Использование геоинформационных технологий для выделения водотоков по цифровым моделям рельефа на примере северных рек России

ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МОДЕЛИРОВАНИИ ГИДРОГРАФИИ ПО ЦИФРОВЫМ МОДЕЛЯМ РЕЛЬЕФА 7
1.1 Понятие цифровой модели местности и рельефа 7
1.2 Классификация, источниковая база и методы создания цифровых моделей рельефа 8
1.3 Роль геоинформационных технологий в моделировании гидрографии 14
ГЛАВА 2. ЭТАПЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ВОДОТОКОВ ИНСТРУМЕНТАМИ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ 17
2.1 Создание гидрологически корректной цифровой модели местности 18
2.2 Расчёт направления стока 20
2.3 Расчёт суммарного стока и идентификация водотока 23
ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ВОДОТОКОВ ПО ЦИФРОВЫМ МОДЕЛЯМ РЕЛЬЕФА 26
3.1 Исходные данные для проведения исследования 26
3.1.1 Выбор цифровых моделей местности и рельефа 26
3.1.2 Выбор гидрографических объектов на примере северных рек России (р. Северная Двина, р. Мойеро, р. Мома) 30
3.2 Выделение водотоков по глобальным цифровым моделям местности и рельефа среднего пространственного разрешения 33
3.3 Выделение водотоков по региональной цифровой модели местности ArcticDEM высокого и среднего пространственного разрешения 34
3.3.1 Обзор научных публикаций, связанных с обработкой ЦММ ArcticDEM для решения гидрологических задач 35
3.3.2 Учёт производительности персонального компьютера при обработке данных высокого пространственного разрешения 37
3.3.3 Результаты выделения водотоков р. Северная Двина, р. Мойеро и р. Мома 41
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ РЕЧНЫХ СИСТЕМ 44
4.1 Использование продольного профиля местности для оценки исходных данных о рельефе 44
4.2 Оценка корректности выделенных по ЦММ и ЦМР водотоков 50
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 58
Купить

Одной из общих проблем в области картографии, геоинформатики и дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) является проблема получения корректных векторных гидрографических основ, которые используются в качестве исходных данных для составления электронных карт и атласов, гидрологических исследований и гидрографических расчётов, для пространственно-временного моделирования речных систем, в том числе для автоматизированного определения порядка водотоков сети.
В работе рассматривается способ автоматизированного выделения водотоков инструментами геоинформационных систем (ГИС) по цифровым моделям местности (ЦММ) и рельефа (ЦМР), возникший вместе с активным внедрением информационных технологий в прикладные географические исследования, начиная со второй половины XX в. К тому моменту уже был достигнут высокий уровень традиционной картографии, но, с появлением и развитием компьютерной индустрии, возникли проблемы иного характера - такие как корректность реализации автоматизированных способов работы с пространственными данными в ГИС.
На сегодняшний день быстрое развитие науки и техники, появление новых, современных, вычислительных геоинформационных технологий для пространственного анализа, совершенствование базы исходных данных ДЗЗ, увеличение её качества, позволяет проводить исследования на новом уровне. Извлечение векторной гидрографической основы по глобальным цифровым моделям рельефа уже не может обеспечить необходимую точность исследований. В стандарте «Выбор цифровой картографической основы для определения гидрографических характеристик» указанно, что большинство глобальных моделей рельефа из открытых источников не соответствуют требованиям по точности из-за невысокого пространственного разрешения, а значит их нельзя использовать для инженерно-гидрологических расчётов. С течением времени в открытом доступе появляются и будут появляться более подробные данные о рельефе местности, с высоким пространственным разрешением. Но на данный момент они являются малоисследованными с точки зрения алгоритмов обработки и задач выделения водотоков. Одной из таких моделей, покрывающей значительные северные территории РФ, является региональная ЦММ арктических территорий высокого пространственного разрешения (2 м) ArcticDEM. Возможность её обработки для целей выделения водотоков при помощи вычислительных ресурсов среднестатистического персонального компьютера (ПК) рассматривается в настоящей работе.
К модели речной сети предъявляются определенные требования по достоверности и соответствию объектов своему реальному положению в пространстве. В различных прикладных географических исследованиях этапу оценки корректности полученных данных не уделяется должное внимание, что приводит к неверной интерпретации пространственной информации об объектах и явлениях. В работе анализируются способы оценки как исходных данных о рельефе, так и результирующих векторных моделей на примере р. Северная Двина, р. Мойеро и р. Мома.
На основании рассмотренных проблем цель исследования - определить наиболее корректный способ выделения водотоков по цифровой модели рельефа высокого и среднего пространственного разрешения с использованием геоинформационных технологий.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
- ознакомиться с предшествующими исследованиями, зарубежным и отечественным опытом моделирования гидрографических объектов по ЦММ и ЦМР;
- выбрать алгоритм выделения водотоков, который будет использован для задач настоящего исследования;
- сформировать набор пространственных данных для практической части исследования, включающий ЦММ, ЦМР и эталонные векторные объекты рек;
- осуществить процедуру выделения водотоков по различным ЦММ и ЦМР;
- рассмотреть аспект производительности при обработке данных высокого пространственного разрешения на примере ArcticDEM;
- сравнить особенности выделения водотоков по ЦММ и ЦМР высокого и среднего пространственного разрешения;
- апробировать способ построения продольных профилей местности для оценки точности исходных данных о рельефе территории и идентификации некорректных участков полученных водотоков;
- сделать выводы о результатах исследования.
Результаты работы апробированы на XIX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Большого географического фестиваля (г. Санкт-Петербург, СПбГУ, 2023), на XXI Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (г. Москва, ИКИ РАН, 2023), на VII Международной конференции «Водные ресурсы: изучение и управление» (г. Петрозаводск, КарНЦ РАН, 2023), на XX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Большого географического фестиваля (г. Санкт-Петербург, СПбГУ, 2024), на I Белорусском географическом конгрессе (г. Минск, БГУ, 2024) и на XXXI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (г. Москва, МГУ, 2024).
Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературных источников, содержащего 61 наименование, из них 39 на русском языке и 22 на английском языке. Основной текст работы изложен на 62 страницах машинописного текста. Работа содержит 28 рисунков и 8 таблиц.
Купить