Автоматизированная идентификация бугров пучения на основе данных цифровой модели рельефа ArcticDEM

Объем открытых данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) увеличивается ежегодно. В состав открытых данных ДЗЗ входят панхроматические и мультиспектральные космические снимки, цифровые модели рельефа (ЦМР) и результаты радарной интерферометрии. Эти материалы используются в совершенно различных областях, в том числе и в инженерной геологии. Одной из целей применения таких данных в инженерно-геологических исследованиях является идентификация поверхностных проявлений геологических процессов и их мониторинг. К сожалению, использование отрытых данных ДЗЗ, разрешение которых преимущественно составляет 30 м/пиксель, для этих целей весьма ограничено. Это связано с малой вероятностью идентификации объектов размером менее 30 м. Также использование большинства открытых ЦМР и космических снимков невозможно на участках, покрытых лесом. Так, например, идентификация отдельных проявлений карстового процесса по открытым материалам практически невозможна (Антипов В.С и др.,2016). Среди открытых данных ДЗЗ наибольшее разрешение имеет ЦМР ArcticDEM, оно составляет до 2 м, что позволяет идентифицировать объекты размером от 2 м в плане.
Цифровая модель рельефа (ЦМР) представляет собой матрицу значений абсолютных отметок, это позволяет использовать ее для идентификации поверхностных проявлений различных процессов путем обработки выходных файлов в различных геоинформационных системах (ГИС). При этом ее выходные файлы доступны в двух видах: файлов «полос» и мозаики. «Полосы» – выводятся напрямую из программы по обработке данных и сохраняют временную привязку; мозаика – основной используемый формат ЦМР, получается путем взятия медианного значения высоты по пикселям из полного набора полос. ЦМР ArcticDEM, к сожалению, не лишена артефактов, на участках, покрытых высокой растительностью ее использование также ограничено. Мозаика ЦМР ArcticDEM, покрывает всю сушу циркумарктического региона (около 23,07 млн км2) до широты 60°, а в отдельных местах (на Камчатке, Алеутских островах, в южной части штата Аляска) - почти до 50°. Площадь покрытия ЦМР позволяет использовать ее для идентификации поверхностных проявлений экзогенных геологических процессов, характерных только для областей распространения многолетнемерзлых пород. В данном исследовании речь пойдет о идентификации бугров пучения (БП).
Идея идентификации БП по ЦМР ArcticDEM не новая, подобные работы уже проводились (Богоявленский и др., 2020, Еремеев и др, 2023). Методика автоматизированной идентификации бугров (повышений рельефа) аналогична методике поиска карстовых и термокарстовых проявлений (понижений рельефа). Обычно такие методики основаны на фильтрации исходной ЦМР в результате чего небольшие понижения и повышения нивелируются, а более крупные сглаживаются, дальнейшая обработка строится на значениях разности растров исходной и сглаженной ЦМР (Полякова Е.В. и др., 2021). В данном исследовании авторы используют методику идентификации, основанную на факте, что БП – это локальное замкнутое повышение земной поверхности, в плане по форме близкое к кругу. Разработанная методика использует только стандартные алгоритмы и инструмента анализа, предоставляемые бесплатными ГИС. Авторы исследования использовали программу QGis с открытым исходным кодом.
В работе рассмотрен участок размером 19*15 км, находящийся на территории Лебединого заказника (юг Чукотского автономного округа). Участок практически лишен высокой растительности, что минимизирует количество артефактов ЦМР. На первом шаге были построены изолинии рельефа с шагом 0,25 м, затем среди них выделены замкнутые изолинии, каждая из которых была трансформирована в полигон. Трансформация в полигон приводит к тому, что чем выше абсолютная отметка точки, тем больше полигонов накладываются друг на друга. Для каждого полигона были определены площадь и периметр. На основе этих данных был посчитан коэффициент, показывающий насколько полигон близко по форме к кругу, и проведена фильтрация результатов по этому коэффициенту. Также были удалены полигоны площадью менее 4 м2 (размером менее площади одного пикселя ЦМР). Затем оставшиеся полигоны были аггрегированы. В границах получившихся полигонов автоматически было извлечено значения максимальной абсолютной отметки по исходной ЦМР. И определена его высота как разница абсолютной отметки изолинии, по которой построен контур полигона, и максимального значения отметки рельефа в его границах. На последнем этапе были отброшены результаты высотой менее 0,99 м.
В результате исследования на территории удалось автоматически оцифровать 264 повышения земной поверхности, которые с большой вероятностью являются БП. Размер оцифрованных повышений в плане изменяется от 5*7 м до 308*404 м, высота от 0,99 до 20,6 м.