Изучение и анализ топографических карт

Статья была подготовлена в 2001 году по результатам моих работ в ФГУГП "ВОЛГАГЕОЛОГИЯ". В состав работ входило изучение и анализ топографических карт, фактографических данных космической съемки представленной ГУП НИИКАМ, КС «Ландсат». Материалы аэрофотосъемок из-за ограниченности финансирования работ и сокращения сроков их проведения не проводились. По этим же причинам не проводилась комплексная геологическая интерпретация материалов, работы были ограничены созданием и анализом фактографических данных космосъемок и геофизических материалов.

Анализ топографических карт

Анализ топографических карт для изучения эрозионной сети имеет первостепенное значение при исследовании тектонических структур в платформенных областях (Метод. пособие «Изучение тектонических структур», вып.16, Л., Недра, 1984, с.113). В ходе анализа проводились исследования горизонтальной, вертикальной и общей расчлененности рельефа по разработанной нами оригинальной методике. Использовались цифровые топографические карты масштаба 1:200 000 и 1:1000000, подготовленные ГлавНИВЦ и полученные из ресурсов ГБЦГИ.

Анализ горизонтальной расчлененности

На подготовительном этапе использовались цифровые топографические карты масштаба 1:200 000. Обрабатывались векторные слои карт DNL (линейная гидросеть). Методика подготовки состояла в следующих операциях:
Объединение полистных слоев данных DNL в единый векторный слой с помощью скрипта Merge Themes (программы Avenue для Arc View).
Присвоение всем отрезкам в векторном слое гидросети м-ба 1:200 000 значения длины используя калькулятор таблиц Arc View с помощью выражения [Shape].ReturnLength
Перевод векторных данных в грид-тему по параметру длины (Length).
Запрос к грид-теме на наличие данных в ячейках ( 0 - нет данных, 1 - есть данные)
Сохранение результатов запроса в отдельную грид-тему гидросети. Для ячейки размером 50 м (8986 строк, 7486 столбцов) - 8031712 ячеек с данными, или для ячейки 500 м (899 строк, 749 столбцов) 80317 ячейки.
Умножаем полученную тему на 50.AsGrid (или 500.AsGrid) для получения значения длины гидросети в метрах в каждой ячейке. Дальнейшие операции анализа проводятся с полученной грид-темой. Согласно "Методического пособия...", вып.16, стр.120 для анализа используются мелкие структурные линии длиной более 5 мм масштаба карты (5 км в масштабе 1:1 000 000), скользящее окно осреднения и размер ячейки 3 см (30 км). Нами обрабатывались линии длинной более 50 м, осреднение проводилось по радиусу 2,5 км с ячейкой 0,5 км.
Суммирование данных в меню «Статистика соседства» в окне (круг) с радиусом 0.5 км, ячейка 500 м - получаем грид-тему коэффициента горизонтальной расчлененности на км2.
Определяем фоновое (Сср) и остаточное значение расчлененности (Сср +S и Сср -S, где S - стандартное отклонение) с помощью данных статистики Легенды темы.
Используя Запросы к карте (Cmax> Сср +S or Сmin< Сср -S) и Картографический калькулятор выделяем области фоновых значений (Сср ±S), отрицательных (Сmin - Cmax) и положительных (Cmax - Cmin) аномалий расчлененности, рассматриваемые в дальнейшем как структурные линии или терралинелы по В.Б. Соколовой (Геологическое картирование структурных этажей земной коры, СП, 2000). Проводим азимутальную фильтрацию терралинел с помощью функции «Отмывка рельефа» («освещенность») при угле освещения 450 с азимутальным шагом в 450 используя тему «Коэффициент расчлененности». Легенды тем освещенности составляются в 4 значениях (нет данных, фоновые значения, отрицательные и положительные аномалии) Для получения векторной формы терралинел строим изолинии по гридам азимутальных фильтраций терралинел со значением Сср в качестве базовой линии.

Анализ вертикальной расчлененности

На подготовительном этапе использовались векторные слои цифровых топографических карт PHLR – изолинии рельефа. Методика подготовки состояла в следующих операциях: Объединение исходных полистных векторных слоев в единую тему, Используя векторный слой изолиний рельефа масштаба 1:200 000 (сечение горизонталей 10-20м) и скрипт xyzdbf.ave Arc View подготавливаем dbf-файл значений XYZ, где X,Y – координаты точки, Z – высотная отметка (поле Phlr_abs). Добавляем точечную тему события по dbf-файлу XYZ, Интерполируем точечную тему события XYZ для получения грид-темы вертикальной расчлененности с ячейкой 500м. Для генерализации полученных данных и их региональной группировки производим осреднение по радиусу 20 км. Полученная грид-тема классифицируется по стандартному отклонению (S), блоки ло 1S отражают стабильные блоки, по ±2-3S – активные неотектонические блоки. Использованием Классификации Легенды темы возможно дробное разделение до ¼ S для более тонкого анализа.

Анализ общей расчлененности

Используя Картографический калькулятор рассчитываем грид-тему общей расчлененности на км2 по формуле ОБЩ = ГОР / ВЕРТ, где ОБЩ – общая расчлененность, ГОР - горизонтальная, а ВЕРТ - вертикальная составляющие. Осредняем (генерализуем) полученную тему по радиусу до 20 и 25 км - для выделения главных структурных элементов (линеаментов и терралинел по В.Б. Соколовой) и районирования территории по общей расчлененности. Используя функцию «Вычислить уклон» получаем грид-тему градиентов общей расчлененности, характеризующую участки резкого ее изменения (площадки и обрывы). Определяем фоновое (Сср) и остаточное значение общей расчлененности (Сср +S и Сср -S, где S - стандартное отклонение) с помощью данных статистики Легенды темы. Используя функции «Запросы к карте» (Cmax> Сср +S or Сmin< Сср -S) и «Картографический калькулятор» выделяем области фоновых значений (Сср ±S), отрицательных (Сmin - Cmax) и положительных (Cmax - Cmin) аномалий общей расчлененности.
Проводим азимутальную фильтрацию терралинел с помощью функции «Отмывка рельефа» («освещенность») при угле освещения 450 с азимутальным шагом в 450 используя исходную тему «Коэффициент расчлененности». Легенды тем освещенности составляются в 4 значениях (нет данных, фоновые значения, отрицательные и положительные аномалии)
Для получения векторной формы терралинел строим изолинии по гридам азимутальных фильтраций терралинел со значением Сср в качестве базовой линии. В дальнейшем при использовании Arc View версии 3.2 с модулем Spatial Analyst 2.0 в дальнейшем для упрощения возможно применение при анализе топокарт для производства этих операций возможности подготовки моделей обработки данных используя модуль расширения Model Builder.

Замечания к ДО-1000 ГУП «НИИКАМ»

Материалы космосъемок на территорию листа О-39 были подготовлены ГУП «НИИКАМ». В состав представленных материалов входят (фотографическая съемочная система КАТЭ-200):
Изображения в 3 спектральных зонах (510-600, 600-700, 700-850 нм) в формате TIFF трансформированные, но не привязанные координатно.
Синтезированное изображение по 3 зонам трансформированное, но не привязанное координатно.
Трансформированные и привязанные координатно изображения 3 спектральных зон в формате IMG.
Композит азимутальных фильтраций линеаментов спектральной зоны 700-850 нм.
Композит азимутальных фильтраций линеаментов и синтеза трех спектральных зон.
Модель распределения плотности азимутальных фильтраций.
Паспорт дистанционной основы листа О-39.
Согласно «Требований к дистанционной основе Государственной геологической карты Российской Федерации масштаба 1:1 000 000 (Москва, 1997): п.2.3.1.1 «…Нормализация материалов в цифровой форме предусматривает их трансформирование в картографическую проекцию и в геодезическую систему топоосновы, принятой в качестве базовой для данного листа карты, устранение фотометрических искажений…» (стр.5); п.3.2 «…Способность эффективного различения индикаторов при дешифрировании обеспечивается при пространственном разрешении 8-10 лин./мм, что в пересчете для масштаба 1:1 000 000 дает разрешение на местности 100-150м. …оптимальное пространственное разрешение материалов основного масштабного уровня дистанционной основы Госгеолкарты-1000 должно составлять 50-80 м.» (стр.7-8). По нашему мнению, вышеприведенные требования к пространственному разрешению ДО-1000 обуславливают так же и точность трансформации исходных материалов в картографическую проекцию, устранение фотометрических искажений, и координатную привязку. Материалы цифровой топоосновы получены из ресурсов ГБЦГИ в 2000 году в ГлавНИВЦ и подготовлены по топографическим картам масштаба 1:1 000 000 и 1:200 000, отражающим состояние местности на период 1978-82 гг. При совмещении и анализе полученной от ВНИИКАМ ДО-1000 листа О-39 (Киров) (координатно-привязанные файлы формата *.img, год съемки 1984-87) с цифровой топоосновой были выявлены искажения ДО и расхождения между ними в ряде характерных точек:
Несовпадение координат СЗ угла листа на 100 м по оси X и 200 м по оси Y, в тоже время ЮЗ углы не совпадают на 60м и 130 м соответственно.
Линейное смещение на ДО характерных точек топоосновы (устья и долины рек, автодороги) на 200-600 м. Максимальные искажения наблюдаются в СЗ углу листа уменьшаясь в ЮВ в направлении.
Отсутствие пояснительной записки к материалам обусловило непригодность использования для целей дешифрирования композита азимутальных фильтраций линеаментов спектральной зоны 700-850 нм и модели распределения плотности азимутальных фильтраций. Без секторальных азимутальных фильтраций представленный композит не пригоден для подготовки дистанционной основы. Именно поэтому нам пришлось секторальные азимутальные фильтрации как и модели их плотности обработкой в скользящем окне с разным уровнем осреднения создавать самим.

АНАЛИЗ ДИСТАНЦИОННОЙ ОСНОВЫ ГУП «НИИКАМ»

Подготовленная ГУП «НИИКАМ» фактографическая основа КС масштаба 1:1000000 на основе КАТЭ-200 включает в себя:
координатно-привязанные и трансформированные в поперечной проекции Меркатора с центральным меридианом 51о спектрозональные снимки в трех диапазонах (510-600, 600-700 и 700-850 нм) в формате IMG,
не привязанные трансформированные в поперечной проекции Меркатора с центральным меридианом 51о спектрозональные снимки в трех диапазонах (510-600, 600-700 и 700-850 нм)в формате TIF,
синтезированное изображение по 3 зонам, композит азимутальных фильтраций линеаментов спектральной зоны 700-850 нм в формате TIF,
композит азимутальных фильтраций линеаментов и синтеза спектральных зон в формате TIF,
модель распределения плотности азимутальных фильтраций в формате TIF.
На подготовительном этапе работ выполнялось трансформирование и координатная привязка изображений в формате TIF с использованием модулей Image Warp и RIFT для Arc View, их интегрирование, синтезирование и фильтрации. Далее проводился анализ фототона исходных, синтезированных и отфильтрованных изображений с использованием модуля Spatial Analyst. На третьем этапе - проводился линеаментный анализ синтезированных и отфильтрованных изображений, на четвертом – составление схем дешифрирования. Подготовительный этапВыполнены следующие работы:
Трансформирование и координатная привязка спектрозональных снимков формата TIF в трех диапазонах (510-600, 600-700 и 700-850 нм), синтезированного изображения по 3 зонам, композита азимутальных фильтраций линеаментов спектральной зоны 700-850 нм, композита азимутальных фильтраций линеаментов и синтеза спектральных зон, модели распределения плотности азимутальных фильтраций.
Перевод синтезированного изображения по 3 зонам в грид-тему с разделением на 3 основных канала (красный, зеленый и синий).
Перевод в грид-тему композита азимутальных фильтраций линеаментов спектральной зоны 700-850 нм.
Перевод в грид-темы композита азимутальных фильтраций линеаментов и синтеза спектральных зон, модели распределения плотности азимутальных фильтраций с разделением на 3 основных канала (красный, зеленый и синий).
Перевод в грид-темы трансформированных спектрозональных снимков формата TIF в трех диапазонах (510-600, 600-700 и 700-850 нм).
Синтез грид-тем трансформированных спектрозональных снимков в единую тему.
В результате проведенных работ были получены наборы изображений координатно-привязанных исходных, синтезированных ВНИИКАМ, интегрированных и синтезированных нами в виде числовых матриц (грид-тем). Изображения полученные от ВНИИКАМ и в результате нашей обработки различаются по яркости, контрастности и резкости, дешефрируемости различных элементов. Анализ фототона спектральных зон
Преобразуем изображение в обрезанный по рамке грид.
Усредняем значения с ячейкой 500 м по радиусу 12.5, 25 и 35 км.
Фильтруем обрезанный грид с помощью функции Majority Filter модуля Spatial Tools (ячейка 50 м) для получения более светлого и контрастного изображения. Легенда представляется в 26 (13) классах серого цвета.
Осредняем отфильтрованный грид с радиусами 5, 10, 15 км с Легендой в 0.25 стандартного отклонения – получаем ландшафтные поля по фототону.
Строим изолинии аномального фототона с сечением в 0,25 стандартного отклонения со средним значением фототона по гриду в качестве базовой линии и подписываем их.
Готовим зональные выходные карты (Компоновки) аномалий фототона с активными темами изолиний фототона и гридом спектральной зоны. Анализ структурных линий и линеаментов спектральных зон
Проводим азимутальную фильтрацию с помощью меню «Вычисляем экспозицию» (функция Aspect). Делаем 2 варианта: светлые тона исходного изображения соответствуют минимуму значений, а темные - максимуму и темные тона соответствуют минимуму значений, светлые - максимуму. Полученные 2 грид-темы с азимутальными фильтрациями по секторам 22.5о сохраняем. Теперь с помощью «Запроса к карте» (север-юг, восток-запад и т.п.) можно выбрать определенный сектор азимутальной фильтрации.
Запросы по секторам азимутальных фильтраций можно генерализовать с помощью функции «Максимум» с окном в 3 ячейки из меню «Статистика соседства».
С помощью функции меню «Анализ» «Отмывка рельефа» (Hillshade) готовим набор гридов освещенности при угле освещения 450 с азимутальным шагом в 450 (0, 45, 90, 135, 180, 225, 270 и 315). Легенды тем освещенности составляются по стандартному отклонению.
Готовим запросы к гридам на значения превышающие 1 аномальные и последовательно 3-4 раза фильтруем полученные гриды функцией Большинство (Majority Filter) из меню Clean Up модуля Spatial Tools.
Суммируем отфильтрованные гриды азимутальных фильтраций в единый композит гридов.
Для получения векторной формы (терралинел) строим изолинии по запросу к композиту гридов азимутальных фильтраций со значением Сср в качестве базовой линии и шагом 1.1.
По композиту гридов создаем новую линейную тему линеаментов прорисовкой терралинел или выборкой из темы изолиний переносим дешифрируемые терралинелы в новую тему.
Присвоение всем отрезкам в векторном слое линеаментов значения длины калькулятором таблиц с помощью выражения [Shape].ReturnLength и перевод векторных данных в грид-тему по параметру длины (Length).
Подсчет плотности линеаментов используя «Картографический калькулятор» с помощью функции «Сумма» в квадратном окне 10х10 км.

АНАЛИЗ АНАЛОГОВЫХ КС «ЛАНДСАТ»

Еще одним базовым видом служили в работе аналоговые материалы многоспектральной сканерной космической съемки (МСС) Ландсат, произведенной в 80-х годах. Разрешение на местности этих видов материалов составляет 28 м (до 120 м в седьмом канале). Полоса обзора этой сканерной системы 185 км. Нами произведена обработка отдельных отпечатков МСС седьмого канала, имеющихся в ВФУГП «Волгагеология» (рис. ). Необходимо отметить разное качество отпечатков (яркость, контрастность, цветовая гамма) и в связи с этим необходимость больших затрат времени на ручное приведение отпечатков к одинаковым параметрам.
Отсканированные МСС Ландсат в формате JPG переводились в темы-грид, обрезались по границам снимков. Подготовленные грид-темы отдельных снимков с помощью модуля Spatial Tools для Arc View Spatial Analyst по наборам опорных точек (не менее 5) трансформировались в поперечную проекцию Меркатора с центральным меридианом 510 и смешением по Х=500 000 м.
Из трансформированных гридов был подготовлен мозаичный грид на всю территорию листа. Однако, из-за разного качества исходных снимков для машинного анализа этот мозаичный грид малопригоден. Поэтому проводилось дешифрирование гридов отдельных снимков с дальнейшем объединением полученных при этом данных. Технология обработки каждого отдельного грида аналогичная схеме обработки материалов НИИКАМ.

СОЗДАНИЕ СХЕМ ДЕШИФРИРОВАНИЯ

Из Видов анализа фототона и линеаментов переносим темы грид и изолиний фототона и тему линеаментов, добавляем темы линеаментов, полученные при анализе топокарт, КС «Ландсат» и при визуальном дешифрировании КС НИИКАМ и «Ландсат». Объединяем темы линеаментов в единую тему. Добавляем в Легенду темы линеаментов символьное поле «TYPE» и идентифицируем структурные линии (терралинелы) и линеаменты. В режиме редактирования удаляются дублирующие линеаменты и соединяются продолжающиеся. Легенду темы классифицируем по полю «TYPE» - теперь мы имеем отредактированную общую тему линеаментов, трещиноватости и структурных линий.
Преобразуя линейную тему линеаментов в грид-тему получаем возможность создания темы плотности линеаментов в прямоугольном окне 10х10 км с ячейкой 500 м.