Розробка фотограмметричної методики оцінки стану територій з існуючими загрозами повеневих процесів

Abstract

В роботі представлено теоретичне обґрунтування та практичне застосування методики оцінки стану територій з повеневими загрозами, яка базується на концепції цифрової моделі території та її складових – цифрової моделі рельєфу (ЦМР) та цифрової моделі покриття території (ЦМПТ), створених за даними цифрового аерознімання та повітряного лазерного сканування. Методика випробувана в екстремальних умовах повені 2005 року, викликаної ураганом Катріна, що привело до людських жертв та величезних матеріальних збитків в південних штатах США, в тому числі в місті Новий Орлеан. На основі теоретичних підходів та моделювання повеневого процесу в річковій долині (у формі трапеції) встановлено, що діючі вимоги до точності побудови ЦМР є на порядок вищими від необхідних, оскільки домінуючими параметрами при прогнозуванні повеневих процесах є гідрологічні параметри, передусім глибини та об’єми потоків. Запропоновано та обґрунтовано методику обчислення допустимих висот польоту літального апарата при цифровому аерозніманні (знімальні матричні системи і системи з ПЗЗ-лінійками) та при повітряному лазерному скануванні за умов забезпечення необхідної точності побудови ЦМР та ЦМПТ. Встановлено, що діючі вимоги деяких інструктивних документів є надто високими, що збільшує обсяги польових та камеральних робіт при моніторингу повеневих загроз. Опрацьована методика визначення об’ємів води та оцінки руйнацій (будівлі та дорожня мережа), спричинених повеневими процесами, за даними сумісного опрацювання даних цифрового аерознімання, повітряного лазерного знімання та космічних зображень надвисокої роздільної здатності. Встановлено, що для оцінки затоплення дорожньої мережі ефективною виявилась методика поєднання даних повітряного лазерного сканування та ортофотокарт з просторовим пікселем 1м. Для оцінки затоплення будівель запропоновано та випробувана методика опрацювання даних повітряного лазерного сканування з автоматичним виділенням центроїдів будівель, причому для оконтурення споруд густота сітки лазерного сканування повинна бути більшою, аніж 0.1 точки на 1 кв.м. Обидві методики дозволили оцінити стан повені в Новому Орлеані в тижневий термін після урагану. Запропонована автором технологія картографування територій, для яких будуть створені проекти з протиповеневими заходами, вдосконалена з врахуванням потужних можливостей сучасних лазерних знімальних систем та геоінформаційного супроводу. Ця технологія реалізується в Проекті ISOK, яким охоплено 61% території Польщі і який належить до категорії найбільших проектів світового масштабу з використанням повітряного лазерного сканування. В работе представлено теоретическое обоснование и практическое применение методики оценки состояния территорий, подверженных паводковым угрозам, которая базируется на концепции цифровой модели территории и её составляющих - цифровой модели рельефа (ЦМР) и цифровой модели покрытия территории (ЦМПТ), созданных с использованием данных цифровой аэросъемки и воздушного лазерного сканирования. Методика испытана в экстремальных условиях паводка 2005 года, вызванного ураганом Катрина, принесшего человеческие жертвы и громадный материальный ущерб в южных штатах США, и в том числе в городе Новый Орлеан. Проведён анализ действующих международных стратегических программ дистанционного мониторинга чрезвычайных ситуаций (ЧС). Обращено внимание на участие Украины в таких программах и на реализацию собственной государственной научно-технической программы такого назначения. Предложена схема общей классификации чрезвычайных ситуаций и показаны место и роль фотограмметрических методов в оценке ЧС. На основании теоретических подходов и моделирования паводкового процесса в речной долине (в форме трапеции) установлено, что действующие требования к точности построения ЦМР завышены на порядок, так как доминирующими параметрами при прогнозировании паводка являются гидрологические параметры, прежде всего глубина и объем потока. Среди известных методов дистанционного изучения территорий выделены два основных: фотограмметрический (на основании данных цифровой аэросъёмки) и воздушного лазерного сканирования. Математическая трактовка информационных потоков в обоих методах позволила использовать модель линейного пространства с n-размерным векторным полем и применить для обработки известные операции воздействия на линейное пространство. Предложена и обоснована методика расчета допустимых высот полета при цифровой аэросъемке (съёмочные матричные системы и системы с ПЗС-линейками), а также при воздушном лазерном сканировании при условии обеспечения необходимой точности построения ЦМР и ЦМПТ. Для расчётов взяты технические характеристики матричных цифровых камер DMC-2001, UltraCam-D и камер с ПЗС-линейками ADS40, HRSC, 3DAS-1. Проведены расчёты допустимых высот съёмки, исходя из условия обеспечения необходимой точности построения цифровой модели рельефа. Доказано, что среди матричных камер экономически выгоднее применять DMC-2001, а среди камер сканерного типа имеет некоторое преимущество камера 3DAS-1. Установлено, что при лазерном сканировании размер пространственного пиксела не является препятствием для исследования паводковых угроз, а точность определения высот точек поверхности обеспечивается практически всеми существующими на рынке сканерами воздушного базирования. Показано, что действующие требования некоторых инструктивных документов завышены, что приводит к увеличению объёмов полевых и камеральных работ при мониторинге паводковых угроз. Разработана методика определения объемов паводковых вод и оценки разрушений (строения и дорожная сеть), вызванных паводками. Методика базируется на совместном использовании данных цифровой аэросъемки, воздушного лазерного сканирования и космических снимков сверхвысокой раздельной способности. Для оценки затопления дорожной сети эффективной оказалась методика совместного использования данных сканирования с самолета и ортофотокарт с пространственным пикселем 1 м. Статистические исследования последствий урагана в Новом Орлеане дали такие результаты: общая протяженность дорог 1242 км, залито водой 1027,1 км (82,7%). Фактически дорожная сеть была недоступной для эксплуатации и проведения спасательных работ. Для оценки затопления строений предложена и испытана методика обработки данных воздушного сканирования с автоматическим выделением центроидов строений, при этом для оконтуривания сооружений сетка сканирования должна быть очень густой, более чем 0.1 точки на 1 кв.м. В результате эксперимента выявлено 51743 строения, из них автоматически выделено 47381 объект. Проведена градация я затопления строений, в частности полностью затоплено 283 объекта, (75-99%). 1840 строений залито 75-99%, не залито водой 1066 обьекта. Обе методики позволили оценить состояние паводка в Новом Орлеане в недельный срок после урагана. Предложенная автором технология картографирования территорий с паводковыми угрозами, для которых будут проектироваться противопаводковые системы и мероприятия, усовершенствована с учётом новых возможностей современных лазерных съемочных систем и геоинформационного сопровождения. Эта технология внедрена и реализуется в польском Проекте ISOK, который охватывает 61% территории страны и принадлежит к категории наибольших проектов мирового уровня с использованием воздушного лазерного сканирования. The Thesis introduces theoretical principals and applied practical methods of evaluation of terrain condition which is directly under risk of flooding. The method uses concept of digital terrain model and its part which is digital surface model, which was build based on digital air photos as well as laser data points LiDAR. The method was applied in extreme condition of hurricane Catherina which has flooded southern states of United States coursing great material losses as well as many deaths between people. Using theoretical rule and flood modeling of river bed in shape of trapezoid it was proved that instruction parameters are much higher then needed. The reason comes from DTM which doesn’t effect flood prognosis as much as hydro parameters and volume of flooding water. Proposed an proven method of flight high calculation for photogrammetrical purposes using matrix CCD and push broom CCD. There were recommendations included for LiDAR scanning for flood protection purposes. It was proven that instruction limits are too high which leads to more time consuming work as well as not needed field work. Introduced methodology of water volume calculation and evaluation of flooded building and street and roads was done with use aerial images, LiDAR points, high resolution satellite images. For the road and street flooding assessment the best turn out to be LiDAR data and orthophoto maps with pixel of 1m. For the buildings flooding assessment the methodology base on LiDAR points and cetroids automatically placed over each building. For contour generation it is necessary to have dense lidar points coverage with minimum of 0,1 point per 1m2. Ineffectiveness of this method was proven in New Orleans case were final assessment was done one week after the hurricane. The technology created by the author - creating cartographic products for areas which will be covered by extended flood protection projects were improved by new much higher capacity of LiDAR systems, digital aerial cameras and new geoinformatic technologies. This merged methodology is being used in project ISOK , which covers 61% of territory of Poland and it is one of the largest at this level in the World using LiDAR technology ( for flood protection puposes).