Разработка проекта с применением цифровых технологий в анализе геопространственных данных

1.

Институт корпоративного обучения и непрерывного образования
Центр дистанционного образования и цифровых компетенций
ИТОГОВЫЙ ГРУППОВОЙ ПРОЕКТ
по теме:
«Разработка проекта с применением цифровых технологий в анализе
геопространственных данных»
ДПП ПП «Цифровые технологии в анализе геопространственных данные»
Автор проекта
А.А. Лукьянов
Автор проекта
А.Е. Бершин
Автор проекта
В.В. Орлов
Автор проекта
Д.Е. Кокорев
Автор проекта
И.К. Коромыслов
Руководитель
зам. начальника отдела
введения границ филиала ППК
«Роскадастр» по РМ
С.Б. Щетинина

2.

Актуальность работы, объект и предмет исследования
Рельеф играет ключевую роль в формировании ландшафтов, гидрологических процессов и организации хозяйственной
деятельности. Современные исследования используют цифровые модели рельефа (ЦМР), позволяющие точно анализировать
пространственные характеристики земной поверхности. Применение геоинформационных технологий для изучения морфометрии
рельефа особенно актуально для территориального планирования, экологического мониторинга и прогнозирования природных
рисков.
Объектом исследования стали топографические карты и цифровые модели рельефа, включая глобальные ЦМР, такие как
SRTM и FABDEM.
– топографические карты;
– цифровые модели рельефа;
– геоинформационные технологии.
Предмет – методика и технологии использования этих данных в ГИС для изучения рельефа конкретной территории.
2

3.

Цель и задачи исследования
Целью работы является выявление особенностей рельефа Дубёнского района Республики Мордовия на
основе цифровых моделей рельефа и ГИС-технологий.
– Физико-географическая характеристика района.
– Подбор картографических материалов и ЦМР (SRTM, FABDEM).
– Изучение способов цифрового представления рельефа.
– Исследование графических и количественных методов анализа рельефа в ГИС.
3

4.

Краткая характеристика Дубёнского района
Рисунок 1 – Дубёнский район на
карте Республики Мордовия
Рисунок 2 – Дубёнский район
4

5.

Дубёнский
район
—
муниципальное
образование
в
восточной
части
Республики
Мордовия.
Административный центр — село Дубёнки с населением 3,8 тыс. человек, расположенное в 78 км от Саранска.
Район граничит с районами Мордовии и Ульяновской областью. Рельеф равнинный, между реками Алатырь и
Инсар, с их притоками (Чеберчинка, Штырма и др.). Преобладают серые лесные почвы, леса занимают 26,7%
территории. Население — 11 450 человек, с преобладанием эрзи и русских. Демографическая ситуация
характеризуется убылью из-за миграции и низкой рождаемости. Основу экономики составляют кирпичный и
крахмальный заводы, агрофирма "Юбилейная", а также сельское хозяйство. Через район проходит трасса
Саранск–Ульяновск. В районе 12 сельских поселений и 29 населённых пунктов. Из полезных ископаемых
имеются месторождения кирпичных глин и строительных песков.
5

6. Природные особенности

В структуре почвенного покрова преобладают серые лесные почвы
(67%), встречаются чернозёмы (12%) и дерново-подзолистые почвы
(2%).
Растительность
степями.
представлена
широколиственными
лесами
и
На территории района имеются месторождения строительных
материалов: глины и пески.
Рисунок 3 – Месторождения глины и песка
6

7. Топографические карты как источник данных

Топографические карты являются одним из
основных источников информации о рельефе.
Они передают рельеф через горизонтали и
отметки высот.
На среднемасштабных картах, таких как карта
масштаба
1:200
000,
происходит
определённая
генерализация данных, но они всё равно позволяют
получить общее представление о рельефе.
Для исследования была взята карта «Сурское»
(N-38-17), выпущенная в 1963 году.
Карта была привязана к системе координат в
Рисунок 4 – Границы
Дубёнского района на
топографической карте
программе ArcGIS.
7

8.

Векторные слои
Рисунки 5, 6 – Векторные слои, оцифрованные с топографической карты
Данные были оцифрованы и представлены в виде векторных слоёв. Все
слои были обрезаны по границе Дубёнского района для удобства дальнейшей
обработки. Для уточнения рельефа были оцифрованы отметки высот. Самая
высокая точка района составляет 303 метра. Самая низкая точка находится на
Рисунок 7 – Отметки высот
уровне около 87 метров.
8

9.

Способы цифрового представления рельефа. TIN-модель
Рисунок 8 – Визуализация ЦМР Дубёнского района: а) TIN-модели;
б) матрицы высот, созданной на основе TIN
9

10.

TIN-модель создаётся путём соединения неравномерно распределённых точек высот в треугольники. Такой
подход обеспечивает адаптивную детализацию в районах со сложным рельефом плотность треугольников
увеличивается. Регулярная сеть может быть составлена из равносторонних (равнобедренных) треугольников,
квадратов или прямоугольников.
10

11.

Способы цифрового представления рельефа
Рисунок 7 – SRTM
Рисунок 9 – ЦМР SRTM
Рисунок 10 – ЦМР FABDEM
11

12.

SRTM - это глобальная цифровая модель рельефа,
FABDEM - это глобальная цифровая модель
созданная в 2000 году по результатам радиолокационной
рельефа, созданная на основе Copernicus DEM с
съёмки с шаттла Endeavour (совместный проект NASA,
устранением искажений от зданий и растительности.
NGA и DLR). Она охватывает поверхность Земли между
С разрешением 30 м (1 угловая секунда), она точнее
60° с.ш. и 56° ю.ш. с разрешением 90 м (3 угловые
передаёт рельеф "голой земли" по сравнению с
секунды для большей части мира) и 30 м (1 угловая
SRTM. Ключевое преимущество – применение
секунда для США). SRTM широко используется в
машинного обучения для удаления артефактов, что
картографии,
и
делает FABDEM идеальной для гидрологического
планировании инфраструктуры благодаря глобальному
моделирования, геоморфологического анализа и
охвату и бесплатной доступности. Однако в лесистых
других задач, требующих данных о естественной
районах
поверхности.
гидрологическом
точность
снижается
моделировании
из-за
отражения
радиосигнала от крон деревьев.
12

13.

Рисунок 11 – а) Сравнение горизонталей SRTM и FABDEM; б) Сравнение
высот цифровых моделей рельефа
13

14.

Для
визуального
сопоставления
были
использованы
изолинии,
полученные
путём
оцифровки
топографической карты, а также аналогичные линии с двух цифровых моделей рельефа. Анализ изображения
показывает, что между ЦМР различия практически отсутствуют. Вместе с тем, данные топографической карты
передают рельеф более точно и детально. Для углублённого изучения отличий между моделями SRTM и FABDEM
приведено их отдельное сравнение. Согласно анализу, представленному на рисунке «б», в речных районах
расхождения между моделями практически отсутствуют. В то же время в лесистых участках наблюдаются
заметные различия, что согласуется с выводами, сделанными ранее.
14

15.

Рисунок 12 – Линия профиля местности (слева), графики профилей
местности: а) SRTM; б) FABDEM
15

16.

Профиль рельефа - это вертикальный разрез земной поверхности вдоль определённой линии, отражающий
изменения высот и особенности рельефа на конкретном участке местности. Его составляют с использованием
данных топографических карт, геодезических измерений или цифровых моделей рельефа (ЦМР). На графике
отчётливо видно, что рельеф, построенный по данным FABDEM, имеет более плавные очертания по сравнению с
SRTM. Это связано с тем, что в модели FABDEM исключено влияние растительности и антропогенных объектов.
16

17.

Построение трёхмерных изображений
Рисунок 13 – 3D-визуализация TIN-модели
Рисунок 14 – 3D-визуализация SRTM
Рисунок 15 – 3D-визуализация FABDEM
(вертикальное преувеличение − 10)
(вертикальное преувеличение − 20)
(вертикальное преувеличение - 20)
17

18.

TIN-модели экспозиции и уклона
Рисунок 16 – 3D-визуализация экспозиции склонов
Рисунок 17 – 3D-визуализация углов наклона
Точка обзора выбрана специально сбоку, чтобы были видны все стороны склонов.
18

19.

Анализ рельефа местности на основе гистограмм
распределения абсолютных высот
Рисунок 18 – По SRTM
Рисунок 19 – По FABDEM
Рисунок 20 – По интерполяции инструментом «Топо в растр»
19

20.

Гистограмма ЦМР – это график, показывающий частоту встречаемости различных высотных значений на
исследуемой территории. Она строится на основе данных ЦМР: по оси X откладываются диапазоны высот, а по
оси Y количество пикселей (ячеек), соответствующих каждой конкретной высоте.
Гистограмма
позволяет быстро оценить характер распределения рельефа.
Гистограмма растра, полученного интерполяцией горизонталей, содержит меньшее количество пикселей по
сравнению с гистограммой SRTM. Это связано с особенностями исходных данных и методов их обработки.
Данные SRTM представляют собой непрерывные измерения рельефа, выполненные методами дистанционного
зондирования, с фиксированным разрешением. Они точно передают все неровности поверхности, включая
мелкие детали рельефа, что приводит к широкому распределению высотных значений на гистограмме. В свою
очередь, растр, построенный путём интерполяции горизонталей, формируется на основе ограниченного набора
изолиний, между которыми значения высот вычисляются математически. Такой подход неизбежно приводит к
сглаживанию рельефа и снижению вариабельности высот.
20

21.

Бассейны водотоков
Каждый цвет на карте соответствует отдельной
водосборной
области,
выделенной
на
основе
заданных точек устьев и растра направления стока.
Такая визуализация позволяет легко анализировать
гидрологическую
структуру
территории
и
использовать
данные
для
дальнейшего
моделирования
стока
и
планирования
природоохранных мероприятий.
Рисунок 21 – Водосборные области рек Дубёнского района
21

22.

Вертикальное расчленение рельефа
Рисунок 22 - Вертикальное
расчленение
регулярной
рельефа
сетке
квадратов;
шестиугольников;
в
по
виде:
треугольников;
вертикальное
по водосборным областям
22

23.

Вертикальное расчленение рельефа – это разность между максимальной и минимальной высотами на
определённом участке, например, в пределах речного бассейна или регулярной сетки. Из-за особенностей рельефа
единую классификацию расчленённости применить не удалось. Поэтому для каждой карты шкала была построена
методом квантилей, что позволило равномерно распределить диапазоны значений.
23

24.

Горизонтальное расчленение поверхности
Горизонтальное
расчленение поверхности –
это
показатель
фрагментации
вдоль
Рисунок
23
-
Горизонтальное
степени
расчленение рельефа по регулярной
рельефа
сетке
горизонтальных
в
виде:
а)
квадратов;
б)
треугольников; в) шестиугольников;
направлений. Оно отражает
г) горизонтальное расчленение рельефа
сложность и неоднородность
по водосборным областям
формы земной поверхности
на определённой территории
24

25.

Средние высота и уклон поверхности
Рисунок 24 – Средняя высота поверхности
Рисунок 25 – Средний уклон поверхности
25

26.

Средняя высота и средний уклон поверхности – важные характеристики рельефа местности, используемые в картографии и
геодезии.
Средняя высота поверхности – это средняя отметка высот над уровнем моря или другой опорной поверхностью на заданной
территории. Как правило, она вычисляется путём усреднения значений высот всех точек, расположенных на данной площади. Эта
характеристика важна для понимания общего уровня расположения участка относительно окружающей местности. Она позволяет
оценить потенциальные риски затопления, возможность строительства объектов инфраструктуры, а также учитывать другие
аспекты планирования территорий. Средний уклон поверхности характеризует общий наклон участка земной поверхности
относительно горизонтальной плоскости. Уклон определяется как угол наклона линии между двумя соседними точками или
секторами на карте относительно горизонта.
Средний уклон позволяет определить общую степень крутизны местности, влияющую на движение воды, строительство
дорог, зданий и других сооружений.
Эти показатели широко используются в топографическом анализе и проектировании различных инфраструктурных объектов,
позволяя выбрать оптимальные места размещения построек, дорог и инженерных коммуникаций.
26

27.

Спасибо за внимание!
27