Анализ корректности выделения водотоков, полученных на основе свободно распространяемых или открытых цифровых моделей рельефа и местности различного пространственного разрешения

Настоящее исследование посвящено разработке методологической основы для оценки корректности выделения водотоков по свободно распространяемым цифровым моделям местности (ЦММ) и рельефа (ЦМР).
Важную роль при моделировании речных систем играет оценка точности причём как исходных растровых данных, так и результирующих векторных гидрографических основ. Однако в научной среде соответствующая система оценки не оформлена. Зачастую отсутствие оценки корректности приводит к неверной интерпретации пространственной информации об объектах и явлениях в прикладных географических исследованиях.
Специфика оценки исходных растровых данных (ЦММ и ЦМР высокого (2 и 10 м) и среднего (30 м) пространственного разрешения) заключается в следующих положениях:
- количественные показатели оценки качества моделей такие как: горизонтальная (англ. Circular Error, CE) и вертикальная (англ. Linear Error, LE) точность координат точек местности (Оньков, 2011), рассчитываемые через среднюю квадратическую ошибку, не всегда могут быть доступны для пользователя. Не все производители приводят такую информацию о своих моделях;
- на построение эталонной поверхности рельефа накладываются ограничения в использовании крупномасштабных данных, необходимых для их построения и данных о планово-высотном положении пунктов опорной геодезической сети;
- при обработке данных высокого пространственного разрешения неизбежно возникают проблемы технического характера, связанные с фактической возможностью осуществления таких вычислений. Оценка качества таких данных напрямую зависит от системных характеристик персонального компьютера.
Таким образом, в работе использован и проанализирован метод построения продольных профилей местности по эталонному векторному объекту реки. Полученные по различным моделям профили соотнесены в едином графике, по которому выявлены закономерности в распределении данных о высотах – отрицательные значения, выбросы, падение и уклон реки, детальность перепадов высот в зависимости от пространственного разрешения модели и др.
Для оценки корректности выделенных водотоков (векторной гидрографической основы) обычно используют: сравнение фактической (из справочных источников) и рассчитанной по модели длины реки; сравнение длины реки, полученной по крупномасштабным картам (от масштаба 1: 100 000 и мельче) с рассчитанной по модели длиной реки; сравнение высот истока и устья рек (Пьянков, Шихов, 2017); построение горизонталей различных ЦМР и ЦММ и др. Однако, такой анализ не учитывает соответствие формы водотока по течению реки её реальному положению в пространстве.
Метод построения продольных профилей местности позволяет идентифицировать предполагаемые некорректные участки будущей векторной гидрографической основы ещё до использования инструментов геоинформационных систем для выделения водотока. А также, с точки зрения анализа разнородных растровых данных (различных ЦММ и ЦМР) в том числе высокого пространственного разрешения, пользователь имеет возможность оценить качество конкретной территории исследования и сделать выбор в пользу использования той или иной модели.
Для валидации результирующей гидрографической основы по форме на основе метода резинового листа (англ. rubber-sheeting) были построены линии связей смещения между векторным эталонным объектом и выделенным по ЦММ и ЦМР водотоком (https://desktop.arcgis.com/ru/arcmap/latest/manage-data/editing-existing-features/about-spatial-adjustment-rubbersheeting.htm). Построенные линии представляют собой отклонения моделей водотоков от эталонного объекта, что может применяться в качестве инструмента оценки корректности модели перед проведением прикладных географических исследований по ЦММ и ЦМР, а также по выделенному водотоку.
В ходе исследования на предмет корректности были оценены четыре ЦММ и ЦМР, такие как: ArcticDEM, AW3D30, GLO-30 и FABDEM. Для работы были подобраны участки трёх речных систем р. Северная Двина, р. Мома и р. Моера, в зависимости от физико-географических особенностей, соответствующих генетическим классам равнинных и горных рек [Орлов, 1979], а также от покрытия исходных растровых данных высокого пространственного разрешения. Полученные результаты являются методической основой для малоисследованной темы оценки качества интерпретации данных в цифровой среде с действительным положением объектов в трёхмерном пространстве.