Цифровая модель высот SRTM

На этом цифровом изображении показан рельеф двух островов Курильской гряды — Онекотана и Маканруши, — разделенных проливом Евреинова. Изображение сориентировано так, что наблюдатель смотрит по направлению на северо-запад. На переднем плане находится остров Онекотан с кальдерами двух вулканов. Более крупный вулкан в южной части острова — вулкан Креницына. Его южная кальдера, Тао-Русыр, заполнена водой, образуя озеро Кольцевое, из которого поднимается новый вулканический конус. Стенка кальдеры вулкана Креницына носит название Кольцевой хребет. На севере острова находится вулкан Немо. Его кальдера заполнена водой лишь частично, так что рядом с вулканическим конусом образовалось озеро Черное. Стенка кальдеры вулкана Немо также имеет свое собственное название — Советский хребет.

Чтобы создать это изображение, был использован фрагмент цифровой модели рельефа SRTM и программа QGIS. С помощью этой программы из SRTM была сгенерирована трехмерная поверхность с наложенными тенями, которая была расцвечена по значениям высот. Аббревиатура SRTM расшифровывается как Shuttle Radar Topographic Mission — радиолокационная топографическая миссия шаттла. Речь идет о миссии STS-99, выполненной в феврале 2000 года космическим челноком «Индевор». Этот орбитальный полет стал 14-м для «Индевора» и 97-м для всей программы «Спейс Шаттл». В течение 11 дней, с 11 по 22 февраля 2000 года, «Индевор» выполнял радиолокационную съемку, совершив 176 витков вокруг Земли.

Радиолокационная съемка — не единственный способ создания цифровых моделей рельефа (ЦМР, см. также Цифровая карта). Цифровые модели рельефа можно делать на основе данных наземной геодезической съемки или с помощью интерполяции горизонталей и отметок высот, оцифрованных по уже существующим топографическим картам. Также ЦМР делают фотограмметрическим способом, на основе стереопар снимков (парные снимки одной и той же территории, снятые с разного ракурса), полученных со спутников или в ходе аэрофотосъемки. Кроме того, существует технология воздушного лазерного сканирования, позволяющая определять высоты поверхности.

Cнимок Онекотана c Международной космической станции. Фото с сайта flickr.com

Главное достоинство радиолокационной съемки — независимость от времени суток и погодных условий. С ее помощью можно получить изображение земной поверхности даже при сплошной облачности. А если вести радиолокационную съемку из космоса, то можно получить очень быстро, за считаные дни, данные глобального охвата. Но чтобы измерять высоты поверхности, просто радиолокационного изображения недостаточно. Для этого применяется особая технология съемки — радиолокационная интерферометрия. Суть ее заключается в том, что съемка производится сразу двумя антеннами, расположенными на удалении друг от друга. Получается сразу два изображения. На основе различий между этими изображениями и высчитывается высота поверхности. При этом если над поверхностью находятся какие-либо возвышающиеся объекты (например, лес или здания), то будет определена именно их высота, а не высота поверхности под ними. Поэтому SRTM называют цифровой моделью рельефа с определенной долей условности. Более точным было бы выражение «цифровая модель поверхности», но его используют гораздо реже. Это относится к любым ЦМР, которые создают на основе дистанционных снимков Земли (см. Дистанционное зондирование Земли), как радиолокационных, так и стереопар оптических снимков. Чтобы создать ЦМР, содержащую только высоты поверхности, нужно использовать наземную геодезическую съемку. А для данных воздушного лазерного сканирования существуют методы, которые позволяют разделить измерения, сделанные от поверхности земли и от надповерхностных объектов.

На космическом челноке «Индевор» технологию радиолокационной интерферометрии реализовали следующим образом. Одна антенна была расположена внутри «Индевора» — в его грузовом отсеке. А вторая располагалась снаружи — на конце раздвижной металлической фермы. Эта ферма имела 87 секций и длину 60,95 м. Для 2000 года это был рекорд. Никогда еще не выводили в космос столь длинную жесткую конструкцию.

Иллюстрация, показывающая «Индевор» на орбите на высоте около 233 км над Землей. Сканирование поверхности Земли производилось антенной в грузовом отсеке шаттла и антенной на конце металлической фермы на расстоянии около 61 м от шаттла. Изображение с сайта commons.wikimedia.org

Съемкой с «Индевора» была охвачена вся земная суша, кроме полярных и приполярных регионов, расположенных севернее 60° северной широты и южнее 56° южной широты (такой охват был предопределен формой орбиты «Индевора»). Было отснято 12 терабайт данных, что примерно равно объему Библиотеки Конгресса США. После наземной обработки данных была получена ЦМР с размером пикселя в 1 угловую секунду долготы (приблизительно 30 м). В дальнейшем эти первоначальные данные SRTM несколько раз модифицировались. Выполнялась обрезка по береговой линии континентов, выравнивание поверхности водоемов суши, исправление найденных ошибок высот. Текущая версия SRTM является четвертой по счету.

На главном изображении, если говорить строго, показаны не сами данные SRTM, а сделанный на их основе производный продукт — перспективное изображение трехмерной поверхности, раскрашенное по значениям высот. Это растровое изображение, пиксели которого содержат значение абсолютной высоты (матрица высот). Именно такой растр называется цифровой моделью рельефа. В русском языке для нее принято сокращение ЦМР, а в английском — DEM (Digital elevation model).

Вид исходных данных SRTM со шкалой высот. Источник данных — сайт earthexplorer.usgs.gov

Различные ЦМР используются в основном в геоморфологии, геологии, геоинформатике. Кроме того, они применяются в экологических исследованиях, где рельеф рассматривается как важный фактор среды. Также ЦМР используются в территориальном планировании и инженерно-строительных изысканиях. ЦМР позволяют не только визуализировать рельеф в виде трехмерных поверхностей (как на главном изображении) или в плоском двумерном виде (как на топографических картах) — c помощью ЦМР вычисляются различные морфометрические параметры рельефа, такие как уклон поверхности, экспозиция и кривизна склонов. На основе ЦМР строятся зоны видимости (территории, которые с учетом рельефа видны из выбранной точки наблюдения), вычисляются объемы насыпей и выемок, определяются пути стока воды по поверхности и выделяются водосборные бассейны.

На сегодняшний день модель SRTM является одной из самых популярных ЦМР. Это связано не только с ее обширным территориальным охватом, но и с доступностью для широкого круга пользователей. Данные SRTM распространяются на безвозмездной основе. Все желающие могут скачать их в интернете, например на сайте earthexplorer.usgs.gov, который принадлежит Геологической службе США (USGS). Для удобства скачивания SRTM там выложена не целиком, а порезанная на прямоугольные фрагменты размером один градус широты на один градус долготы.

Изображение создано с помощью сайта earthexplorer.usgs.gov и программы QGIS.

Павел Украинский