Geum.ru

Бакуна Виталия Викторовича Руководители: доцент Клебанович Николай Васильевич ассистент Шешко Сергей Михайлович Минск 2009 Оглавление Перечень условных обозначений 4 реферат

Вид материалаРеферат

Содержание


Глава 2. Цифровые модели рельефа
Подобный материал:
1   2   3   4   5

Глава 2. Цифровые модели рельефа



Моделирование рельефа, его анализ и изучение по построенным моделям постепенно становятся неотъемлемой частью исследований в науках о Земле (геология, тектоника, гидрология, океанология, климатология и т.д.), в экологии, земельном кадастре и инженерных проектах. Компьютерная обработка пространственных данных находит широкое применение при анализе распространения участков загрязнений, в моделировании месторождений, а также во многих проектах по устойчивому развитию территорий.

Основой для представления данных для ГИС являются цифровые модели. Под цифровой моделью географического объекта понимается определенная форма представления исходных данных и способ их структурного описания, позволяющий «вычислять» объект путем интерполяции, аппроксимации или экстраполяции. Относительно рельефа такая модель будет называться цифровой моделью рельефа.

Цифровая модель рельефа (ЦМР, Digital Terrain Model, DTM; Digital Elevation Model, DEM; Digital Terrain Elevation Data, DTED) – средство цифрового представления трехмерных пространственных объектов (поверхностей, рельефа) в виде трехмерных данных как совокупности высот или отметок глубин и иных значений аппликат (координаты Z) в узлах регулярной сети с образованием матрицы высот, нерегулярной треугольной сети (TIN) или как совокупность записей горизонталей (изогипс, изобат) или иных изолиний. Наиболее распространенными способами цифрового представления рельефа является растровое представление и особая модель пространственных данных, основанная на сети TIN и аппроксимирующая рельеф многогранной поверхностью с высотными отметками (отметками глубин) в узлах треугольной сети.

Процесс цифрового моделирования рельефа включает создание ЦМР, их обработку и использование. Источниками исходных данных для создания ЦМР суши служат топографические карты и планы, аэрофотоснимки, космические снимки и другие данные дистанционного зондирования (ДДЗ), данные альтиметрической съемки, спутниковых систем позиционирования, нивелирования и других методов геодезии; подводного рельефа акваторий (батиметрии) – морские навигационные карты, данные промерных работ, эхолотирования; рельефа поверхности и ложа ледников – аэросъемка, материалы фототеодолитной и радиолокационной съемки. Обработка ЦМР служит для получения производных морфометрических или иных данных, включая вычисление углов наклона и экспозиций склонов; анализ видимости/невидимости; построение трехмерных изображений; профилей поперечного сечения; оценку формы склонов через кривизну их поперечного и продольного сечения, измеряемую радиусом кривизны главного нормального сечения или ее знаком, т.е. выпуклостью/вогнутостью; вычисление положительных и отрицательных объемов; генерацию линий сети тальвегов и водоразделов, образующих каркасную сеть рельефа, его структурных линий, или сепаратрис и иных особых точек и линий рельефа; локальных минимумов, или впадин, и локальных максимумов, или вершин, седловин, бровок, линий обрывов и иных нарушений «гладкости» поверхности, плоских поверхностей с нулевой крутизной; интерполяцию высот; построение изолиний по множеству значений высот; автоматизацию аналитической отмывки рельефа путем расчета относительных освещенностей склонов при вертикальном, боковом или комбинированном освещении от одного или более источников; цифровое ортотрансформирование при цифровой обработке изображений и другие вычислительные операции и графоаналитические построения. Методы и алгоритмы создания и обработки ЦМР применимы к иным физическим или статистическим рельефам и полям: погребенному рельефу, барическому рельефу и т.п [1, 2].

Существует два кардинально различающихся способа получения данных для построения цифровых моделей рельефа. Первый способ – это методы дистанционного зондирования и фотограмметрия. Однако высокое разрешение получаемых таким способом моделей рельефа пока не находит должного применения в большинстве случаев. Второй способ – построение моделей рельефа путем интерполяции оцифрованных изолиний из топографических карт.

Цифровая модель рельефа (ЦМР) представляет собой математическое описание земной поверхности как совокупности расположенных на ней точек, связей между ними, а также метода определения высот произвольных точек, принадлежащих области моделирования, по их плановым координатам.

Применяемые в настоящее время способы построения цифровой модели рельефа, в зависимости от принятой схемы размещения точек и типа математической модели, можно условно разделить на две группы.

Первая группа объединяет способы, основанные на нелинейной интерполяции высот с использованием полиномов, сплайнов, корреляционных функций и т. п., различающиеся видом используемой функции, способом отбора исходных пунктов и пр. Параметры применяемой математической модели вычисляют по опорным точкам, а затем используют для интерполяции высот произвольных точек области моделирования по их плановым координатам.

Вторая группа объединяет способы, основанные на построении геометрически упорядоченной (регулярной или нерегулярной) модели, элементами которой являются либо определенным образом упорядоченные линии, либо поверхности различных многогранников (треугольников, четырехугольников или иных фигур). Во втором случае поверхность задается точками в вершинах геометрических фигур (треугольников, квадратов и др.) исходя из предположения, что ограничиваемая ими поверхность имеет одинаковый и однообразный уклон.

Структурная модель местности представляется отметками точек, размещенных в характерных точках рельефа – на линиях водоразделов, тальвегов, урезов вод в точках локального экстремума и др. Такая модель наиболее точно отражает поверхность минимальным числом точек, однако ее использование затруднено из-за сложности интерполяции высот определяемых точек.

Цифровая модель рельефа на треугольниках произвольной формы (рис. 2.1), покрывающих всю область моделирования, представляет рельеф наиболее точно, поскольку обеспечивает плотное «прилегание» треугольников к моделируемой поверхности. В силу этого такая модель применяется очень широко и известна как модель TIN (Triangulated Irregular Network), или модель па триангуляционной нерегулярной сетке, или свободная модель.

Построение цифровой модели рельефа с использованием модели данных TIN сводится к созданию оптимальной сети треугольников, элементы которой стремятся быть как можно ближе к равносторонним. При этом любая точка двумерного пространства обладает только одной высотной координатой [4].

Использование модели TIN для получения высот новых точек не совсем удобно, поскольку для этого необходимо не только определить принадлежность определяемой точки конкретному треугольнику, но и, что особенно важно, выполнить линейную интерполяцию высот по отметкам его вершин.

Преимуществом триангуляционной модели является то, что в ней нет никаких преобразований исходных данных. С одной стороны, это не дает использовать такие модели для детального анализа, но, с другой стороны, исследователь всегда знает, что в этой модели нет никаких привнесенных ошибок, которыми грешат модели, полученные при использовании других методов интерполяции.

Более популярна и удобна для практического использования модель на регулярной сетке со сторонами, параллельными координатным осям X и Y системы местности (рис. 2.2). Такая модель называется регулярной, основана на интерполяции значений высот и известна как модель DEM (Digital Elevation Model). Регулярная ЦМР может быть рассчитана на любую область и может иметь любой размер, ограниченный только размером диска. Регулярную ЦМР можно представлять себе как бесконечную решетку, параллельную осям координат, к узлам которой приписаны значения высоты.

В общем случае при построении цифровой модели рельефа можно выделить несколько этапов:
  1. Подготовка исходных данных;
  2. Выбор способа создания модели;
  3. Подбор параметров для построения модели;
  4. Непосредственно процесс создания модели.




Рис. 2.1. Модель TIN [9]




Рис. 2.2. Модель DEM [9]


ArcGIS использует два способа для моделирования поверхности: гриды и TIN. Первый способ включен в модули 3D Analyst и Spatial Analyst, второй – только в 3D Analyst. И грид, и TIN обладают своими преимуществами для моделирования поверхности, но вопрос, какой способ выбрать, лучше решать для конкретной задачи в зависимости от доступных исходных данных и необходимых требований к виду работы и области применения.