Восстановление трехмерного изображения по цифровой модели рельефа для мониторинга динамики водных объектов Центральной Азии

При организации спутникового мониторинга водных ресурсов Центральной Азии и оценке водного потенциала в число решаемых задач входят оценка объема воды некоторых водохранилищ, расчёт уровня воды на участках рек и водохранилищах. В ряде случаев по определенных причинам батиметрические карты оказываются недоступными для исследований. В такой ситуации вполне оправдано применение спутниковых данных, находящихся в открытом доступе.
Технологии дистанционного зондирования позволяют использовать цифровую модель рельефа ASTER (версия v3) с разрешением 30 метров для оценки заполняемости водохранилищ. Поскольку съемка ЦМР ASTER была проведена в 2011 г., для ряда водных объектов, которые сформировались позднее, такая модель рельефа фактически служит батиметрической картой. Высота водной поверхности может быть рассчитана с помощью разностного нормализованного водного индекса (MNDWI), полученного по оптическому изображению сканирующих систем MSI (Sentinel-2A, -2B), OLI, TIRS (Landsat-8), ETM+ (Landsat-7), TM (Landsat-4, -5). Высота водного зеркала равна максимальной высоте, которая покрывается водной поверхностью, а глубина, соответственно, рассчитывается как разность высоты водного зеркала и минимальной высоты рельефа, покрытой водой (Константинова, Лупян, 2020). В работе высота водного столба на всей площади объекта принималась одинаковой. Для вычисления высоты водной поверхности необходимо просмотреть координаты всех пикселов оптического изображения и запомнить для каждой точки высоту ближайшего по расположению значения высоты рельефа (предварительно значения высот сглаживаются медианным фильтром с размером окна, выбираемым эмпирически). В силу того, что полный перебор координат пикселов технически занимает долгое время, все точки упорядочиваются на плоскости и организуются в структуру k-d дерева (где k=3). Таким образом, в каждой точке водного зеркала возможно получить глубину водного объекта. Вычислив сумму глубин для каждого пиксела, умноженную на площадь покрытого рельефа, получим в результате объем воды (Константинова, Лупян, 2020).
В системе EcoSatMS (http://suvo.geosmis.ru), разрабатываемой в ИКИ РАН для организации мониторинга водных объектов Центральной Азии, описанный метод расчета реализован в виде отдельного инструмента «Уровень воды на рельефе». Подход имеет широкое применение при оценке последствий чрезвычайных ситуаций, таких как наводнения, связанные с прорывом гидросооружений и разливом рек. В пределах предварительно заведенного в системе космического гидропоста (Mukhamedjanov et al., 2020) может быть рассчитана не только площадь затопления, но и уровень воды на момент спутниковой съемки. Методика применялась при анализе последствий прорыва Сардобинского водохранилища в Узбекистане в мае 2020 года (Константинова, Лупян, 2020) и на сегодняшний день находится в стадии развития. В перспективе результаты работы инструмента для расчета уровня воды на рельефе будут использованы для оценки состояния водных ресурсов центральноазиатского региона в целом.
Функционирование системы EcoSatMS осуществляется на основе ресурсов Центра коллективного пользования "ИКИ-Мониторинг" (Лупян и др., 2015, 2019), развиваемого и поддерживаемого в рамках темы «Мониторинг» (госрегистрация № 01.20.0.2.00164).
Разработка специализированных инструментов анализа спутниковых данных для решения задач мониторинга водных ресурсов проводилась при поддержке проекта РФФИ - проект № 19-37-90114.