Открытые геоданные для характеристики 100-метровых участков автомобильных дорог: краевой эффект и ограничения разрешения

Природные условия вдоль автомобильной дороги для анализа её состояния приходится брать из открытых глобальных продуктов, а единицей анализа служит участок дороги длиной 100 м на линейной координате (ГОСТ Р 71360-2024). Разрешение продуктов лежит в пределах от 10 м до 9 км, и часть ошибок, возникающих при отнесении значений растра к участкам дороги, без отдельной проверки вошла бы в признаки. Эти ошибки измерены на пяти дорогах лесной и степной зон в трёх субъектах Российской Федерации, всего на 3547 отрезках. Использованы FABDEM и Copernicus DEM GLO-30, температура поверхности и NDVI по Landsat 8 и 9, сроки снежного покрова по Sentinel-2, SoilGrids, HydroRIVERS, JRC Global Surface Water (Pekel et al., 2016), ESA WorldCover и реанализ ERA5-Land (Muñoz-Sabater et al., 2021). Значения растров снимались по оси профилем с шагом 10 м и в полосах шириной от 30 до 1000 м. Положение оси сверено с линиями OpenStreetMap: модифицированное расстояние Хаусдорфа по блокам 5 км составило от 1,8 до 4,2 м, что по шкале расхождений для линейных объектов относится к малым (Карпачевский и др., 2020).

На лесном участке по GLO-30 ось дороги лежит ниже боковых точек на 1,98 м (медиана по отрезкам), а по FABDEM, из которой удалены лес и здания (Hawker et al., 2022), выше на 0,40 м. Сверка высот земли по мобильному лазерному сканированию, приведённых к EGM2008, с FABDEM на 15 блоках пилотной выборки в придорожной зоне 5–30 м от оси дала по пяти дорогам медиану разности «МЛС минус FABDEM» от минус 0,27 до плюс 0,23 м, а робастное стандартное отклонение медиан участков (1,4826 MAD) – от 0,34 до 2,13 м. Топографический индекс влажности (Beven, Kirkby, 1979) на равнинных участках неустойчив к выбору модели: при замене GLO-30 на FABDEM он меняется больше чем на единицу у 40–72 % отрезков.

При расчёте индекса в WhiteboxTools 2.4.0 на расчётной области по 10 км в каждую сторону от оси заполнение понижений подняло отметки вдоль оси двух лесных участков: по FABDEM глубже 0,5 м заполнены 16,7 и 50,2 % отрезков, местами на глубину до 45 м. Все 367 заполненных по FABDEM отрезков лежат во впадинах, касающихся границы расчётной области, вне таких впадин их нет. Прорезание пути стока по критерию наименьшей стоимости (BreachDepressionsLeastCost; Lindsay, Dhun, 2015; Lindsay, 2016) с радиусом 1,5 и 4,5 км заполнение не сняло. Введение явного граничного условия стока – внешнего ряда искусственных ячеек на 100 м ниже минимума расчётной области, удаляемого после расчёта, – снизило долю заполненных отрезков до 0,1 и 0 % по FABDEM, а по GLO-30 – с 25,0 и 34,5 до 6,8 и 2,6 %, и этот остаток лежит вдали от границы, а там, где ошибки не было, индекс не изменился. На трёх других дорогах краевого заполнения нет: на оренбургских глубже 0,5 м заполнены 0 и 1 отрезок, и граничное условие их не меняет, на ивановской 9 отрезков из 361 лежат в локальных впадинах, шесть из них в 150 м от реки, и снимаются прорезанием пути стока. Контрольный расчёт на области, расширенной до 13–20 км от оси, без граничного условия оставил на двух лесных дорогах 1,4 и 0,5 % заполненных отрезков, и все они входили в число заполненных при 10 км, что независимо подтверждает краевую природу ошибки.

Помимо ошибок заполнения понижений, отнесение значений к участкам ограничено разрешением продуктов. При ширине дороги 7–14 м доля полотна в пикселе, оценённая по отношению ширины дороги к размеру пикселя, составляет 0,7–1,0 у Sentinel-2 с пикселем 10 м, 0,23–0,47 у Landsat с пикселем 30 м и 0,07–0,14 у теплового канала Landsat с пикселем 100 м. Ячейка ERA5-Land накрывает полосу шириной до 1 км целиком, и соседние отрезки различает только интерполяция. Сроки установления и схода снежного покрова по Sentinel-2 толкуются только вместе с промежутком до соседнего безоблачного снимка: медиана этого промежутка составляет 15–62 сут перед установлением покрова и 20–50 сут после схода.

Разрешение 10 м вместе с межгодовым шумом ограничивает и датирование ремонтов по снимкам Sentinel-2. Ожидаемая ступень яркости после обновления покрытия, около 0,02 по годовым медианам красного канала за 2016–2025 гг., того же порядка, что межгодовой шум (0,011–0,017) и контраст полотна с фоном на степных участках (0,02–0,03). Поэтому по годовым медианам красного канала Sentinel-2 за 2016–2025 гг. три записанных ремонта на 81,6 км пилотных участков не выделяются.

Выявлено, что при расчёте индекса влажности на расчётной области вокруг дороги заполнение понижений, касающихся её границы, поднимает отметки вдоль оси и искажает признаки отрезков, а разрешение открытых продуктов ограничивает различимость отрезков длиной 100 м. Предложено явное граничное условие стока – внешний ряд искусственных ячеек ниже минимума расчётной области, удаляемый после расчёта: на пяти дорогах оно снимает заполнение у границы и не меняет индекс там, где ошибки не было. Для рассмотренных продуктов оценены пределы пространственного и временного разрешения на участке 100 м – по доле полотна в пикселе, по охвату ячейки реанализа и по промежутку до ясной даты для сроков снега. Это делает открытые спутниковые продукты источником признаков природных условий вдоль дороги с известными пределами применимости.