Управління даними висот, Частина 1: Огляд даних висот-Довідка

1. Рельєф і місцевість
2. Подання об'єктів гідрографії
3. Геодезична і абсолютна висота
4. Точність вимірювань рельєфу
5. джерела даних
6. Дані відкритого користування
7. комерційні дані
8. Дані у власності організації
9. Методи отримання даних
10. Фотограмметрія
11. Повітряне лазерне сканування
12. Радіолокація і радарграмметрія
13. сонар
14. структури даних
15. стандартні формати
16. Нерегулярні дані рельєфу
17. пов'язані тими

Перед тим як приступати до керування та розповсюдження даних рельєфу, слід мати повне уявлення про ці дані. Дана інструкція складається з трьох частин. У першій частині наведено огляд даних рельєфу. під другій частині обговорюється створення плану управління даними і супутні питання. В третій частині наведені послідовні етапи роботи з даними рельєфу (включаючи їх публікацію).

Рельєф і місцевість

Модель рельєфу і модель місцевості є двома основними уявленнями даних висот, які покликані задовольняти практично всім вимогам користувачів. Висоти рельєфу характеризують безпосередньо земну поверхню, їм відповідає цифрова модель рельєфу (ЦМР), тоді як висоти місцевості включають в себе також і об'єкти місцевості - будівлі, мости, рослинний покрив і т.д. Висоти місцевості утворюють цифрову модель місцевості (ЦММ). Іноді дані ЦМР зберігаються і моделюються у вигляді хмари точок (такі дані можуть позначатися абревіатурою DTM).

Як правило, ЦМР необхідна для ортотрансформірованія аерофотознімків, тоді як ЦММ використовується для розрахунків областей видимості.

Четвертим поданням є ЦМР, прив'язана до об'єктів гідрографії. Це особлива модель рельєфу, розроблена із застосуванням суворих методів і контролю якості для використання в гідрологічному моделюванні, наприклад при цифровому моделюванні водного потоку. Такий тип ЦМР в багатьох організаціях і програмах не застосовується, але в даному розділі йому будуть присвячені деякі зауваження.

Подання об'єктів гідрографії

Водні поверхні в моделях рельєфу можуть мати різне уявлення. Вибір уявлення залежить від потреб користувача. У число стандартних варіантів входять:

1. Плоска поверхня - Для візуалізації все озера і океани будуть відображені по їх нормального рівня води. У деяких випадках висоти водних об'єктів нормалізуються, приймаючи нульове значення. Такий варіант ЦМР використовується в ортотрансформірованіі.
2. Рельєф дна - застосовується в гідрологічному моделюванні, якщо інженерам необхідно знати топографію басейну річки при відсутності води в ньому; таким чином, ЦМР включає батиметрические дані
3. Відсутність даних (NoData) (коли це не земля) - застосовується в додатках, де необхідно точне обчислення площі суші.

Для більшості додатків найбільш прийнятний буде перший варіант подання.

Геодезична і абсолютна висота

Для повного розуміння даних рельєфу також необхідно розрізняти абсолютні (щодо геоїда) і геодезичні (щодо еліпсоїда) висоти. Геодезична висота - це значення висот точок над або нижче ідеалізованої поверхні, коли форма Землі приймається за еліпсоїд. Прикладом може служити еліпсоїд Красовського або еліпсоїд WGS 84, існує безліч різних еліпсоїдів.

Важливо пам'ятати, що поверхня еліпсоїда - це гладка поверхня, вона може сильно відрізнятися з рівнем моря (тобто, з поверхнею геоїда) в даній точці. Сучасні технології позиціонування, як правило, проводять всі виміри щодо референц-еліпсоїда (наприклад, така система орбітального супутникового позиціонування GPS, яка широко використовується при аерофотозйомки, лазерному скануванні і наземної зйомки).

Абсолютні і геодезичні висоти

Абсолютна висота - це значення висоти точки над поверхнею моделі геоїда (геоид є наближенням рівня поверхні моря). Хоча геоїда також є математичною і щодо гладкою поверхнею, він має набагато більше нерівностей, ніж ідеальний еліпсоїд, через місцевих варіацій сили тяжіння. У традиційних методах геодезичної зйомки (без застосування супутникового позиціонування) все виміру, як правило, проводяться щодо геоїда (місцевого рівня моря).

• Геодезичні висоти застосовуються в додатках, що працюють з даними GPS, а також для ортотрансформірованія супутникових знімків. При аерофотозйомки можуть використовуватися і абсолютні висоти, і висоти над еліпсоїдом, в залежності від того, який датум застосовувався при зовнішньої орієнтації знімків. Зовнішня орієнтація може бути або ортометричною (якщо контроль проекту проводився з наземних станцій спостереження), або еліпсоїдальної (із застосуванням на літальному апараті системи GPS укупі з системою інерціальної навігації). В останньому випадку для ортотрансформірованія знімків будуть потрібні геодезичні висоти земної поверхні.
• Абсолютні висоти (висоти над рівнем моря) найчастіше застосовуються при геодезичної зйомки, в гідрології, сільському господарстві і в землеустрій.

В основному набори даних висот конвертуються в абсолютні висоти, але необхідно розуміти різницю між типами висот слід і вказувати ті, що присутні у вхідних даних. Крім того, в сервісі швидше за все буде потрібно розмістити дані рельєфу в обох форматах, при цьому буде задіяний процес перетворення.

Додаткова інформація наведена на сайті http://www.ngs.noaa.gov/GEOID/PRESENTATIONS/2007_02_24_CCPS/Roman_A_PLSC2007notes.pdf .

У більшості випадків рекомендується для базового сервісу рельєфу налаштувати абсолютні (ортометричною) висоти, так як потім, якщо будуть потрібні геодезичні висоти (щодо еліпсоїда), для створення сервісу з такими висотами можна буде застосувати функції (з відповідним геоидом). Додаткову інформацію про перерахунок абсолютних висот в геодезичні з використанням геоїда (EGM96) в ArcGIS см. Розділ Конвертація абсолютних висот в геодезичні .

Точність вимірювань рельєфу

Точність даних дистанційного зондування і картографування характеризується двома значеннями: кругова похибка (circular error, CE) і лінійна похибка (linear error, LE). Просторова точність в плані (горизонтальна) характеризується кругової помилкою планових координат набору даних при певному рівні довірчої ймовірності. Просторова точність по висоті (вертикальна) характеризується лінійної помилкою висотних координат набору даних при певному рівні довірчої ймовірності; це відноситься до вимірювань рельєфу. По суті, точність - це розподіл ймовірності відхилення значення від абсолютного значення. Будь-яка точність при рівні довірчої ймовірності 90% говорить про те, що 90% всіх відхилень в положеннях точок будуть менше або дорівнюють вказаним значенням точності.

Деякі елементи метаданих можуть мати вигляд на кшталт "CE90": це означає міру кругової помилки (CE) при рівні ймовірності 90%, швидше за все з цим елементом буде пов'язано якесь значення; "LE90" означатиме лінійну помилку (LE) при рівні ймовірності 90%. Також може зустрітися позначення VE, що означає вертикальну помилку (vertical error), тобто лінійну помилку в вертикальному напрямку. Наприклад, в даних SRTM часто вказується VE90 = 16 meters - це означає, що не більше 10% вертикальних вимірів можуть мати відхилення від абсолютного значення в даній точці, що перевищують 16 метрів (з урахуванням похибок широти, довготи і висоти).

У США перші картографічні стандарти з'явилися в 1947 році. Витяг з одного з них: "Для публікації карт масштабу крупніше 1:20 000, допускається не більше 10% всіх виміряних точок з помилкою більш 1/30 дюйма (...) Такі допуски у всіх випадках застосовуються до точності положення тільки чітко розпізнаються точок (...) таких як топознаки, пам'ятники, перетину доріг тощо. " (US Bureau of the Budget, 1947). З плином часу виходили все нові стандарти, останній з них був виданий Федеральним комітетом за географічними даними США (FGDC) в 1998 р Зокрема, в ньому йдеться про те, що, для досягнення точності просторового об'єкта в 1 м з рівнем довірчої ймовірності 95%, точність вихідних даних повинна бути не гірше 1 м. Основна відмінність цих вимог в тому, що стандарти більш не засновані на певному масштабі. Також можна помітити, що точність вимірювань стала більш передбачуваною - рівень довірчої ймовірності піднявся з CE90 до CE95.

література:

1. Federal Geographic Data Committee, "Part 2, Standards for Geodetic Networks, Geospatial Positioning Accuracy Standards", Federal Geographic Data Committee, Washington, DC, FGDC-STD-007.2-1998, 1998..
2. CR Greenwalt and ME Shultz, "Principles of Error Theory and Cartographic Applications", ACIC Technical Report No. 96, Aeronautical Chart and Information Center, St. Louis, 1968 (reprinted).
3. US Bureau of the Budget, "United States National Map Accuracy Standards", US Bureau of the Budget, Washington, DC, 1947.

джерела даних

Є три основних типи джерел даних:

1. Дані відкритого користування (безкоштовні, отримані з державних джерел)
2. Готові до застосування дані, що поставляються різними комерційними організаціями в сфері картографії
3. Дані у власності вашої організації (отримані або з внутрішніх джерел, або від постачальників картографічних сервісів)

Ці та інші джерела даних можуть бути надані у вигляді веб-сервісів або у вигляді даних при завантаженні. Хоча можливий варіант використання веб-сервісу, але в даному розділі буде передбачатися, що джерело даних є внутрішнім і розташований на локальному диску.

Дані відкритого користування

У таблиці нижче наведені деякі джерела даних рельєфу, що знаходяться у відкритому доступі.

• GTOPO є глобальним набором даних висот з дозволом 30 кутових секунд (приблизно 1 км), який доступний для завантаження за адресою USGS GTOPO 30 .
• ETOPO - глобальна модель рельєфу Землі з дозволом 1 кутова хвилина, в якій поєднуються топографічні дані земної поверхні і батиметрические дані океанського дна; модель доступна для завантаження за адресою http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html .
• Global Multiresolution Terrain Elevation Data 2010 року (GMTED2010) - Глобальні дані рельєфу місцевості в декількох дозволах на 2010 р - лінійка продуктів в трьох різних дозволах (приблизно 1 000, 500 і 250 метрів), яку планує поставляти Геологічна служба США (USGS). Додаткову інформацію ви можете дізнатися на сайті http://pubs.usgs.gov/of/2011/1073 .
• SRTM (The Shuttle Radar Topography Mission - Програма топографічної радіолокаційної зйомки "Шаттл") - дані рельєфу практично на всю територію Землі, отримані з космічного апарату "Спейс шаттл" для побудови найбільш повної цифрової бази даних рельєфу Землі з високою роздільною здатністю. Дані доступні за адресою http://srtm.usgs.gov/index.php .
• ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer - Вдосконалений супутниковий радіометр теплового випромінювання та відображення) - це інструмент, розташований на супутнику НАСА "Терра". Шляхом обробки стереоснимку з цього сенсора була побудована ЦМР на територію Землі між широтами 83 пн.ш. і 83 пд.ш. з дозволом 30 метрів. Дані доступні за адресою http://asterweb.jpl.nasa.gov/gdem.asp .
• NED (National Elevation Dataset - Національний набір даних рельєфу США) - дані, створені Геологічної служби США (USGS) на територію США. Дані NED доступні для використання в США і мають дозволу 1 кут. сек., 1/3 кут. сек. і 1/9 кут. сек. (Тільки для деяких територій). Детальніше про ці дані на сайті http://ned.usgs.gov/ .
• Гравітаційні моделі геоїда, наприклад, EGM96 і EGM2008 . . (Геоид в ArcGIS є наближенням моделі EGM96.)
• Сервіси світових висот Esri (Esri's World Elevation services) надають простий онлайн-доступ до глобальних колекцій даних рельєфу в декількох дозволах і з декількох джерел, продуктам даних рельєфу, а також до супутніх додатків і додаткових сервісів. World Elevation Services (Сервіси зображень World Elevation) може бути використаний для ваших проектів ArcGIS, які вимагають наявності набору даних висот.

комерційні дані

Нижче перераховані деякі комерційні приватні компанії, які постачають дані рельєфу або у вигляді попередньо оброблених і готових до застосування продуктів, або в тій формі, в якій побажає замовник.

Дані у власності організації

Третій варіант джерела даних рельєфу - отримання даних засобами своєї організації. Дані можуть бути отримані безпосередньо співробітниками організації, наприклад методом наземної геодезичної зйомки або іншими методами (фотограмметрії або лазерним скануванням). З іншого боку, організація може замовити зйомку даних за договором з приватною компанією.

Методи отримання даних

Крім питання про те, де взяти дані рельєфу, також важливо знати методи, якими ці дані можуть бути отримані. Це можуть бути певні системи зйомки або будь-які технології. Ми не будемо тут розглядати ці методи в подробицях, а тільки наведемо основні відомості про сучасні технології картографування рельєфу, які можуть бути задіяні як на космічному, так і на літальному апараті - це фотограмметрія, радіолокація і лазерне сканування.

Фотограмметрія

Введення в фотограмметрию наведено на сайті www.geodetic.com . Ключові моменти, які необхідно знати для отримання уявлень про фотограмметрії:

• Фотограмметрія може служити для побудови моделі рельєфу на територію, покриту стереопару аерофотознімків.
• Якщо дані рельєфу вже є в наявності, вони можуть служити вхідними даними в фотограмметрична процесі для трансформування фотознімків.
• В покритих лісом областях, де на зображенні не видно земної поверхні, може бути отримана тільки модель місцевості (з урахуванням рослинного покриву), або тільки наближена поверхню рельєфу (ЦМР).

Повітряне лазерне сканування

Для введення в лідар, см. Що таке лідар .

Ключові моменти, які необхідно знати для отримання уявлень про дані лидара:

Радіолокація і радарграмметрія

Вступну статтю про радіолокаційне картографування місцевості можна прочитати на сайті http://www.intermap.com .

Для управління даними необхідно знати в такому значенні про радіолокаційне картографування рельєфу:

• Радіолокаційні системи картографування є активними (не вимагають сонячного світла, на відміну від аерофотознімків), а довжина хвилі дозволяє радіовипромінюванню проникати крізь хмари. Тому радар ефективний в тропічних кліматичних зонах, а також більш продуктивний, так як працює і рано вранці, і пізно ввечері, і навіть вночі.
• За своєю суттю довгохвильовий діапазон, який використовується радаром, призводить до певних обмежень щодо інших електромагнітних частот. Зокрема, горизонтальна і вертикальна точність радіолокаційних даних зазвичай обчислюються в метрах і дециметрах, проти сантиметрів короткохвильового діапазону оптичних систем, таких як лідар.
• Залежно від довжини хвилі деякі радіолокаційні системи можуть частково проникати крізь рослинний покрив (але зворотною стороною медалі є їх низька точність), тоді як інші дають високу точність, але не дозволяють уникнути рослинності (забезпечують побудову ЦММ, але побудувати на їх основі ЦМР областей, покритих лісом, важко).
• Необроблені радіолокаційні дані вимагають особливих алгоритмів для побудови з них растрових даних рельєфу, і в ArcGIS таких алгоритмів не передбачено.

сонар

Поширеною технологією батіметріческая картографування підводного рельєфу озер і океанів є сонар. Базову інформацію про Сонар ви можете знайти на сайті http://en.wikipedia.org/wiki/Bathymetry .

Для управління даними необхідно знати в такому значенні про сонарним картографуванні рельєфу:

• Горизонтальна роздільна здатність і вертикальна точність сонарних систем нижче, ніж при еквівалентній наземної геодезичної зйомки.
• Уздовж берегової лінії часто є прогалини в даних, в місцях зчленування наземної і сонарним зйомки. Області припливу і берегової лінії може знадобитись спеціальна обробка, щоб уникнути зазорів в даних типу NoData.

Батіметріческая картографування також може проводитися за допомогою особливого повітряного лазерного сканера. Для отримання додаткової інформації, див. http://gcmd.nasa.gov/records/GCMD_USACE_SHOALS.html .

структури даних

Цілочисельні дані (integer) і дані з плаваючою точкою (float)

Дані рельєфу складаються з набору виміряних точок, в місцях їх відсутності зазвичай потрібно інтерполяція. Значення висот зазвичай зберігаються в форматі з плаваючою точкою, хоча для даних дрібного масштабу (наприклад, SRTM) можливе застосування цілочисельного формату. Для управління даними слід розуміти різницю між цими типами даних (Float і Integer).

У більшості випадків результати аналізу або готові продукти, призначені для візуалізації, можуть поставлятися як зображення з цілочисельним форматом пікселів, але для використання самих даних рельєфу необхідні дані з плаваючою точкою. (Додаткова інформація на цю тему наведена у другій частині даного розділу.)

Переваги використання цілочисельних даних (якщо їх використання можливе):

• Менший розмір Даних на диску (8 або 16 біт на піксель, тоді як для Даних з плаваючих точкою необходимо 32 біта)
• Процес стисненого простіше (процес швидше, коефіцієнт стисненого вищє)

Зверніть увагу, что при вікорістанні цілочісельніх значень рельєфу недоліком может буті з'явилися сходинок (терас) для Деяк продуктів (например, з відміванням рельєфу) з-за округлення значення до цілого числа. Наступний приклад ілюструє уявлення даних рельєфу SRTM з утворенням терас.

Приклад показу терас за допомогою відмивання рельєфу

Дані можуть бути при поставці розділені на листи. Якщо спосіб поділу на листи можна регулювати, рекомендується мати перекриття між листами як мінімум в 1 піксель.

стандартні формати

Для найбільш ефективного зберігання та надання растрових даних висот Esri рекомендує використовувати полістний 32-розрядний з плаваючою точкою формат TIFF з стисненням LZW. Цей формат найпростіший у використанні і обслуговуванні, в той же час він забезпечує найкращу швидкодію.

У числі інших форматів даних рельєфу:

• Esri Grid - це традиційний формат зберігання даних рельєфу ПО Esri. Однак, адміністратору бази даних рекомендується конвертувати дані в цьому форматі в TIFF для підвищення швидкодії сервера.
• FLT (простий двійковий формат з плаваючою точкою) - цей формат схожий з 32-розрядних з плаваючою точкою форматом файлів TIFF, але не містить заголовка. Цей формат не може бути розбитий на листи, тому він рекомендується тільки для невеликих екстентів.
• ASCII DEM - простий файл в текстовій кодуванні ASCII, який може містити дані в регулярній (растрової) або нерегулярної структурі. В останньому випадку в файлі явно вказуються координати X, Y, Z. Цей формат малоефективний для зберігання, читання і запису даних, однак, він є універсальним форматом зберігання даних. Рекомендується конвертувати такі файли в TIFF для підвищення швидкодії.
• IMG (компанії ERDAS) - дані рельєфу можуть зберігатися в форматі IMG, який підтримується в ArcGIS.
• BAG (bathymetry attributed grid - батіметріческая атрибутована сітка) - цей формат використовується для батіметріческіх даних, і він частково підтримується в ArcGIS 10. Існує алгоритм для читання з нього растрових даних, але в ньому підтримуються не всі складові формату (наприклад, немає підтримки пікселів golden points - "золотих точок"). Специфікацію цього формату ви можете знайти на сайті http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/bathymetry/noshdb/ons_fsd.pdf .
• DTED (digital terrain elevation data - дані цифрового рельєфу місцевості) - специфікація формату з особливим підходом до розв'язання і точності даних рельєфу, розроблена Національним агентством по геопросторової розвідки США (NGA). Дані в форматі DTED досить добре показують себе в застосуванні, конвертація цих даних не потрібно. Більш детально див. На сайті National Geospatial-Intelligence Agency.
• Esri набір даних уявлення поверхонь (terrain) - це створена на основі TIN поверхню зі змінною роздільною здатністю, побудована на основі вимірів, збережених у вигляді просторових об'єктів бази геоданих. Вони зазвичай створюються лидара, сонарами і фотограмметричними джерелами. Набори даних Terrain відносяться до бази геоданих, в наборах даних об'єктів з об'єктами, що використовуються для їх створення. Їх слід конвертувати в набори растрових даних - переважно в формат TIFF. Додаткові відомості див. У розділі Сутність набору даних terrain .
• HRE (high resolution elevation - рельєф з високою роздільною здатністю) - це відносно новий формат для зберігання даних рельєфу з високою роздільною здатністю. Цей формат розроблений Національним агентством США по геопросторової розвідки (NGA) і є частиною Національної системи геопросторової розвідки США (NSG). Дані в цьому форматі доступні для використання широкого кола партнерів і учасників цієї організації, а також зовнішнім покупцям продуктів NSG. Дані HRE прийшли на зміну поточним нестандартизованное продуктам HRTE / HRTI (High Resolution Terrain Elevation / Information - Рельєф / Інформація місцевості з високою роздільною здатністю) і продуктам DTED рівнів 3-6.
• LAS - формат даних лазерного сканування, який призначений для даних у вигляді тривимірного хмари точок; формат розроблений компанією American Society for Photogrammetry and Remote Sensing (ASPRS). Він безпосередньо підтримується в наборах даних мозаїки, а також може служити основою для набору даних LAS .

Нерегулярні дані рельєфу

Дані висот, як правило, зберігаються в растровому форматі, проте слід знати і про існування про дані, що зберігаються в нерегулярних (не на основі осередків). форматах. Прикладом служить нерегулярна мережа трикутників TIN. Цей формат часто використовується для зберігання даних рельєфу, особливо в тих випадках, коли організація збирає та обслуговує ці дані самостійно, так як в них зберігаються вихідні вимірювання (наприклад, точки з точними тривимірними значеннями рельєфу). Іншим подібним форматом є набір даних terrain (згаданий вище). Він може бути визуализирован у вигляді мережі TIN. Додаткова інформація наведена в розділі Відображення наборів даних terrain в ArcGIS .

пов'язані тими