Перед тем как приступать к управлению и распространению данных высот, следует иметь полное представление об этих данных. Данная инструкция состоит из трех частей. В первой части приведен обзор данных высот. Во второй части обсуждается создание плана управления данными и сопутствующие вопросы. В третьей части приведены последовательные этапы работы с данными высот (включая их публикацию).
Высоты поверхности и высоты поверхности земли
Существует два основных вида представления высот, которые необходимо поддерживать большинству пользователей: высоты поверхности земли (рельефа) и высоты поверхности. Высоты рельефа характеризуют непосредственно земную поверхность, им соответствует цифровая модель рельефа (ЦМР), тогда как высоты поверхности включают в себя также и объекты местности – здания, мосты, растительный покров и т. д. Высоты поверхности называются цифровой моделью местности (ЦММ). Некоторые применяют также термин цифровой модели поверхности (DTM или ЦМП) по отношению к данным ЦМР (DEM), хранящимся и смоделированным непосредственно из точек.
Как правило, ЦМР необходима для ортотрансформирования аэрофотоснимков, тогда как ЦММ используется для расчетов областей видимости.
Четвертым представлением является ЦМР, связанная с объектами 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 объектов
Водные поверхности в моделях рельефа могут иметь различное представление. Выбор представления зависит от потребностей пользователя. В число стандартных вариантов входят:
- Плоская поверхность – Для визуализации все озера и океаны будут отображены по их нормальному уровню воды. В некоторых случаях высоты водных объектов нормализуются, принимая нулевое значение. Это обычно используется в ортотрансформировании.
- Рельеф дна – применяется в гидрологическом моделировании, если инженерам необходимо знать топографию бассейна реки при отсутствии воды в нем; таким образом, ЦМР включает батиметрические данные
- Отсутствие данных (NoData)(когда это не земля) – применяется в приложениях, где необходимо точное вычисление площади суши.
Для большинства приложений наиболее приемлем будет первый вариант представления.
Геодезическая и абсолютная высота
Для полного понимания данных высот также необходимо различать абсолютные (относительно геоида) и геодезические (относительно эллипсоида) высоты. Геодезическая высота – это значения высот точек над или ниже идеализированной поверхности, когда форма Земли принимается за эллипсоид. Примером может служить эллипсоид Красовского или эллипсоид WGS 84, существует множество различных эллипсоидов.
Важно помнить, что поверхность эллипсоида – это гладкая поверхность, она может сильно различаться с уровнем моря (то есть с поверхностью геоида) в данной точке. Современные технологии позиционирования, как правило, проводят все измерения относительно референц-эллипсоида (к примеру, такова система орбитального спутникового позиционирования GPS, которая широко используется при аэрофотосъемке, лазерном сканировании и наземной съемке).
Абсолютная высота – это значение высоты точки над поверхностью модели геоида (геоид является приближением уровня поверхности моря). Хотя геоид также является математической и относительно гладкой поверхностью, он имеет гораздо больше неровностей, чем идеальный 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).
- Геодезические высоты применяются в приложениях, работающих с данными GPS, а также для ортотрансформирования спутниковых снимков. При аэрофотосъемке могут использоваться и абсолютные высоты, и высоты над эллипсоидом, 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 геодезические высоты земной поверхности.
- Абсолютные высоты (высоты над уровнем моря) чаще всего применяются при геодезической съемке, в гидрологии, сельском хозяйстве и в землеустройстве.
В основном наборы данных высот конвертируются в абсолютные высоты, но необходимо понимать различие между типами высот следует и указывать те, что присутствуют во входных данных. Кроме того, в сервисе скорее всего потребуется разместить данные высот в обоих форматах, при этом будет задействован процесс преобразования.
Более подробно см. http://www.ngs.noaa.gov/GEOID/PRESENTATIONS/2007_02_24_CCPS/Roman_A_PLSC2007notes.pdf.
В большинстве случаев рекомендуется для базового сервиса высот настроить абсолютные (ортометрические) высоты, так как затем, если потребуются геодезические высоты (относительно эллипсоида), для создания сервиса с такими высотами можно будет применить функции (с соответствующим геоидом). Дополнительную информацию о пересчете абсолютных высот в геодезические с использованием геоида (EGM96) в ArcGIS см. раздел Конвертация абсолютных высот в геодезические.
Точность измерений высот
Точность данных дистанционного зондирования и картографирования характеризуется двумя значениями: круговая погрешность и линейная погрешность. 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 высот. 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, т.е. линейную ошибку в вертикальном направлении. Например, в данных SRTM часто указывается VE90 = 16 meters – 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).
Стандарты картографической съемки были утверждены в 1947 году. (США) Выдержка из одного из них: "Для публикаций 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). Со временем были введены новые стандарты, последний опубликован Федеральным комитетом по географическим данным (FGDC) в 1998 году. 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:
- Federal Geographic Data Committee, "Part 2, Standards for Geodetic Networks, Geospatial Positioning Accuracy Standards," Federal Geographic Data Committee, Washington, D.C., FGDC-STD-007.2-1998, 1998.
- C.R. Greenwalt and M.E. Shultz, "Principles of Error Theory and Cartographic Applications," ACIC Technical Report No. 96, Aeronautical Chart and Information Center, St. Louis, 1968 (reprinted).
- U.S. Bureau of the Budget, "United States National Map Accuracy Standards," U.S. Bureau of the Budget, Washington, D.C., 1947.
Источники данных
Имеется три основных типа источников данных:
- Данные открытого пользования (бесплатные, полученные из государственных источников)
- Готовые к применению данные, поставляемые различными коммерческими организациями в сфере картографии
- 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 высот, находящиеся в открытом доступе.
- GTOPO является глобальным набором данных высот с разрешением 30 угловых секунд (приблизительно 1 км), который доступен для загрузки по адресу USGS GTOPO 30
. - ETOPO – глобальная модель поверхности Земли с разрешением 1 угловая минута, в которой сочетаются топографические данные земной поверхности и батиметрические данные океанского дна; модель доступна для загрузки по адресу ETOPO1 Global Relief Model.
- Global Multiresolution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010) – 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). Более подробно см. Global Multi-resolution Terrain Elevation Data 2010.
- SRTM (The Shuttle Radar Topography Mission – Программа топографической радиолокационной съемки "Шаттл") – данные высот практически на всю территорию Земли, полученные с космического аппарата "Спейс шаттл" для построения наиболее полной цифровой базы данных рельефа Земли высокого разрешения. Данные доступны в Shuttle Radar Topography Mission.
- 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. Дополнительные сведения см. в разделе ASTER.
- NED (National Elevation Dataset – Национальный набор данных высот 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 https://ned.usgs.gov/.
- Модель геоида, например, EGM96 и EGM2008. (Геоид в ArcGIS является приближением модели EGM96.)
- Сервисы высот на мир от Esri (World Elevation) предоставляют простой онлайн-доступ к глобальным коллекциям данных высот в нескольких разрешениях и из нескольких источников, продуктам данных высот, а также к сопутствующим приложениям и дополнительным сервисам. World Elevation Services можно использовать для ваших проектов в ArcGIS, где необходим набор данных высот.
Коммерческие данные
Ниже перечислены некоторые коммерческие частные компании, поставляющие данные высот либо в виде предварительно обработанных и готовых к применению продуктов, либо в той форме, в какой пожелает заказчик.
Данные в собственности организации
Третий вариант источника данных высот – 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 высот, 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, но организациям, использующим данные высот, возможно, потребуется понять некоторые основы современных технологий картографирования местности, 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 высот уже есть в наличии, они могут служить входными данными в фотограмметрическом процессе для трансформирования фотоснимков.
- В покрытых лесом областях, где на изображении не видно собственно поверхности земли, может быть получена только модель местности (ЦММ) – с учетом растительного покрова, либо только приближенная поверхность земли (ЦМР).
Воздушное лазерное сканирование
Для введения в лидар, см. Что такое лидар.
Ключевые моменты, которые необходимо знать для получения представлений о данных лидара:
- Данные лазерного сканирования могут быть получены с космического или летательного аппарата, а также с наземных стационарных или мобильных станций.
- Для топографической съемки наиболее распространенным является 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. Однако многие современные лидарные системы включают цифровые камеры для одновременной передачи изображения, которые, естественно, не будут предоставлять данные в ночных условиях.
- Лазерное сканирование вероятно является наиболее удачной технологией для получения данных высот, 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 сквозь щели в листве и получать достаточно хорошее представление рельефа земной поверхности в виде ЦМР.
- Хотя сигнал лидара не может проникнуть сквозь растительный покров, высокое разрешение лазера позволяет ему периодически пробиваться сквозь щели в листве 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. Файлы LAS могут быть непосредственно добавлены в набор данных мозаики.
Подробнее о добавлении данных формата LAS в набор данных мозаики
- Подробная статья об Lidar Analysis in ArcGIS 10 for Forestry Applications.pdf.
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.
- По своей сути длинноволновый диапазон, используемый радаром, приводит к определенным ограничениям относительно других электромагнитных частот. В частности, горизонтальная и вертикальная точность радиолокационных данных обычно исчисляются в метрах и дециметрах, против сантиметров коротковолнового диапазона оптических систем, таких как лидар.
- 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 ЦМР областей, покрытых лесом, затруднительно).
- Необработанные радиолокационные данные требуют особых алгоритмов для построения из них растровых данных высот, и в ArcGIS таких алгоритмов не предусмотрено.
Сонар
Распространенной технологией батиметрического картографирования подводного рельефа озер и океанов является сонар. Базовую информацию см. в батиметрии.
Для управления данными необходимо знать следующие основные понятия о сонарном картографировании рельефа:
- 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. Более подробную информацию см. на https://gcmd.nasa.gov/records/GCMD_USACE_SHOALS.html.
Структуры данных
Целочисленные данные и данные с плавающей точкой
Данные высот 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.
В большинстве случаев результаты анализа или готовые продукты, предназначенные для визуализации, могут поставляться как изображения с целочисленным форматом пикселов, но для использования самих данных высот 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)
- Процесс сжатия проще (процесс быстрее, коэффициент сжатия выше)
Обратите внимание, что при использовании целочисленных значений высот 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 высот SRTM с образованием «ступенек» в продукте отмывки.
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
Для наиболее эффективного хранения и предоставления растровых данных высот Esri рекомендует использовать полистный 32-разрядный с плавающей точкой формат TIFF с сжатием LZW. Этот формат самый простой в использовании и обслуживании, вместе с тем он обеспечивает наилучшее быстродействие.
В числе других форматов:
- Esri Grid – это традиционный формат хранения данных высот ПО Esri. Однако, администратору базы данных рекомендуется конвертировать данные в этом формате в TIFF для повышения быстродействия сервера.
- FLT (простой двоичный формат с плавающей точкой) – этот формат схож с 32-разрядным с плавающей точкой форматом файлов TIFF, 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 высот могут храниться в формате IMG, который поддерживается в ArcGIS.
- BAG (bathymetry attributed grid – грид батиметрии с атрибутами) – данный формат используется для батиметрических данных и частично поддерживается в ArcGIS 10. Программа правильно считывает данные высот растра, не полностью поддерживает все компоненты формата (например, золотые точки) Подробности смотрите в спецификации формата.
- DTED (digital terrain elevation data – цифровые данные высот рельефа) – спецификация формата с особым подходом к разрешению и точности данных высот, разработана Национальным агентством по геопространственной разведке США (NGA). Данные в формате DTED достаточно хорошо показывают себя в применении, конвертирование этих данных не требуется. Более подробно см. на сайте National Geospatial-Intelligence Agency.
- Esri набор данных terrain Esri– это созданная на основе TIN поверхность с переменной разрешающей способностью, построенная на основе измерений, сохраненных в виде пространственных объектов базы геоданных. 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 высот 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 участников 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 American Society for Photogrammetry and Remote Sensing (ASPRS). Он напрямую поддерживается в наборах данных мозаики, а также может служить основой для набора данных LAS.
Нерегулярные данные высот
Данные высот, как правило, хранятся в растровом формате, однако следует знать и о существовании о данных, хранящихся в нерегулярных (не на основе ячеек), форматах. Примером служит нерегулярная сеть треугольников TIN. Этот формат часто используется для хранения данных высот, 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 высот). 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.