Технология автоматической векторизации рельефа средствами ArcGIS при создании цифровой модели рельефа для ЦБКММ (на примере района

Задачами работы являются:
Изучение состава, назначения, технологии создания ЦБКММ и направлений ее доработки;
Разработка технологии автоматической векторизации рельефа и гидрографии сред-ствами ArcGIS на примере территории УГС «Западная Березина»;
Изучение структуры, назначения и способов создания цифровых моделей рельефа;
Создание разными способами на основе полученных знаний и подготовленных векторных данных цифровой модели рельефа территории УГС «Западная Березина».

ЦБКММ
это элемент автоматизированной технологии совместного земельно-кадастрового и топографи-ческого дешифрирования материалов аэрофото-съемки и построения многоцелевой цифровой модели местности, как основы создания цифровых земельно-кадастровой и топографической моделей местности.
ЦБКММ представляет собой комплекс взаимосвязанных и взаимодополняющих ГИС геодезического, картографического и земельно-кадастрового содержания.

Цели создания ЦБКММ
1) создание ЗИС;
2) обновление крупномасштабных топографических карт и планов цифровыми методами;
3) создание цифровых крупномасштаб-ных топографических карт и планов.

Это промежуточный продукт, предназначен-ный для формирования из материалов аэрофотосъемки ЗИС и цифровых крупно-масштабных топографических карт и планов.
С учетом этих целей содержание ЦБКММ определено таким образом, чтобы формиро-вание ЗИС и цифровых топографических карт и планов осуществлялось в камеральных условиях путем построения запросов и реорганизации информации.

В качестве исходного материала были использованы учебные топографические планы масштаба 1:5 000 на территорию УГС «Западная Березина»

ArcScan – дополнительный модуль для ArcGIS, разработанный для преобразования растровых данных в векторные.
Этот простой в использовании продукт представляет собой набор мощных команд и инструментов для оцифровки бумажных карт.
ArcScan позволяет выполнять векторизацию в трех режимах:
– автоматическом;
– полуавтоматическом (интерактивном)
– ручном.

Используя ArcScan возможно:
– создавать векторные объекты в форматах базы геоданных или шейп-файла непосредственно по растровому изображению в полуавтоматическом или автоматическом режимах;
– подготавливать изображения для векторизации в автоматическом режиме;
– задавать среду замыкания для растров;
– выбирать группы ячеек растров путем запроса к связанным с ним областям.

Работа по векторизации для создания ЦМР осуществлялась в несколько этапов:
Сканирование учебных топографических планов масштаба 1:5 000;
Выделение из растра характерных цветовых характеристик для рельефа и гидрографии;
Создание базы геоданных «Рельеф»;
Привязка растров;
Подготовка растров к автоматической векторизации;
Автоматическая векторизация рельефа и гидрографии средствами ArcScan.

Векторизация осуществлялась в несколько этапов
непосредственно автоматическая векторизация объектов;
проверка (исправление) топологии;
добавление атрибутов.

Цифровая модель рельефа – это средство цифрового представления трехмерных пространственных объектов (поверхностей, рельефа) в виде трехмерных данных как совокупности высот или отметок глубин и иных значений аппликат (координаты Z) в узлах регулярной сети с образованием матрицы высот, нерегулярной треугольной сети или как совокупность записей горизонталей или иных изолиний.

DEM и TIN
регулярная и нерегулярная
Применяемые в настоящее время способы построения ЦМР, в зависимости от принятой схемы размещения точек и типа математической модели, можно условно разделить на две группы

DEM
Модель на сетке со сторонами, параллельными координатным осям X и Y системы местности
Такая модель называется регулярной, основана на интерполяции значений высот и известна как модель DEM (Digital Elevation Model).
Регулярная ЦМР может быть рассчитана на любую область и может иметь любой размер, ограниченный только размером диска.
Регулярную ЦМР можно представлять себе как бесконечную решетку, параллельную осям коорди-нат, к узлам которой приписаны значения высоты.

Интерполяция рассчитывает значения ячеек на основании ограниченного числа точек измерений
Измерить высоту, величину или концентрацию какого-либо свойства в каждой точке исследуемой области обычно трудно или дорого. Вместо этого можно выбрать набор распределенных по некой схеме точек замеров и по ним рассчитать значения в остальных точках. Благодаря интерполяции можно получить новую информацию, создав новый набор данных, который выявляет определенные закономерности в исходном наборе данных.
В работе были рассмотрены три способа интерполяции – сплайн, метод обратно взвешенных расстояний и Topogrid.

Метод Сплайн (Spline) рассчитывает зна-чения ячеек грида на основе математиче-ской функции, минимизирующей кривизну поверхности, точно проходящую через все точки измерений.
Идея аналогична растягиванию пленки, так чтобы она проходила через все точки.
Существует два метода сплайна: регуляризация и натяжение

Метод обратно взвешенных расстояний (ОВР) – Inverse Distance Weighted (IDW)
Вычисляет значения ячеек по среднему от суммы значений точек замеров, находящихся вблизи каждой ячейки.
Чем ближе точка к центру оцениваемой ячейки, тем больший вес, или влияние, имеет ее значение в процессе вычисления среднего.

Для построения корректной ЦМР в ArcGIS существует функция Topogrid, позволяющая рассчитывать модель рельефа, качество которой многократно превышает качество моделей, получаемых обычными методами интерполяции.
В данной функции учитывается не только пространственное положение изолиний рельефа и отметок высот но и расположе-ние речной сети, водоемов, локальных понижений рельефа.

Гидрографическая сеть
При создании гидрографической сети для целей использования в построении цифровой модели рельефа по методу Topogrid важным является то, имеет ли слой гидрографии данные о направлении течения рек. В базе геоданных ArcGIS данный вопрос решается путем создания геометрической сети.
Геометрическая сеть – это математиче-ская модель различных сетевых структур.
Логическая сеть – это схема, согласно которой функционирует геометрическая сеть.

Особенно хорошо в модели Topogrid видны речные гривы в пойме Западной Березины

TIN
Цифровая модель рельефа TIN, основанная на треугольниках произвольной формы, покрывающих всю область моделирования, представляет рельеф наиболее точно, поскольку обеспечивает плотное прилегание треугольников к моделируемой поверхности
Построение TIN сводится к созданию оптимальной сети треугольников, элементы которой стремятся быть как можно ближе к равносторонним. Чтобы поверхность оптимально моделировалась треугольниками, применяет-ся алгоритм, известный как триангуляция Делоне.
Использование модели TIN для получения высот новых точек не совсем удобно, поскольку для этого необходимо не только определить принадлежность определяемой точ-ки конкретному треугольнику, но и выполнить линейную интерполяцию высот по отметкам его вершин

Модели DEM более подходят для целей мелкомасштабного отображения, идентификации водосборных бассейнов, анализа зон видимости и затопления, моделирования рельефа поверхности, распространения загрязнений, геохимических, гидрологических, климатических и многих других данных.
Модели TIN более подходят для решения крупно-масштабных задач на небольших территориях, где используются высокоточные данные, например, в проектных инженерных приложениях для отображе-ния строений на рельефе, вычисления объемов земельных выемок и иных задач.

Выводы
Автоматизация процесса векторизации помогает значительно ускорить процесс ввода данных
ArcGIS имеет широкие возможности для построения ЦМР
Выбор способа построения ЦМР зависит от имеющихся данных и поставленных задач: все методы хороши по своему

Данную презентацию можно увидеть в Интернете по адресу
www.bakun-geomaster.narod.ru/Presentation