ИСТИНА

В настоящий момент наблюдается тенденция к увеличению разрешающей способности и производительности методов и технологий получения информации о рельефе земной поверхности. Цифровые модели рельефа (ЦМР) глобального охвата вплотную приближаются к рубежу, когда порядок их пространственного разрешения будет исчисляться первыми метрами. Макрорегиональная ЦМР ArcticDEM, покрывающая области выше 60° с.ш. (завершена в 2018 году) имеет размер ячейки 2 м. Наиболее детальная ЦМР, покрывающая всю сушу — WorldDEM (2014 г.), характеризуется пространственным разрешением около 12 м. Существенно сложнее обстоят дела с получением информации о рельефе морского дна, где затруднен процесс съемки. Наиболее детальной ЦМР глобального охвата, покрывающей акваторию Мирового Океана, по-прежнему остается модель GEBCO_2014 (2014 г.) с пространственным разрешением 30 угловых секунд (порядка 1 км). Повышение детализации ЦМР способствует насыщению информационной базы для выполнения исследований, связанных с рельефом земной поверхности. Однако, как хорошо известно, пространственное разрешение, точность и детализация любых моделей должны соответствовать решаемым задачам — в противном случае их выбор можно считать ошибочным. Поскольку географические явления и процессы реализуются в широком диапазоне пространственных и временных масштабов, возникает необходимость покрытия этих масштабов картами соответствующего охвата и детализации. Цифровые модели рельефа обзорной детализации, имеющие глобальное покрытие Земли или суши (GMTED2010, GEBCO_2014, GTOPO30, ETOPO) с формальной точки зрения покрывают диапазон мелкомасштабного картографирования (1:1 000 000 и мельче): их разрешение имеет порядок от ~250 метров (7″ для GMTED2010) до ~10 км (5′ для ETOPO5). Попытки практического использования данных моделей говорят, однако, о том, что они непригодны для создания наглядных и достоверных картографических изображений рельефа (гипсометрических карт, карт отмывки рельефа). Известно, что при компиляции данных моделей не применялись методы картографической генерализации. Они были созданы по разнородным источникам и приведены к конечному разрешению с использованием формальных подходов, таких как передискретизация с интерполяцией данных на сетку заданного разрешения. В этом случае не учитывается структурная делимость рельефа на формы и элементы форм, и результирующая поверхность, как следствие, содержит в себе множество деталей, имеющих размер, сопоставимый с разрешением растра — их наличие или отсутствие в модели не контролируется явным образом. Картографические изображения, построенные по таким моделям, выглядят ненаглядно, пестрят лишними деталями, отличаются неустойчивым рисунком изолиний, в которых присутствуют хаотичные элементы. В таких изображениях нет ни географического правдоподобия, ни картографической эстетики. Можно говорить о том, что существующие обзорные цифровые модели рельефа мира и суши характеризуются неудачным соотношением детализации и пространственного разрешения. Помимо этого, данные модели имеют одно — фиксированное — разрешение, которое подходит лишь для ограниченного масштабного диапазона картографирования, в то время как полный диапазон мелких масштабов охватывает три порядка значений: от 1:1 000 000 до 1:100 000 000 и мельче, что, очевидно, требует наличия целой серии уровней детализации ЦМР. Таким образом, в настоящий момент существует проблема информационного обеспечения мелкомасштабного картографирования данными о рельефе, имеющими глобальное покрытие, множество уровней детализации и необходимый уровень обобщения каждого уровня. Одним из очевидных свидетельств существования этой проблемы является отсутствие специализированных картографических ресурсов (картографических веб-сервисов), предоставляющих мультимасштабные гипсометрические карты и карты отмывки рельефа высокого качества, которые специалисты в Науках о Земле могли бы использовать в своих научно-исследовательских задачах. Решению этой проблемы посвящен настоящий проект. Основным результатом проекта будет мультимасштабная глобальная цифровая модель рельефа, имеющая глобальное покрытие (как суша, так и дно океана) и несколько уровней детализации с разрешением 0,5 угловых минут (около 1 км) и мельче, покрывающих полный диапазон мелких масштабов картографирования. На основе модели будет получена производная модель отмывки рельефа, имеющая соответствующий набор уровней детализации. Особенностями полученных моделей будет высокое качество рисовки рельефа, а также согласованность с гидрографическими данными открытой картографической основы Natural Earth, широко применяющейся для мелкомасштабного картографирования на масштабных уровнях 1:10 000 000, 1:50 000 000 и 1:100 000 000. Для достижения данного результата будет использован и значительно усовершенствован разработанный автором ранее алгоритм структурной генерализации ЦМР, основанный на восстановлении поверхности по сети тальвегов и водоразделов, а также технология, позволяющая применять его для обработки цифровых моделей рельефа большого объема (имеющих глобальное покрытие). При этом будут методически и технологически преодолены недостатки существующего подхода, заключающиеся в невозможности учета гидрографической сети с картографической основы, наследовании артефактов (искусственных замкнутых понижений вдоль водотоков) с исходной ЦМР, невозможности восстановления поверхности для узких участков суши (островов и полуостровов), отсутствия методики «склеивания» и совместной генерализации ЦМР суши и морского дна, а также низкой производительностью алгоритма генерализации сети тальвегов, лежащего в основе выделения структурных линий поверхности. Научная новизна результатов проекта заключается в том, что впервые будет получена мультимасштабная цифровая модель рельефа глобального охвата, предназначенная для мелкомасштабного картографирования, и обеспечивающая высокое качество картографического изображения.

At the moment, there is a tendency to increase the resolution and performance of methods and technologies for obtaining information about the relief of the earth's surface. Digital terrain models (DTM) of global coverage are very close to the line, when the order of their spatial resolution will be calculated by the first meters. Macro-regional ArcticDEM DEM, covering areas above 60 ° N.N. (completed in 2018) has a cell size of 2 m. The most detailed DEM, covering all the land - WorldDEM (2014), is characterized by a spatial resolution of about 12 m. The situation with obtaining information about the seabed topography, where the surveying process is difficult, is much more complicated. The GEBCO_2014 (2014) model with the spatial resolution of 30 arc-seconds (about 1 km) still remains the most detailed DEM of global coverage covering the world ocean. Increasing the detail of the DEM contributes to the enrichment of the information base for carrying out research related to the relief of the earth's surface. However, as is well known, the spatial resolution, accuracy and detail of any model should correspond to the tasks to be solved - otherwise, their choice can be considered erroneous. Since geographic phenomena and processes are functioning in a wide range of spatial and temporal scales, it is necessary to cover these scales with maps of appropriate extent and detail. From the formal point of view, digital elevation models with global coverage of Earth or land (GMTED2010, GEBCO_2014, GTOPO30, ETOPO) cover the range of small-scale mapping (1: 1 000 000 and smaller): their resolution is from ~ 250 meters (7″ for GMTED2010) to ~ 10 km (5′ for ETOPO5). Attempts to make practical use of these models indicate, however, that they are unsuitable for creating vivid and reliable cartographic relief images (hypsometric maps, relief shading maps). It is known that methods of cartographic generalization were not used when compiling these models. They were created from disparate sources and brought to a final resolution using formal approaches, such as resampling with interpolation of data onto a grid of a given resolution. In this case, the structural divisibility of the relief into forms and form elements is not taken into account, and the resulting surface, as a result, contains many details that have a size comparable to the raster resolution - their presence or absence in the model is not explicitly controlled. Cartographic images built on such models look hazy, full of unnecessary details, and are characterized by an unstable pattern of contours in which there are chaotic elements. In such images there is no geographical evidence or cartographic aesthetics. It can be said that the existing overview digital models of the relief of the world and the land are characterized by an unfortunate ratio of detail and spatial resolution. In addition, these models have one - fixed - resolution, which is suitable only for a limited scale range of mapping, while the full range of small scales covers three orders of magnitude: from 1: 1 000 000 to 1: 100 000 000 and smaller, which obviously requires a whole series of DTM detail levels. Thus, at the moment there is a problem of information support of small-scale mapping of relief data with global coverage, having multiple levels of detail and the necessary level of generalization of each level. One of the obvious evidences of the existence of this problem is the lack of specialized cartographic resources (web-mapping services) that provide multiscale hypsometric maps and high-quality relief shading maps that experts in Earth science could use in their research tasks. This project is dedicated to solving this problem. The main result of the project will be a multiscale global digital elevation model with global coverage (both land and ocean floor) and several levels of detail with a resolution of 0.5 angular minutes (about 1 km) and smaller, covering the full range of small-scale mapping. On the basis of the model, a derived model of relief shading will be obtained, having a corresponding set of detail levels. The features of the models obtained will be a high quality of relief drawing, as well as consistency with the hydrographic data of the open Natural Earth cartographic data, which is widely used for small-scale mapping at scale levels of 1:10 000 000, 1:50 000 000 and 1:110 000 000. To achieve this result, the algorithm of structural generalization of the DEM, developed by the author earlier, based on the restoration of the surface through a network of thalwegs and watersheds, as well as technology allowing it to be used for processing large-scale digital elevation models (with global coverage) will be used and significantly improved. This will methodologically and technologically overcome the shortcomings of the existing approach, which include the impossibility of taking into account the hydrographic network from a cartographic database, inheriting artifacts (artificial closed depressions along watercourses) from the original DEM, the inability to restore the surface for narrow land areas (islands and peninsulas), the lack of methodology for joint generalization of the DEM of the land and seabed, as well as the low productivity of the thalweg network’s generalization algorithm used for allocation of structural lines of the surface. The scientific novelty of the project results is that for the first time a multiscale digital elevation model of global coverage will be obtained, designed for small-scale mapping and providing high quality cartographic output

Основным результатом проекта будет мультимасштабная глобальная цифровая модель рельефа, имеющая глобальное покрытие и несколько уровней детализации с разрешением 0,5 угловых минут (около 1 км) и мельче, полностью покрывающих мелкомасштабный диапазон картографирования. Этот результат не имеет аналогов в мире, и представляет собой передовую разработку с большим потенциалом использования. В научной среде результат будет значим прежде всего в исследованиях, где рельеф выступает фактором или индикатором развития природных процессов: на макро-, мега-, континентальном и глобальном уровне. Геологи, геофизики, геоморфологи, физико- и экономико-географы различного профиля смогут использовать полученную модель рельефа для выполнения исследовательских задач, имеющим широкий пространственный охват. В экономике полученная модель должна найти применение в стратегическом планировании развития территорий, анализе природных условий, ресурсов и рисков на уровне крупных регионов, федеральных округов и страны в целом. В основе получения данной модели будет лежать оригинальная методика генерализации ЦМР, а также ее техническая реализация в виде комплекса программных средств. Методика и технология смогут быть применены исследователями и производственниками для получения генерализованных цифровых моделей рельефа по другим источникам данных. Открытость цифровых моделей рельефа и программных средств соответствуют современной международной практике публикации результатов исследования в открытом и воспроизводимом виде. Таким образом, можно говорить, что результаты настоящего исследования будут носить завершенный и комплексный характер, охватывая методику, технологию и созданный на их основе продукт.

Автор заявки имеет широкий опыт исследований в области цифрового моделирования и генерализации цифровых моделей рельефа. Им разработана оригинальная методика генерализации цифровых моделей рельефа для мелкомасштабного картографирования (Samsonov, 2011), разработаны принципы мультимасштабного гипсометрического картографирования (Samsonov, 2011, Лурье, Самсонов, 2011; Халиуллина, Самсонов, 2013; Samsonov, Jenny 2015), впервые полностью автоматизирован способ штрихов для изображения рельефа (Самсонов, 2008; Samsonov, 2014), выполнено обобщение современных методов визуализации и генерализации ЦМР (Samsonov, Jenny, 2015; Самсонов, 2016), разработаны технологии геометрического моделирования зон затоплений по ЦМР (Борщ и др., 2013), а также согласования цифровых моделей рельефа и гидрографической сети для определения границ бассейнов (Энтин, Самсонов, Лурье, 2019), получен прототип глобальной мультимасштабной ЦМР HYPSO (Самсонов, 2017), совершенствование которой является основной целью настоящего проекта.