авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Разработка методики и гис-технологии создания гипсометрических карт луны по данным космических съемок

-- [ Страница 2 ] --

ArcView – нетребовательная к ресурсам компьютера геоинформационная система. Она имеет простой встро­енный язык программирования Avenue, что позволяет писать для нее специаль­ные подпрограммы-приложения или скрипты. ArcGIS – следующее поколение ГИС, значительно более требо­вательная к ресурсам компьютера. По сравнению с ArcView, ArcGIS предоставляет больше встроенных возможностей пользователю по анализу географической ин­формации и по оформлению карты. С другой стороны ArcGIS не ориентирован на создание дополнительных скриптов и встраивание их в тело программы. ERDAS IMAGINE программа для работы с растровыми изображениями (снимками), их координатной привязкой и фотограмметрической обработкой, созданная компанией ERDAS, Inc.

Помимо ГИС фирм ESRI и ERDAS, Inc., существуют и другие пакеты, в том числе и разработанные в России, позволяющие решать различного рода задачи, наиболее популярные из которых: MapInfo, AutoCAD и ГИС «НЕВА».

MapInfo – ГИС, разработанная компанией MapInfo Corporation, по своим функциям возможностям похожая на ArcView. AutoCAD GeoSyn, Civil – мощный пакет, разработанный фирмой Autodesk, Inc., используемый главным образом для автоматизированного проектирования и черчения. Являясь первоначально системой автоматизированного проектирования (САПР), сейчас AutoCAD по своим возможностям и семейству приложений и дополнительных программ является практически полноценной геоинформационной системой. ГИС «НЕВА» – это геоинформационная система, нетребовательная к ресурсам компьютера, разработанная в России и предназначенная для создания и редактирования электронных карт, решения типовых прикладных задач и разработки специализированных ГИС-приложений. Возможности ГИС «НЕВА» постоянно расширяются и имеют гибкую систему обновления, поскольку система позволяет создавать различные приложения и интегрировать их в программу.

В таблице 1 приведено сравнение по 5-балльной системе рассмотренных ГИС-пакетов по различным параметрам: стоимость, требования к ресурсам компьютера, возможности (способность самой ГИС выполнять различные функции (работа с математической основой пространственных данных, работа со

снимками, пространственный анализ и др.) сложность создания модулей и расширений, относительная скорость работы и распространенность форматов.

Анализируя таблицу, можно отметить, что в совокупности возможности продуктов фирмы ESRI очень высоки. ArcGIS позволяет выполнять огромное количество различных операций с векторными и растровыми данными, использовать большое количество проекций и поверхностей относимости, выполнять пространственный анализ, моделирование данных и поверхностей, оверлей, геокодирование и др. Существует также большое количество дополнительных модулей, разработанных для ArcGIS и значительно расширяющих возможности этой программы. Среди недостатков можно отметить высокие стоимость и требования к операционной системе, однако ArcGIS можно использовать вместе с ГИС ArcView, которая, хотя и является предшествующим поколением ГИС относительно ArcGIS, в то же время дает возможность создавать скрипты, позволяющие выполнять многие из операций ArcGIS, но при этом значительно дешевле и менее требовательна к ресурсам компьютера.

Пакет ERDAS является одним из наиболее мощных программ по обработке, трансформации, дешифрированию, привязке и различному виду анализа аэро- и космических снимков. Однако, поскольку в данной работе для получения исходных данных снимки КА Клементина не могли использоваться в силу отсутствия к ним свободного доступа, в работе с таким мощным и дорогим пакетом, как ERDAS не было необходимости. Тем более что все необходимые операции по привязке, векторизации и анализу растровых изображений, которые были заложены в разработанную методику, можно выполнить с помощью программ ArcView и ArcGIS, совокупная мощность и возможности которых это вполне позволяют.

ГИС-пакет MapInfo по своим возможностям и характеристикам напоминает ArcView. Однако, для выполнения всех видов работ по обработке данных и созданию гипсометрической карты Луны одного этого программного продукта, как собственно и исключительно ArcView, недостаточно.

AutoCAD по сути своей не является ГИС в полном смысле этого слова, хотя, некоторые из его приложений, разработанных компанией Autodesk, в особенности AutoCAD Map 3D позволяют говорить о том, что этот пакет можно использовать для большого спектра задач, решаемых геоинформационными системами. Однако, тем не менее, по своей изначальной и основной ориентации, AutoCAD является скорее очень развитой и многофункциональной системой автоматизированного проектирования (САПР), чем ГИС, поэтому решать задачи картографирования всей поверхности какого-либо небесного тела с помощью этого пакета представляется проблематичным, тем более что по возможностям пространственного анализа, AutoCAD также уступает остальным ГИС.

ГИС «НЕВА» по своим возможностям практически не уступает, а в некоторых аспектах и превосходит, зарубежные аналоги. С другой стороны, распространение файловых форматов НЕВЫ, вследствие недостаточной популяризации и рекламы, за границей практически отсутствует.

В результате вышеизложенного анализа различных ГИС-пакетов, можно сделать вывод, что с учетом поставленных задач наиболее удачным и оптимальным соотношением инструментария для работы с векторными и растровыми данными обладают ГИС фирмы ESRI.

Итак, основными ГИС-пакетами, используемыми в данной работе, являются программы фирмы ESRI – ArcGIS 9.0 и ArcView 3.3. Также для всех операций, связанных с построением цифровых моделей рельефа и изолиний, использовались модули Spatial Analyst и, помимо встроенных модулей, специально написанные скрипты.

Помимо ГИС-пакетов, для расчета статистики и корреляции использовался специальный статистический пакет R, а для объединения баз данных пакет GeoMerge – свободное программное обеспечение, т.е. программы, которые бесплатно распространяются через интернет и в создании которых участвует множество разработчиков со всего мира.

Глава 3. Разработка методики составления гипсометрической карты Луны

Лазерный альтиметр КА Клементина, запущенного 25 января 1994 года и вышедшего на полярную орбиту вокруг Луны 19 февраля 1994 года, получил радарные высотные данные с разрешением до 200 м. Также камерой, снимающей как в видимом, так и в ультрафиолетовом диапазоне, было получено при разных углах съемки около 600 тыс. изображений. Данные лазерного высотного альтиметра КА Клементина, покрывают всю поверхность Луны в пределах широт ±60, но практически отсутствуют на приполярные области Луны. Таким образом, при составлении полной гипсометрической карты Луны необходимо разработать методику получения и обработки данных КА Клементина на области высоких широт.

На данный момент существуют две основных методики обработки изображений КА Клементина и получения высотных данных. Автором первой из них является Э. Кук (Центр изучения Земли и планет, Национальный аэрокосмический музей, National Aeronautic and Space Museum, Вашингтон). Если имеются исходные данные зондирования поверхности Луны (космические изображения и данные лазерного альтиметрирования КА Клементина), то процесс составления Цифровой Модели Рельефа (ЦМР) включает в себя четыре стадии обработки таких данных:

  1. Выбор стереопар изображений для каждой орбиты;
  2. Создание ЦМР на определенную территорию;
  3. Объединение всех ЦМР, для создания единого ЦМР-покрытия на всю поверхность Луны;
  4. Объединение полученных данных с данными лазерного альтиметрирования.

На первой стадии используется специальный автоматический алгоритм для того, чтобы определить общие узловые точки для каждой стереопары. Когда такие точки найдены, из каждой пары изображений затем создается стереопара. На второй стадии обработки, полученные стереопары объединяются для того, чтобы создать ЦМР. Для расчета положения КА и ориентации камеры используется специальное программное обеспечение GOTCHA. Затем данные, объединенные в единое ЦМР-покрытие, соединяются с данными, полученными высотным альтиметром КА Клементина, т.е. каждая из полученных ЦМР, составляющих ЦМР-покрытие, добавляется к данным высотного альтиметрирования и этот процесс повторяется в интерактивном режиме. Именно вышеописанным методом в 2001 г. Э. Куком была создана карта приполярных областей Луны, которая использовалась в данной для получения необходимой высотной цифровой информации.

Автором второй методики обработки данных и составления карты является М. Розик (Американская геологическая служба, USGS, Флагстафф). Первоначальной задачей в этом методе является также создание единого покрытия на приполярные области. Для этого вручную находятся общие точки привязки, позволяющие вначале грубо «сшивать» соседние изображения и, в итоге, создать единое покрытие на приполярные области. Для того, чтобы создать вертикальную опорную сеть, на основе данных лазерного альтиметра строится ЦМР, на которую накладываются полученные точки привязки, в атрибутику которых записывается значение высоты, что, в свою очередь, обеспечивает построение начальной «грубой» сети опорных точек. После этого для более точной привязки с помощью фотограмметрической программы SOCET SET и специально разработанной программы ISIS последовательно проводится несколько стадий триангуляции, в процессе которых исправляются ошибки по высоте и каждое изображение разбивается на 9 равных частей, для каждой из которых автоматически генерируются дополнительные узловые точки.

По оценкам самих авторов второго метода, имеются расхождения между их высотами и высотами, полученными методом Э. Кука. Высоты в районе южного полюса, определенные Розиком, в среднем на 1 – 2 км ниже высот Кука, причем сами авторы метода причиной ошибки считают недоработки в их внутренней программе ISIS. Автором данной работы также было проведено сравнение высотных профилей, построенных на основе растровых моделей, полученных обоими методами, проходящих вдоль меридианов 90° и –90°, которое подтвердило указанное расхождение.

Несмотря на все преимущества, использование методов, описанных выше, не представлялось возможным по двум причинам:

  1. отсутствие свободного доступа к стереоизображениям КА Клементина, которые могли бы быть использованы для составления ЦМР;
  2. отсутствие специально разработанного программного фотограмметрического обеспечения, подобного тому, которое использовалось американскими специалистами (например, GOTCHA или ISIS).

Однако имеющиеся аппаратные возможности (см. гл. 2), а также опыт составления автором гипсометрической карты Венеры позволили разработать метод, позволяющий создать ЦМР на приполярные области Луны без обработки стереоизображений. Для этого в качестве исходных данных для создания гипсометрической карты Луны использовались:

1) данные высотного альтиметра КА Клементина, представляющие собой набор из более 1 млн. точек, отстоящих друг от друга на 0,25°, и в атрибутах которых содержатся значения координат и абсолютных высот. Однако, как уже было указано, приполярные области не обеспечены такими данными в полной мере, поэтому для приполярных областей был необходим дополнительный источник информации, а именно

2) растровые изображения приполярных областей Луны, полученные Э.Куком, на которых высота каждого пиксела находится в определенной зависимости от его яркости.

Точность этих моделей рельефа составляет около 1 км/пиксел. Абсолютные ошибки высот, вычисленные по стандартному отклонению между точками лазерного альтиметрирования КА Клементина и цифровой моделью высот, составляют ±0,4 км для северной приполярной области и ±0,7 км для южной приполярной области. В приполярных областях выше 80-х параллелей ошибки высот могут составлять ±1,0 км. Поскольку длина радиуса Луны, равная 1737,4±1 км, официально считается Международным астрономическим союзом наиболее корректной, то при создании гипсометрической карты Луны использовалась рефернц-поверхность, представляющая собой шар с радиусом 1737,4 км.

Итак, отсутствие снимков КА Клементина и необходимого программного обеспечения для составления и выполнения анализа стереоизображений, потребовало разработки специальной десятиэтапной методики обработки данных и составления гипсометрической карты Луны (схема 1), каждый из этапов которой раскрывается в последней главе диссертации.

Глава 4. Составление полной гипсометрической карты Луны с использованием двух типов исходных данных

На первом этапе были получены данные на области высоких широт Луны, которые не покрываются данными высотного альтиметра КА Клементина. Для этого использовались растровые изображения, составленные Э. Куком, на северную и южную приполярные области и ограниченные параллелями ±60. На этом этапе выполняется так называемый обратный анализ изображений с последующим пересчетом значения яркости в высоту. Эта работа выполнялась с помощью программы ArcView, а также с использованием дополнительного написанного модуля – скрипта.

Затем, поскольку на используемых растрах находились «черные области» с яркостью 0, в которых отсутствовали данные, на втором этапе работы необходимо было удалить точки, содержащие в себе информацию о «черных» пикселах, а также точки, содержащие в себе информацию о пикселах с «переходной яркостью», т.е. находящихся на границе «черных» зон. Эта было выполнено путем построения буферных зон вокруг «черных» пикселов.

На третьем этапе, были выбраны проекция (равновеликая азимутальная проекция Ламберта) и масштаб карты (1:13 000 000). Азимутальная равновеликая проекция Ламберта позволяет отобразить полушария Луны и провести некоторый анализ созданной гипсометрической карты, например, измерение площадей высотных уровней и различных форм рельефа Луны. Масштаб карты был выбран равным 1:13 000 000, т.е. диаметр полушария, с учетом использования равновеликой азимутальной проекции Ламберта, составляет 37,81 см. Несмотря на то, что такой масштаб является обзорным, при печати с разрешением 300 dpi и достаточно подробной базе данных, на основе которой строилась карта, на ней можно отобразить высотные уровни и кратеры диаметром до 6400 м. Карта полушарий в масштабе 1:13 000 000 вписывается в лист размером 59,4Н84,1 см (А1). Именно в таком формате издается серия гипсометрических карт планет, в рамках которой уже изданы гипсометрические карты Марса и Венеры.

Установив, что высота пиксела растрового изображения, находится в следующей зависимости от его яркости: h = 75·I 9600, где h – высота точки, а I – яркость, значения яркости в полученной ЦМР на приполярные области были пересчитаны в высоты. В свою очередь, прямоугольные координаты, которые первоначально были в атрибутивной таблице, были пересчитаны в сферические координаты по алгоритму, представленному в приложении 1, и требуемая база данных приобрела законченный вид.

На четвертом этапе с помощью статистического пакета R была рассчитана корреляция между полученной ЦМР на приполярные области и ЦМР, созданной по данным высотного альтиметра КА Клементина. Алгоритм расчета корреляции представлен в Приложении 2. Значение корреляции было получено равным приблизительно 54%. Учитывая, что точность и количество данных высотного альтиметра на приполярные области невысоки, (что и было подтверждено невысоким значением корреляции), было принято решение не «накладывать», а «сшить» ЦМР созданные на приполярные области и ЦМР высотного альтиметра по параллелям ±60.

На пятом этапе, поскольку интервал между полученными точками приполярных областей, намного меньше интервала между точками ЦМР, созданной по данным высотного альтиметра КА Клементина (0,06 и 0,25 соответственно), требуется выполнение генерализации точек приполярных областей, которая производилась путем осреднения значений высот точек, находящихся в определенной окрестности. Для этого разработан специальный метод – генерализация полигональной сеткой. Смысл этого метода состоит в том, что после наложения полигональной сетки, точки генерализуемого слоя будут перекрыты квадратами сетки. Все значения высоты точек, «попавших» в квадрат, будут осреднены. И это новое среднее значение высоты будет присвоено каждому полигону сетки. Затем рассчитываются координаты центроида каждого квадрата (полигона) сетки. В результате координаты центроида и среднее значение высоты и будут новыми координатами генерализованной ЦМР. Для создания сетки использовался модуль ArcGIS Fishnet, а для выполнения самой – генерализации специальный, написанный для ArcView, скрипт. Учитывая то, что если на экваторе Луны один градус составляет 30,32 км, а на широте ±60– 15,16 км, т.е. в два раза меньше, ЦМР генерализовалась на приполярные области не до 0,25, а до 0,5. Алгоритм автоматизированной генерализации точечных данных полигональной сеткой представлен в Приложении 3.

На шестом этапе необходимо «сшить» 2 типа данных, для чего используется программа GeoMerge, и затем поделить весь массив точек на два больших блока для видимого (долготы от -90° до +90° с запада на восток, центральный меридиан 0°) и обратного полушарий (долготы от +90° до -90° с запада на восток, центральный меридиан 180°).

На седьмом этапе, способом, описанным в Приложении 2, была посчитана корреляция между объединенной и генерализованной ЦМР и наиболее точной и современной на сегодняшний день сетью ULCN 2005. Корреляция рассчитывалась отдельно для видимого и обратного полушария Луны. После проведения расчетов, для видимого полушария была получена корреляция равная 83,77% и для обратного полушария – 94,26%, что позволяет говорить о хорошей надежности использования разработанной методики, и дает возможность перейти непосредственно к составлению карты.

Далее, на восьмом этапе, начинается непосредственно составление карты, для чего используется модуль ArcGIS Spatial Analyst, с помощью которого строится изолинейный растр, а затем и сами векторные контура. Для построения изолинейного растра использовался метод регулярной сплайн-интерполяции, в процессе которого создается гладкая постепенно изменяющаяся поверхность.

Размер ячейки создаваемого растра был выбран равным 1530 м, исходя из того, что, в среднем, принтер или плоттер печатает 120 точек на сантиметр. Но, поскольку на карте Луны в проекции Ламберта и масштабе 1:13 000 000 1 см на экваторе составляет приблизительно 92 км, то, соответственно, размер ячейки растра ([92/120]Н1000) должен быть выбран равным 767 м. Обычно, во избежание погрешностей и брака печати, математически рассчитанный размер ячейки умножают на 2, т.е. приблизительный размер пиксела должен составлять 1530 м, что и указывается при выполнении сплайн-интерполяции. При выполнении затем генерализации контуров и выборе ценза отбора, опять же во избежание погрешностей печати, значения ячейки растра умножают еще на 4, получая таким образом значение 6120 м. Соответственно, с карты снимаются все контура площадью менее 37 454 400 м2. Генерализация выполняется в ArcGIS с помощью модуля Eliminate. Алгоритм выполнения этой операции представлен в Приложении 4.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.