстве.

В основном наборы данных рельефа конвертируются в ортометрические высоты, но различие между типами высот следует понимать и указывать те, что присутствуют во входных данных. Кроме того, в сервисе скорее всего потребуется разместить данные рельефа в обоих форматах, при этом будет задействован процесс преобразования.

Дополнительная информация приведена на сайте http://www.ngs.noaa.gov/GEOID/PRESENTATIONS/2007_02_24_CCPS/Roman_A_PLSC2007notes.pdf.

В большинстве случаев рекомендуется для базового сервиса рельефа настроить ортометрические высоты, так как затем, если потребуются эллипсоидальные высоты, для создания сервиса с такими высотами можно будет применить функции (с соответствующим геоидом). Примеры преобразования приведены в следующих разделах:

• Конвертация ортометрических высот в эллипсоидальные в ArcGIS, с применением модели EGM96.
• Специально для гравитационной модели EGM2008: Конвертация ортометрических высот в эллипсоидальные с применением модели EGM2008.

Точность измерений рельефа

Точность данных дистанционного зондирования и картографирования характеризуется двумя значениями: круговая погрешность (circular error, CE) и линейная погрешность (linear error, LE). Пространственная точность в плане (горизонтальная) характеризуется круговой ошибкой плановых координат набора данных при определенном уровне доверительной вероятности. Пространственная точность по высоте (вертикальная) характеризуется линейной ошибкой высотных координат набора данных при определенном уровне доверительной вероятности; это относится к измерениям рельефа. По существу, точность — это распределение вероятности отклонения значения от абсолютного значения. Какая-либо точность при уровне доверительной вероятности 90% говорит о том, что 90% всех отклонений в положениях точек будут меньше или равны указанному значению точности.

Некоторые элементы метаданных могут иметь вид вроде "CE90": это означает меру круговой ошибки (CE) при уровне вероятности 90%, скорее всего с этим элементом будет связано какое-либо значение; "LE90" будет означать линейную ошибку (LE) при уровне вероятности 90%. Также может встретиться обозначение VE, что означает вертикальную ошибку (vertical error), т.е. линейную ошибку в вертикальном направлении. К примеру, в данных SRTM часто указывается VE90 = 16m — это означает, что не более 10% вертикальных измерений могут иметь отклонения от абсолютного значения в данной точке, превышающие 16 метров (с учетом погрешностей широты, долготы и высоты).

В США первые картографические стандарты появились в 1947 году. Выдержка из одного из них: "Для карт масштаба крупнее 1:20 000, допускается не более 10% всех измеренных точек с ошибкой более 1/30 дюйма (...) Такие допуски во всех случаях применяются к точности положения только четко распознаваемых точек (...) таких как топознаки, памятники, пересечения дорог и пр." (U.S. Bureau of the Budget, 1947). С течением времени выходили все новые стандарты, последний из них был издан Федеральным комитетом по географическим данным США (FGDC) в 1998 г. В частности, в нем говорится, что, для достижения точности пространственного объекта в 1 м с уровнем доверительной вероятности 95%, точность исходных данных должна быть не хуже 1 м. Основное различие этих требований в том, что стандарты более не основаны на определенном масштабе. Также можно заметить, что точность измерений стала более предсказуемой — уровень доверительной вероятности поднялся с CE90 до CE95.

Литература:

1. Federal Geographic Data Committee, 1998, Part 2, Standards for Geodetic Networks, Geospatial Positioning Accuracy Standards, FGDC-STD-007.2-1998: Washington, D.C., Federal Geographic Data Committee.
2. Principles of Error Theory and Cartographic Applications by C.R. Greenwalt and M.E. Shultz, ACIC Technical Report No. 96, Aeronautical Chart and Information Center, St. Louis, 1968 (reprinted).
3. U.S. Bureau of the Budget, 1947, United States National Map Accuracy Standards: U.S. Bureau of the Budget, Washington, D.C.

Источники данных

Имеется три основных типа источников данных:

1. Данные открытого пользования (бесплатные, полученные из государственных источников)
2. Готовые к применению данные, поставляемые различными коммерческими организациями в сфере картографии
3. Данные в собственности вашей организации (полученные либо из внутренних источников, либо от поставщиков картографических сервисов)

Эти и другие источники данных могут быть предоставлены в виде веб-сервисов или в виде загружаемых данных. Хотя возможен вариант использования веб-сервиса, но в данном разделе будет предполагаться, что источник данных является внутренним и расположен на локальном диске.

Данные открытого пользования

В таблице ниже приведены некоторые источники данных рельефа, находящиеся в открытом доступе.

• GTOPO — глобальный набор данных рельефа с разрешением 30 угловых секунд (приблизительно 1 км), который доступен для загрузки по адресу http://www1.gsi.go.jp/geowww/globalmap-gsi/gtopo30/gtopo30.html.
• ETOPO — глобальная модель рельефа Земли с разрешением 1 угловая минута, в которой сочетаются топографические данные земной поверхности и батиметрические данные океанского дна; модель доступна для загрузки по адресу http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html.
• GMTED2010 (Global Multi-resolution Terrain Elevation Data 2010 — Глобальные данные рельефа местности в нескольких разрешениях на 2010 г.) — линейка продуктов в трех различных разрешениях (приблизительно 1 000, 500 и 250 метров), которую планирует поставлять Геологическая служба США (USGS). Дополнительную информацию вы можете узнать на сайте http://pubs.usgs.gov/of/2011/1073.
• SRTM (The Shuttle Radar Topography Mission — Программа топографической радиолокационной съемки "Шаттл") — данные рельефа практически на всю территорию Земли, полученные с космического аппарата "Спейс шаттл" для построения наиболее полной цифровой базы данных рельефа Земли высокого разрешения. Данные доступны по адресу http://srtm.usgs.gov/index.php.
• ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer — Усовершенствованный спутниковый радиометр теплового излучения и отражения) — это инструмент, расположенный на спутнике НАСА "Терра". Путем обработки стереоснимков с этого сенсора была построена ЦМР на территорию Земли между широтами 83 с.ш. и 83 ю.ш. с разрешением 30 метров. Данные доступны по адресу http://asterweb.jpl.nasa.gov/gdem.asp.
• NED (National Elevation Dataset — Национальный набор данных рельефа США) — данные, созданные Геологической службой США (USGS) на территорию США. Данные NED доступны для использования в США и имеют разрешения 1 угл. сек., 1/3 угл. сек. и 1/9 угл. сек. (только для некоторых территорий). Подробнее об этих данных на сайте http://ned.usgs.gov/.
• Гравитационные модели геоида, например EGM96 и EGM2008. (Геоид в ArcGIS является приближением модели EGM96.)
• Сервисы мировых высот Esri (Esri's World Elevation services) предоставляют простой онлайн-доступ к глобальным коллекциям данных рельефа в нескольких разрешениях и из нескольких источников, продуктам данных рельефа, а также к сопутствующим приложениям и дополнительным сервисам. Эти сервисы являются частью группы World Elevation на www.arcgis.com.

Коммерческие данные

Ниже перечислены некоторые коммерческие частные компании, поставляющие данные рельефа либо в виде предварительно обработанных и готовых к применению продуктов, либо в той форме, в какой пожелает заказчик.

• Intermap (www.intermap.com/)
• SPOT (http://www.spot.com/)
• FUGRO (http://www.fugro.com/)
• ...и другие частные компании в сфере топографо-геодезической съемки

Данные в собственности организации

Третий вариант источника данных рельефа — получение данных средствами своей организации. Данные могут быть получены непосредственно сотрудниками организации, например методом наземной геодезической съемки или другими методами (фотограмметрией или лазерным сканированием). С другой стороны, организация может заказать съемку данных по договору с частной компанией.

Методы получения данных

Помимо вопроса о том, где взять данные рельефа, также важно знать методы, которыми эти данные могут быть получены. Это могут быть определенные системы съемки или какие-либо технологии. Мы не будем здесь рассматривать эти методы в подробностях, а только приведем основные сведения о современных технологиях картографирования рельефа, которые могут быть задействованы как на космическом, так и на летательном аппарате — это фотограмметрия, радиолокация и лазерное сканирование.

Фотограмметрия

Введение в фотограмметрию приведено на сайте www.geodetic.com. Ключевые моменты, которые необходимо знать для получения представлений о фотограмметрии:

• Фотограмметрия может служить для построения модели рельефа на территорию, покрытую стереопарами аэрофотоснимков.
• Если данные рельефа уже есть в наличии, они могут служить входными данными в фотограмметрическом процессе для трансформирования фотоснимков.
• В заросших лесом областях, где на изображении не видно земной поверхности, может быть получена только модель местности (с учетом растительного покрова), либо только приближенная поверхность рельефа (ЦМР).

Воздушное лазерное сканирование

Введение в лазерное сканирование (также называемое лидарной съемкой) — http://en.wikipedia.org/wiki/LIDAR.

Ключевые моменты, которые необходимо знать для получения представлений о лазерном сканировании:

• Данные лазерного сканирования могут быть получены с космического или летательного аппарата, а также с наземных стационарных или мобильных станций.
  • В топографическом картографировании наиболее распространено воздушное лазерное сканирование.
  • Наземные системы лазерного сканирования приобретают все большую популярность для получения трехмерных точечных моделей зданий (внешней и внутренней их части), городов и других структур. (Данные наземного лазерного сканирования не рассматриваются в данной инструкции по работе с рельефом, но в дальнейшем их применение может возрасти.)
  • Кроме того, особые системы лазерного сканирования могут применяться для батиметрического картографирования (см. ниже).
• Данные лазерного сканирования изначально имеют вид нерастеризованного трехмерного облака точек. Зачастую они подвергаются обработке для получения поверхностей (ЦМР или ЦММ).
• Лазерный сканер (лидар) — активная съемочная система, т.е. его работа не зависит от количества солнечного света. Тем не менее, многие современные лидарные системы включают в себя цифровую камеру.
• Лазерное сканирование вероятно является наиболее удачной технологией для получения данных рельефа, как в виде ЦМР, так и в виде ЦММ. Хотя сигнал лидара не может проникнуть сквозь растительный покров, высокое разрешение лазера позволяет ему периодически пробиваться в промежутки между листвой и получать достаточно хорошее представление рельефа земной поверхности в виде ЦМР.

• Данные лазерного сканирования в файлах формата LAS не требуют конвертации в растровую поверхность перед добавлением их в набор данных мозаики. Эти файлы могут быть добавлены в набор данных мозаики непосредственно.

  Подробнее о добавлении данных формата LAS в набор данных мозаики

• Подробная статья об анализе данных лазерного сканирования в ArcGIS 10 для задач лесного хозяйства.

Радиолокация и радарграмметрия

Вводную статью про радиолокационное картографирование местности можно прочитать на сайте http://www.intermap.com.

Для управления данными необходимо знать следующие основные понятия о радиолокационном картографировании рельефа:

• Радиолокационные системы картографирования являются активными (не требуют солнечного света, в отличие от аэрофотоснимков), а длина волны позволяет радиоизлучению проникать сквозь облака. Поэтому радар эффективен в тропических климатических зонах, а также более производителен, так как работает и ранним утром, и поздним вечером, и даже ночью.
• Длина радиоволны также ставит свои ограничения. В частности, горизонтальная и вертикальная точность радиолокации обычно исчисляются в метрах и дециметрах, тогда как точность оптических систем (например, лидара) — в сантиметрах.
• В зависимости от длины волны некоторые радиолокационные системы могут частично проникать сквозь растительный покров (но обратной стороной медали является их низкая точность), тогда как другие дают высокую точность, но не позволяют избежать растительности (обеспечивают построение ЦММ, но построить на их основе в заросших лесом областях ЦМР затруднительно).
• Необработанные радиолокационные данные требуют особых алгоритмов для построения из них растровых данных рельефа, и в ArcGIS таких алгоритмов не предусмотрено.

Сонар

Распространенной технологией батиметрического картографирования подводного рельефа озер и океанов является сонар. Базовую информацию о сонаре вы можете найти на сайте http://en.wikipedia.org/wiki/Bathymetry.

Для управления данными необходимо знать следующие основные понятия о картографировании рельефа при помощи сонара:

• Горизонтальное разрешение и вертикальная точность сонарных систем ниже, чем при эквивалентной наземной геодезической съемке.
• Вдоль береговой линии часто имеются пробелы в данных, в местах сочленения наземной и сонарной съемки. Области прилива и береговой линии могут требовать специальной обработки, чтобы избежать зазоров в данных типа NoData.

Батиметрическое картографирование также может проводиться при помощи особого воздушного лазерного сканера. См. http://gcmd.nasa.gov/records/GCMD_USACE_SHOALS.html.

Структуры данных

Целочисленные данные (integer) и данные с плавающей точкой (float)

Данные рельефа состоят из набора промеренных точек, в местах их отсутствия обычно требуется интерполяция. Значения высот обычно хранятся в формате с плавающей точкой, хотя для данных мелкого масштаба (например, SRTM) возможно применение целочисленного формата. Для управления данными следует понимать разницу между этими типами данных (Float и Integer).

В большинстве случаев результаты анализа или готовые продукты, предназначенные для визуализации, могут поставляться как изображения с целочисленным форматом пикселов, но для использования самих данных рельефа необходимы данные с плавающей точкой. (Дополнительная информация на эту тему приведена во второй части данного раздела.)

Преимущества использования целочисленных данных (если их использование возможно):

• Меньший размер данных на диске (8 или 16 бит на пиксел, тогда как для данных с плавающей точкой необходимо 32 бита)
• Проще процесс сжатия (требует меньше времени, коэффициент сжатия выше)

Обратите внимание, что при использовании целочисленных значений рельефа недостатком может быть появление ступенек (террас) для некоторых продуктов (например, с отмывкой рельефа) из-за округления значений до целого числа. Следующий пример иллюстрирует представление данных рельефа SRTM с образованием террас.

Данные могут быть при поставке разделены на листы. Если способ разделения на листы можно регулировать, рекомендуется иметь перекрытие между листами как минимум в 1 пиксел.

Стандартные форматы

Рекомендуемый формат для эффективного хранения и публикации растровых данных рельефа — TIFF с разбиением на листы, глубина пиксела с плавающей точкой (типа float, 32 бита), сжатие LZW. Этот формат наиболее прост в использовании и обслуживании, вместе с тем он обеспечивает наилучшее быстродействие. В числе других форматов данных рельефа:

• ESRI GRID — это устаревший формат данных, для хранения данных рельефа он более не рекомендуется. Данные в этом формате рекомендуется конвертировать в TIFF для повышения быстродействия сервера.
• FLT — простой двоичный формат с плавающей точкой, этот формат схож с 32-битным TIFF с плавающей точкой, но не содержит заголовка. Этот формат не может быть разбит на листы, поэтому он рекомендуется только для небольших экстентов.
• ASCII DEM — простой файл в текстовой кодировке ASCII, который может содержать данные в регулярной (растровой) или нерегулярной структуре. В последнем случае в файле явным образом указываются координаты X, Y, Z. Этот формат малоэффективен для хранения, чтения и записи данных, однако, он является универсальным форматом хранения данных. Рекомендуется конвертировать такие файлы в TIFF для повышения быстродействия.
• IMG (компании ERDAS) — данные рельефа могут храниться в формате IMG, который поддерживается в ArcGIS.
• BAG (bathymetry attributed grid — батиметрическая атрибутированная сетка) — этот формат используется для батиметрических данных, и он частично поддерживается в ArcGIS 10. Существует алгоритм для чтения из него растровых данных, но в нем поддерживаются не все составляющие формата (например, нет поддержки пикселов golden points — "золотых точек"). Спецификацию этого формата вы можете найти на сайте http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/bathymetry/noshdb/ons_fsd.pdf.
• DTED (digital terrain elevation data — данные цифрового рельефа местности) — спецификация формата с особым подходом к разрешению и точности данных рельефа, разработана Национальным агентством по геопространственной разведке США (NGA). Данные в формате DTED достаточно хорошо показывают себя в применении, конвертирование этих данных не требуется. Информация о формате приведена на странице https://www1.nga.mil/ProductsServices/TopographicalTerrestrial/DigitalTerrainElevationData/Pages/default.aspx.
• Набор данных ESRI terrain — это поверхность в виде сети нерегулярных треугольников TIN с переменной разрешающей способностью, построенная на основе измерений, которые представлены в базе геоданных пространственными объектами. Они обычно создаются лидарами, сонарами и фотограмметрическими источниками. Наборы данных Terrain относятся к базе геоданных, в наборах данных объектов с объектами, используемыми для их создания. Их следует конвертировать в наборы растровых данных — предпочтительно, в формат TIFF. Дополнительные сведения см. в разделе Сущность набора данных terrain.
• HRE (high resolution elevation — рельеф высокого разрешения) — это относительно новый формат для хранения данных рельефа высокого разрешения. Этот формат разработан Национальным агентством США по геопространственной разведке (NGA) и являются частью Национальной системы геопространственной разведки США (NSG). Данные в этом формате доступны для использования широкому кругу партнеров и членов этой организации, а также внешним покупателям продуктов NSG. Данные HRE пришли на смену текущим нестандартизованным продуктам HRTE/HRTI (High Resolution Terrain Elevation/Information — Рельеф/Информация местности высокого разрешения) и продуктам DTED уровней 3–6.
• LAS — формат данных лазерного сканирования, который предназначен для данных в виде трехмерного облака точек; формат разработан компанией ASPRS. Он напрямую поддерживается в наборах данных мозаики, а также может служить основой для набора данных LAS.

Нерегулярные данные рельефа

Данные рельефа, как правило, хранятся в растровом формате в виде регулярной сетки GRID. Однако следует знать и о существовании нерегулярных форматов. Примером служит нерегулярная сеть треугольников TIN. Этот формат часто используется для хранения данных рельефа, особенно в тех случаях, когда организация собирает и обслуживает эти данные самостоятельно, так как в них сохраняются исходные измерения (например, точки с точными трехмерными значениями рельефа). Другим подобным форматом является набор данных terrain (упомянутый выше). Он может быть визуализирован в виде сети TIN. Дополнительная информация приведена в разделе Отображение наборов данных terrain в ArcGIS.