Выбор базовой цифровой модели рельефа (ЦМР) Архангельской области и ее подготовка для геологического районирования

На территорию Архангельской области до сих пор не было информации о рельефе, собранной из данных ДЗЗ, должным образом подготовленной и пригодной для геоэкологического районирования. Т.е, комплексной геоэкологической оценки состояния территории по данным ДЗЗ и цифровому моделированию рельефа не проводилось.
Основные черты рельефа исследуемого региона, влияющие на выбор ЦМР, программного обеспечения (ПО) и применяемых методик обработки следующие:
1) учитывая площадь исследуемого региона (589.913 тыс. кв. км) наиболее оптимально использование цифровых моделей, как минимум, уровня DTED-2.
2) Небольшие абсолютные значения высот и слабая расчленённость рельефа. Регион характеризуется распространением низменных заболоченных и «плоских» пространств, сменяемых слабохолмистыми равнинами на абсолютных высотах 30-90 м и переходящих в водораздельные плато на высотах 120-200 (и более) м, обуславливают требования к точности модели и ее «однородности».
3) Моноклинальное залегание пород осадочного чехла с малыми углами падения.
4) Регион пережил несколько этапов тектоно-магматической активизиции, подчеркнутых составом и физико-механическими свойствами пород осадочного чехла и простиранием тектонических нарушений [2].
5) Несмотря на слабую расчлененность и «молодость» рельефа, обусловленных широким распространением валдайского оледенения, большой мощностью перекрывающих четвертичных отложений (40-200 м), тектонические нарушения территории отражаются в современном рельефе [2];
6) Только 30% территории принадлежит формам рельефа площадью основания менее 1,5 км². Большая часть изучаемой поверхности занята выпуклыми формами рельефа с площадью оснований, превышающими 1,5 км² [4]. Для сохранения в цифровой модели информации о морфоструктуре исследуемой территории необходимо и достаточно использовать цифровую сеть разрешением 1 км. Однако гипсометрические профили через долины некоторых рек области показывают, что врезы этих рек имеют глубокие V-образные формы [1], поэтому для анализа долин рек разрешения модели в 1 километр недостаточно. В этих случаях необходимо использование цифровых моделей, как минимум, уровня DTED-2 (30 метров).
7) широкое распространение лесного покрова (29540,9 тыс. га, 65% территории), который вносит погрешность в значения высотных отметок за счет высоты древостоя. Для среднемасштабных ЦМР это влияние значительно меньше и его можно избежать, используя относительные значения высот рельефа ЦМР. К тому же средняя высота древостоя сопоставима с точностью среднемасштабных ЦМР;
Разнообразие природных зон, большие лесные массивы, речные системы, арктическое побережье дают возможность для проведения широкомасштабных сопоставительных исследований, результаты которых могут быть с достаточной достоверностью распространены на территорию большей части России.
С помощью доступных на сегодняшний день глобальных ЦМР можно получать выходные материалы в масштабах от 1:25 000 и более детальные. Исходя из изложенных выше предпосылок, рациональным является использование свободно распространяемых ЦМР, Сравнив актуальные на сегодняшний день глобальные цифровые модели рельефа (распространяемые свободно – SRTM3; SRTM-30; ASTER GDEM v.2, v.3; GTOPO30; ACE2; ETOPO2; GMTED2010 и ArcticDEM), можно сделать вывод о том, какие из них наиболее полно удовлетворяют задачам расчета параметров рельефа для геоэкологического районирования Архангельской области.
Из имеющихся наиболее точными по разрешению являются модели SRTM4, ASTER GDEM v.2 и ArcticDEM. SRTM4 - наиболее качественная модель, но не покрывает исследуемую территорию. Такие модели как GTOPO30, GMTED2010, ACE2, ETOPO и др. имеют не только более грубое разрешение, но и весьма неоднородны по используемому исходному материалу, что влечет за собой точность, меняющуюся от региона к региону. К тому же, во всех этих ЦМР для коррекции использовались данные SRTM, которые не охватывают территорию исследования. По пространственному разрешению, несомненно, самой точной является ЦМР ArcticDEM (в версии 2-х метровой точности). Однако она сформирована не в результате единой миссии, а «сшита» из разновременных панхроматических оптических снимков. Сопоставление ЦМР ASTER GDEM v.2 и ArcticDEM показало значительное количество артефактов последней, что вполне закономерно при использовании оптических снимков в районах с высокой облачностью (приарктические регионы).
Наиболее оптимальной из оставшихся является ASTER GDEMv2, как имеющая самое детальное пространственное разрешение в сочетании с точностью по высоте и однородности исходного материала.
Подготовка ЦМР территории Архангельской области для геоэкологического районирования включала в себя следующие операции: 1) извлечение и объединение данных; 2) замену аномальных значений высотных отметок и «пустот»; 3) устранение шероховатостей, шума и ошибок, возникающих при наложении снимков; 4) заполнение впадин. Все операции производились в свободном программном продукте SAGA GIS (http://www.saga-gis.org). В результате объединения и извлечения данных были получены 2 слоя: растровый, содержащий объединенные сцены ASTER GDEM v.2 с приведенными к единому значению областями отсутствующих данных, и векторный, содержащий полигоны границ Архангельской области. Для заполнения недостающих данных в ЦМР ASTER GDEM v.2 были использованы данные из ЦМР GMTED2010 с искусственно уменьшенным размером ячейки до 1ʹʹ.
Для обнаружения выбросов были проанализированы методы: среднеквадратического отклонения (3SD); Z-Score; модифицированный метод Z-Score (Modified Z-Score); абсолютного медианного отклонения (3MADe); правило медианы (Median Rule). Для определения аномальных значений в ЦМР был написан сценарий на языке программирования Python, который позволяет рассчитывать вероятные диапазоны значений и отбрасывать выбросы.
Затем была проведена операция устранения шероховатостей, шума и ошибок наложения снимков с использованием модуля DTM Filter. Для сглаживания ЦМР был применен фильтр, основанный на среднеквадратическом отклонении, реализованный в модуле Simple Filter.
На последнем этапе подготовки модели была произведена ее гидрологическая коррекция. Наиболее эффективными способами устранения впадин являются методы авторов L. Wang и H. Liu [6] и O. Planchon и F. Darboux [5], реализованные в SAGA GIS. В данном исследовании был выбран метод Wang&Liu.
В результате был проведен анализ пригодности построенной ЦМР для проведения на ее основе геоэкологических исследований. Точность (надежность) построенной ЦМР проверена сопоставлением с точками плановой съемочной сети открытых векторных данных ГИС Панорама; ЦМР Беломорско-Кулойского плато, построенной с использованием топографических карт масштаба 1:200000 в ПО ГИС GRASS [1]; проведенными полевыми замерами высот с помощью GPS-навигатора. Установлено, что лишь 2 % значений имеют расхождение свыше 20 м. Эти остаточные значения приходятся на территорию, где в исходном виде отсутствовали данные ASTER GDEM v.2. В целом, построенная ЦМР является точной (надежной) и пригодной для дальнейшего геоморфометрического анализа с целью получения геоэкологически значимой информации [3].
На основе подготовленной ЦМР был производен выбор и расчет оптимальных геоморфометрических параметров для геоэкологического районирования территории.
Исследования проводились при финансовой поддержке гранта РФФИ-Арктика, проект № 18-05-60024.