Цифровая модель рельефа Арктики и ее роль в системе мониторинга

По мере того, как возрастает интерес к регионам Арктики, возрастает и необходимость в актуальных, высокоточных и детальных пространственных данных на северные регионы. Для детального анализа уже недостаточно исторических топографических планов и точечных съемок – современные подходы к анализу устанавливают новые стандарты. Одним из таких стандартов стала цифровая модель рельефа Арктики (ArcticDEM), разработанная полярным геопространственным центром (Polar Geospatial Center) университета Миннесоты.
ArcticDEM представляет из себя тематический набор растровых данных в виде трехмерного отображения поверхности сухопутной части Арктики. Кроме самой ЦМР, в набор данных также входят слои с отмывкой рельефа, углами уклона рельефа и экспозицией склонов. Седьмая по счету опубликованная версия уже покрывает практически всю площадь Арктической территории.
Особенности ArcticDEM
Цифровая модель рельефа Арктики была создана из оптических спутниковых снимков космических аппаратов WorldView - 1, WorldView - 2,  WorldView - 3 и GeoEye – 1. Исходные высоко детальные оптические спутниковые снимки с различных точек обзора с перекрытием были обработаны при набора помощи фотограмметрических алгоритмов. Полученные результаты прошли многоэтапную проверку качества и оценку точности, включая сравнение с наземными наблюдениями. Высокое пространственное разрешение исходных данных и обширная зона покрытия высококачественной съемкой позволили создать цифровую модель рельефа с разрешением в 2м и точностью определения абсолютной отметки в 5-9м. Данные распространяются свободно: доступен как выбор и скачивание материалов для дальнейшей самостоятельной обработки, так и интерактивный просмота при помощи веб-ГИС “ArcticDEM Explorer”.


Теневая модель рельефа, построенная по данным ArcticDEM
  
[Слева направо] Растушевка рельефа, Уклоны рельефа, Экспозиция склонов долины р. Лена по данным ArcticDEM

ArcticDEM в сочетании с современными средствами ГИС открывает возможность для детального изучения труднодоступных территорий. Под влиянием современных процессов рельеф Арктики стремительно изменяется во времени. Именно возможность детального прослеживания изменений рельефа представляет собой главное достоинство ArcticDEM. Для оперативного доступа к такой информации, специалистами PGC было разработано несколько инструментов для получения такой информации “по клику”.


Пример данных, получаемых при помощи инструмента TimeControl в веб-ГИС ArcticDEM Explorer.

Применение ArcticDEM

Трудно перечислить все случаи, в которых ЦМР высокого разрешения позволяет повысить детальность тематических исследований. Достаточно распространенное применение ArcticDEM – это наблюдение за ледниками. Сложность решения такой задачи без применения ЦМР заключается в том, что точечные полевые наблюдения хоть и позволяют наблюдать за динамикой ледника, но не учитывают перераспределение объема ледника за счет его движения. Создание ЦМР позволяет с высокой точностью оценить объем ледника, а повторение такой операции через некоторое время уже позволяет рассчитать его изменение. Например, ArcticDEM  применялась совместно с данными многолетнего мониторинга в 2018 году для оценки изменения баланса масс ледников Полярного Урала. Так, группе исследователей (Носенко и др., 2019) удалось установить, что объем ледника с 1963 по 2018 г. сократился на 19,7 млн м3.


Понижение поверхности ледника ИГАН (Носенко и др., 2019)

Другая важная задача заключается в наблюдении за движением ледников. Несмотря на то, что по спутниковым снимкам возможно с высокой точностью дешифрировать ледники, количественные оценки скоростей их перемещения часто осложнены тем, что ледниковые языки часто перекрыты обломочным материалом. Для такого случая важно рассматривать не только визуальное плановое продвижение, но и изменение высотных отметок во времени. Например, для Северной Ключевской группы вулканов исследователям (Barr I. et al, 2018) удалось не только оценить размеры и текущее положение ледников, но и рассчитать скорости продвижения ледников с точностью для разных участков 0.6-3.9 м/год, не прибегая к использованию дополнительных трудоемких полевых съемок. Авторы отмечают, что именно высокодетальная ArcticDEM позволила перейти к количественным скоростным показателям в данном исследовании.


Скорость среднегодовых перемещений ледников Северной Ключевской группы вулканов за 2012-2015 года, (Barr I. et al, 2018)

Пространственные данные с глобальным покрытием широко применяются в международных исследованиях. Среди прочих, сложная проблема таких исследований заключается в сопоставлении и сравнении разнородных данных, полученных из различных источников. В такой ситуации, важно иметь единый “фундамент”, к которому можно прикрепить все результаты, и на который могут опираться все участники тематических исследований. Крупным примером такого тематического применения может стать картирование едомных комплексов Арктики (Strauss J. et al, 2021). 

Детальные данные о поверхности также помогают в идентификации мерзлотных форм рельефа. В последнее время растет интерес к применению алгоритмов машинного зрения для выявления различных форм рельефа. В таком случае также растет потребность в высококачественных данных с обширным покрытием. Например, для северной части территории Аляски, исследователям удалось по данным ArcticDEM распознать и оконтурить аласы. По оценке самих авторов, точность классификации составила до 87% (Bergstedt et al, 2021).


Результаты распознавания аласов по данным ArcticDEM (B, C, D) и спутниковые снимки (E, F, G) Landsat-8  (Bergstedt et al, 2021).

Отдельного внимания заслуживают термокарстовые озера – изменение их параметров в последнее время изучается особенно часто, созданы глобальные векторные слои водных объектов для их анализа в облачных ГИС. Важно ответить, что такой подход подвержен критике, т.к. считается, что изменение суммарной площади озер в Арктике не совсем корректно рассматривать как индикатор активности термокарстового процесса. Но и результаты, получаемые при наблюдении за термокарстовыми озерами, также сильно зависят от пространственного разрешения.

В системе мониторинга

Создание крупномасштабной системы мониторинга невозможно без детальных данных о рельефе. Несмотря на все достоинства, ArcticDEM не может охватить все интересующие исследователей участки. Ввиду того, что распространение многолетнемерзлых пород не ограничивается 60 широтой, то для и задач мониторинга появляется острая необходимость в применении других данных дистанционного зондирования, сопоставимых по качеству с рассматриваемым продуктом.

К сожалению, в открытом доступе на большую часть территории РФ не найти в открытом доступе данные с пространственным разрешением выше, чем 30м/пиксель. Это означает, что одна из значимых целей для детального исследования приповерхностной части криолитозоны – это создание точной цифровой модели рельефа с высоким пространственным разрешением.


Автор: Савченко Д.С.


Список литературы

  1. Носенко Г.А., Муравьев А.Я., Иванов М.Н., Синицкий А.И., Кобелев В.О., Никитин С.А. Реакция ледников Полярного Урала на современные изменения климата. Лёд и Снег. 2020;60(1): 42-57. https://doi.org/10.31857/S2076673420010022
  2. Barr, I.D.; Dokukin, M.D.; Kougkoulos, I.; Livingstone, S.J.; Lovell, H.; Małecki, J.; Muraviev, A.Y. Using ArcticDEM to Analyse the Dimensions and Dynamics of Debris-Covered Glaciers in Kamchatka, Russia. Geosciences 2018, 8, 216. https://doi.org/10.3390/geosciences8060216
  3. Bergstedt, H.; Jones, B.M.; Hinkel, K.; Farquharson, L.; Gaglioti, B.V.; Parsekian, A.D.; Kanevskiy, M.; Ohara, N.; Breen, A.L.; Rangel, R.C.; et al. Remote Sensing-Based Statistical Approach for Defining Drained Lake Basins in a Continuous Permafrost Region, North Slope of Alaska. Remote Sens. 2021, 13, 2539. https://doi.org/10.3390/rs13132539
  4. Nitze, I.; Grosse, G.; Jones, B.M.; Romanovsky, V.E.; Boike, J. Remote Sensing Quantifies Widespread Abundance of Permafrost Region Disturbances across the Arctic and Subarctic. Nat. Commun. 2018, 9, 5423
  5. Porter, Claire, et al., 2018, “ArcticDEM”, https://doi.org/10.7910/DVN/OHHUKH, Harvard Dataverse, V1, [Date Accessed: 21.02.2022].
  6. Strauss J. et al. Circum-Arctic Map of the Yedoma permafrost domain //Frontiers in Earth Science. – 2021. – С. 1001. https://doi.org/10.3389/feart.2021.758360