ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ РЕЛЬЕФА ОТКРЫТОГО ДОСТУПА: НА ПРИМЕРЕ ТЕРРИТОРИИ ТАВАКСКАЙСКОГО ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО ПОЛИГОНА

АННОТАЦИЯ

В работе выполнена оценка вертикальной точности цифровых моделей рельефа Shuttle Radar Topography Mission Version 2.0 (SRTM30), Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global DEM Version 2.0 (ASTER GDEM2) и Advanced Land Observing Satellite World 3D Digital Surface Model Version. 2.1 (ALOS AW3D30) с использованием измерений GNSS сети. В качестве района исследования был выбрана тектонически активная область Таваксайского геодинамического полигона. Выявлено, что ASTER GDEM2 лучше подходит для сейсмотектонических исследований в этом районе.

ABSTRACT

In this study, the vertical accuracy of the Shuttle Radar Topography Mission Digital Elevation Model version 2.0 (SRTM30), the Advanced Space borne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global DEM version 2.0 (ASTER GDEM2), and Advanced Land Observing Satellite World 3D Digital Surface Model version 2.1 (ALOS AW3D30) was statistically assessed using GNSS data. The tectonically active region of the Tavaksay geodynamic polygon had been chosen as the study area. ASTER GDEM2 proved to be the most accurate DEM and it is very suitable for seismotectonic studies in this area.

Ключевые слова: цифровая модель рельефа, SRTM30, ASTER GDEM2, ALOS AW3D30, вертикальная точность, GPS.

Keywords: digital elevation model, SRTM30, ASTER GDEM2, ALOS AW3D30, vertical accuracy, GPS

В настоящее время в республике большое внимание уделяется созданию многоцелевой Национальной геоинформационной системы (НГИС) для комплексного учета и анализа природно-экономического потенциала ресурсов страны и ее отдельных территорий [1]. Одной из основных количественных информационных оценок о земной поверхности являются цифровые модели рельефа (ЦМР). На основе таких параметров как уклон, экспозиция, площадь водосбора, кривизна, топографический индекс можно выполнить оценку различных процессов: моделирование водного потока, оценку поверхностного стока, определение наводнений и управление ими, анализ формы рельефа и создание его карт, тектонические и климатические исследования [2, 3]. Важным критерием достоверности результатов моделирования является точность ЦМР [4]. Три параметра влияют на неопределенности данных ЦМР. Первый включает параметры системы, связанные с самим получением данных: длина и ориентация базовой линии, фаза, наклонная дальность и положение антенны. Вторая группа связана с этапами обработки необработанных данных, а последняя группа связана с влиянием растительности и земного покрова [5]. В настоящее время разрешение общедоступных ЦМР, таких как SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), ASTER (The Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) и ALOS (Advanced Land Observing Satellite) значительно улучшилось.  При этом и пространственный охват данных ЦМР позволяет использовать их для решения практических задач в труднодоступных районах с недостаточным объемом наземных наблюдений. Но перед их использованием пользователи должны сначала знать о влиянии ошибок (таких как неполная плотность наблюдений, неточность позиционирования, ошибки ввода данных, ошибки обработки, проблемы классификации). В большинстве случаев сети наземных станций пунктов глобальной навигационной системы (ГНСС) позволяют выполнить оценку точности моделей [6-8]. Целью данного исследования является оценка вертикальной точности ЦМР SRTM30, ASTER GDEM2 и ALOS AW3D30 открытого доступа для территории Таваксайского геодинамического полигона.

Таваксайский геодинамический полигон расположен в юго-западной части гор Каржантау и является неотъемлемой частью Ташкентского геодинамического полигона. Он был заложен Институтом Сейсмологии АН РУз на юго-восточном крыле юго-западной части Каржантауской мегантиклинали северо-восточнее Ташкента и севернее поселка Таваксай после сильного Таваксайского землетрясения 1977 года (М=5.3). Создание полигона предназначалось для контроля за современными движениями блоков по зоне Каржантауского разлома геодезическими и геофизическими методами с целью выявления прогностических предвестников землетрясений. С 1993 года здесь начались работы с использованием GPS приемников на 4 станциях (1339, 8167, ASTR, KLAD). Дополнительно для анализа были выбраны близлежащие 7 пунктов Ташкентского геодинамического полигона (CHAL, IGRK, KARM, KUMR, SARL, SAYL, TAWB) и 2 пункта геодезической сети Узбекистана (CHIR, GAZA) (рис.1). Координаты пунктов были вычислены в программе Gamit/Globk  и приведены на эпоху опорной системы ITRF2014 [9].

Рисунок 1. Пункты GPS вокруг Таваксайского полигона, использованные для исследования ЦМР

Отсчетной поверхностью ЦМР является эллипсоид WGS84, а высоты рассчитываются относительно среднего уровня моря (нормальная высота) с использованием аномалий высот, вычисленных по модели геоида EGM96. В данной работе значения аномалий высот по модели EGM96 были рассчитаны с помощью онлайн сервиса Международного центра глобальных моделей Земли (ICGEM) [10]. Связь между геодезической (h), нормальной (H) высотой и аномалией высоты (N) в каждой заданной точке определялась с помощью выражения:

                                                        (1)

На рис.2 (а-в) приведены поверхности, построенные с использованием вычисленных разностей модельных и измеренных по GPS геодезических высот: (GPS-SRTM30), (GPS-ASTER GDEM2) и (GPS-ALOS AW3D30).

Рисунок 2. Поверхности вычисленных разностей модельных и измеренных по GPS геодезических высот (а-в) и сравнительная статистика точности ЦМР (д)

Диапазон вычисленных разностей составил от 3.03 м до 17.97 м, от -0.75 м до 15.97 м, от -1.96 м до 54.52 м соответственно для SRTM30, ASTER GDEM2 и ALOS AW3D30. Оценка точности самих поверхностей и их смещения от эталонной GPS поверхности выполнялась с использованием среднеквадратичной ошибки (RMSE), средней ошибки (ME) и абсолютной вертикальной точности при уровне достоверности 90% (LE90). Первая из них, RMSE, характеризует отличие модельных значений Z_MODEL от эталонных (в нашем случае Z_GPS). Вторая, МЕ дает оценку смещения от эталонной модели. Абсолютная вертикальная точность LE90 вычисляется на основе RMSE. Уравнения выглядят следующим образом [11]: 

                                                      (2)

                                                (3)

                                                 (4)

Выявлено, что ASTER GDEM2 показал самую лучшую точность с RMSE, ME LE90 соответственно равным 22.76 м, 7.26 м и 37.44 м (рис. 2д). Стоит также отметить, что вертикальная точность модели ASTER GDEM2 лучше заявленной разработчиками 20 м, а для модели SRTM соответствует заявленным 11 м. Это связано с тем, что ASTER GDEM2 имеет некоторое преимущество перед SRTM30 из-за того, что его стереопара имеет более высокий обзор при сборе данных на очень крутой и пересеченной местности, такой как наша исследуемая область. Поэтому можно сделать предварительный вывод о возможности использования моделей SRTM30 и ASTER GDEM2 для решения практических задач (т.к. изучение тектоники, построение карт водоразделов и др.) в регионе.

Список литературы:

1. «О мерах по реализации инвестиционного проекта «Создание Национальной географической информационной системы». Постановление Президента №2045 от 2013 года / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: http://lex.uz/pages/getpage.aspx?lact_id=2242710  (дата обращения: 15.09.20). 
2. Fraser C.S., Baltsavias E., Gruen A. Processing of IKONOS imagery for submeter 3D positioning and building extraction // ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing. 2002. № 56. P.177–194.
3. Seleem T.A. Analysis and tectonic implication of DEM-derived structural lineaments, Sinai Peninsula, Egypt // International Journal of Geosciences. 2013. Vol.4. P.183–201.
4. Gómez-Gutiérrez A., Schnabel S., Contador F.L., García Marín R.  Testing the quality of open-access DEMs and their derived attributes in Spain: SRTM, GDEM and PNOA DEM // Geomorphometry. 2011. P.53–56.
5. Chen CF, Wang X, Yan CQ, Guo B, Liu GL. A total error-based multiquadric method for surface modeling of digital elevation models // GIScience Remote Sens. 2016. Vol. 53. №5. P.578.
6. Bakiev M., Khasanov K. Comparison of digital elevation models for determining the area and volume of the water reservoir // International journal of Geoinformatics. 2021. 17(1). P.37–45.
7. Fazilova D., Magdiev Kh., Sichugova L. Vertical accuracy assessment of open access digital elevation models using GPS // International journal of Geoinformatics. 2021. 17(1). P.19-26.
8. Фазилова Д.Ш., Арабов О.З. Исследование глобальной гравитационной модели земли EGM2008 для вычисления нормальных высот на территории Узбекистана // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2020. 11(80). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/10853 (дата обращения: 25.11.2020).
9. Herring T.A., King R.W., Floyd M., McClusky S.C. Introduction to GAMIT/GLOBK. Release 10.7. Technical report. Massachusetts Institute of Technology. 2018 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: http://geoweb.mit.edu/gg/Intro_GG.pdf (дата обращения: 10.09.20).
10. Barthelmes F., Köhler W. International Centre for Global Earth Models (ICGEM), in: Drewes, H., Kuglitsch, F., Adám, J. et.al. // The Geodesists Handbook, Journal of Geodesy. 2016 Vol. 90, №.10. P. 907-1205. https://doi.org/10.5194/egusphere-egu2020-3511.
11. Mukherjee S., Joshi P., Mukherjee S., Ghosh A., Garg R., Mukhopadhyay A. Evaluation of vertical accuracy of open-source Digital Elevation Model (DEM) // International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation. 2013. 21. P.205–217. doi: 10.1016/j.jag.2012.09.004.