scienceitНаука. Инновации. ТехнологииScience. Innovations. Technologies2308-4758North-Caucasus Federal University10.37493/2308-4758.2023.3.4scienceit-629Research ArticleНАУКИ О ЗЕМЛЕ И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕEARTH SCIENCES AND THE ENVIRONMENTСравнение цифровых моделей рельефаComparison оf Digital Relief ModelsАнтоновС. А.AntonovS. A.

Антонов Сергей Анатольевич, кандидат географических наук, зав. лабораторией ГИС-технологий

г. Михайловск

Sergey A. Antonov, Candidate of Geographical Sciences, Head of the GIS Technology Laboratory

Mikhailovsk

santosb@mail.ruПерегудовС. В.PeregudovS. V.

Перегудов Сергей Владимирович, аспирант, младший научный сотрудник лаборатории ГИС-технологий

г. Михайловск

Sergey V. Peregudov, Graduate Student, Junior Researcher at the GIS Technology Laboratory

Mikhailovsk

serjoSW@yandex.ruСеверо-Кавказский федеральный научный аграрный центрРоссияFederal State Budgetary Scientific Institution "North Caucasian Federal Scientific Agrarian Center"Russian Federation202321092023036586Copyright © Антонов С.А., Перегудов С.В., 20232023Антонов С.А., Перегудов С.В.Antonov S.A., Peregudov S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://scienceit.elpub.ru/jour/article/view/629

Введение. ГИС-технологии позволяют анализировать большие массивы пространственных данных, к которым относятся и цифровые модели рельефа, полученные на основе материалов дистанционного зондирования Земли. Они представляют собой важный источник данных для расчета и картографирования различных явлений и процессов, которые находятся в тесной взаимосвязи с рельефом и охватывают обширные территории. В статье представлены результаты оценки точности трех наиболее популярных глобальных цифровых моделей рельефа: ALOS World 3D, SRTM, ASTER.Материалы и методы исследований. Оценка цифровых моделей рельефа проводилась на территории Буденновского городского округа Ставропольского края. Анализ ошибок морфометрических показателей был выполнен на основе сравнения исследуемых цифровых моделей рельефа и данными Государственного научно-внедренческого центра геоинформационных систем и технологий (ГосГисЦентр), которые были представлены в виде топографических карт. Анализ результатов исследования проводился на основе математико-статистических методов. Суммарная выборка сравниваемых точек составила 5322.Результаты исследований и их обсуждение. На основании полученного массива данных каждой из цифровых моделей местности проведен сравнительный анализ выборок. В результате определено, что наименьшую точность показала модель ASTER. Данные проекта SRTM показали незначительные отклонения. Наибольшей точностью обладает цифровая модель рельефа, построенная на базе данных ALOS W3D.Выводы. Несмотря на то, что рассматриваемые цифровые модели местности имеют схожие характеристики, были обнаружены отличительные особенности каждой из них. Полученные данные позволят упростить выбор наиболее подходящей цифровой модели местности с учетом требований, необходимых для выполнения различных задач, а также повысить точность получаемых результатов.

Introduction. GIS technologies make it possible to analyze large amounts of spatial data, which include digital elevation models derived from remote sensing data. They are an important source of data for calculating and mapping various phenomena and processes that are closely interrelated with the relief, and cover vast areas. The article presents the results of the accuracy assessment of the three most popular global digital elevation models: ALOS World 3D, SRTM, and ASTER.Materials and research methods. The evaluation of digital elevation models was carried out on the territory of Budennovsky urban district of Stavropol Krai. Error analysis of morphometric indicators was performed based on the comparison of the studied digital elevation models and the data of the State Research and Development Center of Geoformation Systems and Technologies – GosGisCenter, which were presented in the form of topographic maps. The analysis of the results of the study was carried out based on mathematical and statistical methods. The total sample of compared points equals 5322.Research results and their discussion. Based on the obtained dataset of each of the digital terrain models, a comparative analysis of the samples was carried out. As a result, it was determined that the ASTER model showed the lowest accuracy. SRTM project data showed insignificant deviations. The digital terrain model based on ALOS W3D data has the highest accuracy.Conclusions. Despite its popularity and at first glance similarity of the data, a number of features of each of the digital terrain models were identified. The data obtained will simplify the selection of a digital terrain model, taking into account the requirements needed to perform various tasks, as well as improve the accuracy of the results obtained.

цифровая модель местностиЦММточность ЦМРцифровая модель рельефаЦМРdigital elevation modelDEMDTM accuracydigital terrain modelDTMReferencesАнтонов С.А., Перегудов С.В. Геоинформационный мониторинг пашни засушливой зоны Ставропольского края // Инновационные научные разработки – развитию агропромышленного комплекса: материалы юбилейной международной научно-практической конф. ФГБНУ «Северо-Кавказский ФНАЦ». Ставрополь, 2022. № 6. С. 239–245.Antonov S.A., Peregudov S.V. Geoinformation monitoring of arable land in the arid zone of the Stavropol Territory. Innovative scientific developments for the development of the agro-industrial complex: Proceedings of the anniversary in ternational scientific and practical conference. FGBNU "North Caucasian FNAC". Stavropol, 2022. No. 6. P. 239–245. (in Russ).Ашаткин И.А., Мальцев К.А., Гайнутдинова Г.Ф. и др. Анализ морфометрии рельефа по глобальным ЦМР в пределах южной части Европейской территории России // Ученые записки казанского университета. 2020. № 162 (4). С. 612–628.Ashatkin I.A., Maltsev K.A., Gainutdinova G.F. etc. Analysis of relief morphometry based on global DEMs within the southern part of the European territory of Russia. Uchenye zapiski kazanskogo universiteta. 2020. № 162 (4). P. 612–628. (in Russ).Мальцев К.А., Голосов В.Н., Гафуров А.М. Цифровые модели рельефа и их использование в расчётах темпов смыва почв на пахотных землях // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. 2018. № 160 (3). С. 514–530.Maltsev K.A., Golosov V.N., Gafurov A.M. Digital elevation models and their use in calculating the rate of soil erosion on arable land. Uchen. app. Kazan. university ser. Natural. Sciences. 2018. No. 160 (3). P. 514–530. (in Russ).Маршруты. ру [Электронный ресурс]. URL: https://maps.marshruty.ru/?y=45.360027&x=41.925072&z=9&t=topomap. (Дата обращения: 06.02.2023).Routes. Ru [Electronic resource]. URL: https://maps.marshruty.ru/?y=45.360027&x=41.925072&z=9&t=topomap. (Accessed 06.02.2023). (in Russ).Минеев А.Л., Кутинов Ю.Г., Чистова З.Б., Полякова Е.В. Подготовка цифровой модели рельефа для исследования экзогенных процессов северных территорий Российской Федерации // Пространство и время. 2015. № 3. С. 278– 291.Mineev A.L., Kutinov Yu.G., Chistova Z.B., Polyakova E.V. Preparation of a digital relief model for the study of exogenous processes in the northern territories of the Russian Federation. Space and Time. 2015. No. 3. P. 278–291. (in Russ).Рязанов С.С., Кулагина В. И. Сравнительная оценка вертикальной точности цифровых моделей высот – SRTM, ALOS WORLD 3D, ASTER GDEM и MERIT DEM на примере лесной и пойменной зоны национального парка «Нижняя Кама // Геосферные исследования. 2022. № 1. С. 107–117.Ryazanov S.S., Kulagina V.I. Comparative evaluation of the vertical accuracy of digital elevation models – SRTM, ALOS WORLD 3D, ASTER GDEM and MERIT DEM on the example of the forest and floodplain zone of the Nizhnyaya Kama National Park. Geosfernye issledovaniya. 2022. No. 1. P. 107– 117. (in Russ).Santillan J.R., Makinano-Santillan M., Makinano R.M. Vertical accuracy assessment of ALOS World 3D – 30M Digital Elevation Model over northeastern Mindanao, Philip-pines. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Beijing. 2016. P. 5374–5377.Santillan J.R., Makinano-Santillan M., Makinano R.M. Vertical accuracy assessment of ALOS World 3D – 30M Digital Elevation Model over northeastern Mindanao, Philip-pines. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Beijing. 2016. P. 5374–5377.30-Meter SRTM Tile Downloader [Электронный ресурс]. URL:https://dwtkns.com/srtm30m/ (Дата обращения: 31.02.2023).30-Meter SRTM Tile Downloader [Electronic resource]. URL:https://dwtkns.com/srtm30m/. (Accessed 31.02.2023).Abrams M., Crippen R., Fujisada H. ASTER Global Digital Elevation Model (GDEM) and ASTER Global Water Body Dataset (ASTWBD). Remote Sens. 2020. No. 12. N. 1156.Abrams V., Baily B., Tsu H., Hato M. The ASTER global DEM. Photogramm. Remote Sensing. 2010. No 76. P. 344–348.Abrams M., Bailey B., Tsu H., Hato M. The aster global DEM. Photogramm. Eng. Remote Sensing. 2010. No. 76. P. 344– 348.Abrams M., Crippen R., Fujisada H. ASTER Global Digital Elevation Model (GDEM) and ASTER Global Water Body Dataset (ASTWBD). Remote Sens. 2020. No. 12. N. 1156.Alganci U., Besol B., Sertel E. Accuracy Assessment of Different Digital Surface Models. IJGI. 2018. No. 3 (7). P. 114–117.Alganci U., Besol B., Sertel E. Accuracy Assessment of Different Digital Surface Models. IJGI. 2018. No 3 (7). P. 114–117.ASTER Global Digital Elevation Map Announcement [Электронный ресурс]. URL: https://asterweb.jpl.nasa.gov/gdem.asp. (Дата обращения: 30.01.2023).ASTER Global Digital Elevation Map Announcement [Electronic resource]. URL: https://asterweb.jpl.nasa.gov/gdem.asp. (Accessed 30.01.2023).Earth-graphy [Электронный ресурс]. URL: https://earth.jaxa.jp/ja/data/. (Дата обращения: 30.01.2023).Earth-graphy [Electronic resource]. URL: https://earth.jaxa.jp/ja/data/. (Accessed 30.01.2023).Farr T.G., Rosen P.A., Caro E., Crippen R., Duren R., Hensley S., Kobrick M., Paller M., Rodriguez E., Roth L. The shuttle radar topography mission. Reviews Geophysics. 2007. No. 2 (45). P. 1–33.Farr T.G., Rosen P.A., Caro E., Crippen R., Duren R., Hensley S., Kobrick M., Paller M., Rodriguez E., Roth L. The shuttle radar topography mission. Reviews Geophysics. 2007. No. 2 (45). P. 1–33.Gómez-Gutiérrez A., Schnabel S., Contador F.L., García Marín R. Testing the quality of open-access DEMs and their derived attributes in Spain: SRTM, GDEM and PNOA DEM. Geomorphometry. 2011. P. 53–56.Gómez-Gutiérrez A., Schnabel S., Contador F.L., García Marín R. Testing the quality of open-access DEMs and their derived attributes in Spain: SRTM, GDEM and PNOA DEM // Geomorphometry. 2011. P. 53–56.James M.R., Robson S. Straightforward reconstruction of 3D surfaces and topography with a camera: Accuracy and geoscience application. J. Geophys. Res. Earth Surf. 2012. No. 13 (117). P. 1–17.James M.R., Robson S. Straightforward reconstruction of 3D surfaces and topography with a camera: Accuracy and geoscience application. J. Geophys. Res. Earth Surf. 2012. No. 13 (117). P. 1–17.Pike R., Evans I., Hengle T. Geomorphometry: A brief guide. Geomorphometry: Concepts, Software, Applications. Amsterdam: Elsevier, 2009. P. 3–30.Pike R., Evans I., Hengle T. Geomorphometry: A brief guide. Geomorphometry: Concepts, Software, Applications. Amsterdam: Elsevier, 2009. P. 3–30.Saleem N., Huq M., Twumasi N.Y.D., Javed A., Sajjad A. Parameters derived from and/or used with digital elevation models (DEMs) for landslide susceptibility mapping and land-slide risk assessment: A review. ISPRS Int. J. Geo-Inf. 2019. No. 12 (8). P. 1–25.Saleem N., Huq M., Twumasi N.Y.D., Javed A., Sajjad A. Parameters derived from and/or used with digital elevation models (DEMs) for landslide susceptibility mapping and land-slide risk assessment: A review. ISPRS Int. J. Geo-Inf. 2019. No. 12 (8). P. 1–25.Sturges H. A. The Choice of a Class Interval. Journal of the American Statistical Association. 1926. № 153(21). P. 65–66.Sturges A. The Choice of a Class Interval. Journal of the American Statistical Association. 1926. No. 153(21) P. 65–66.Tachikawa T., Kaku, M., Iwasaki, A. Gesch, D., Oimoen, M., Zhang, Z., Danielson, J., Krieger, T., Curtis, B., Haase, J. ASTER Global Digital Elevation Model Version 2- Summary of Validation Results. NASA. 2011. [Электронный ресурс]. URL: https://search.earthdata.nasa.gov/search (Дата обращения: 16.02.23).Tachikawa T., Kaku, M., Iwasaki, A. Gesch, D., Oimoen, M., Zhang, Z., Danielson, J., Krieger, T., Curtis, B., Haase, J. ASTER Global Digital Elevation Model Version 2- Summary of Validation Results. NASA. 2011 [Electronic resource]. URL: https://search.earthdata.nasa.gov/search. (Accessed 16.02.23).Tadono T., Ishida H., Oda F., Naito S., Minakawa K., Iwamoto H. Precise Global DEM Generation by ALOS PRISM. ISPRS Ann. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci. 2014. No. 2 (4). P. 71–76.Tadono T., Ishida H., Oda F., Naito S., Minakawa K., Iwamoto H. Precise Global DEM Generation by ALOS PRISM. ISPRS Ann. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci. 2014. No. 2 (4). P. 71–76.Tadono T., Takaku J., Tsutsui, K., Oda F., Nagai H. Status of ALOS World 3D (AW3D) global DSM generation. Proc. 2015 IEEE Int. Geosci. Remote Sens. Symp. (IGARSS). 2015. P. 3822–3825.Tadono T., Takaku J., Tsutsui, K., Oda F., Nagai H. Status of ALOS World 3D (AW3D) global DSM generation. Proc. 2015 IEEE Int. Geosci. Remote Sens. Symp. (IGARSS). 2015. P. 3822–3825.U.S. Releases Enhanced Shuttle Land Elevation Data [Электронный ресурс]. URL: https://www.jpl.nasa.gov/news/us-releases-enhanced-shuttle-land-elevation-data (Дата обращения: 16.02.2023).U.S. Releases Enhanced Shuttle Land Elevation Data [Electronic resource]. URL: https://www.jpl.nasa.gov/news/usreleases-enhanced-shuttle-land-elevation-data (Accessed 16.02.2023).Zhao Sh., Cheng W., Zhou Ch., Chen X., Zhang Sh., Zhou Z., Liu H., Chai H. Accuracy assessment of the ASTER GDEM and SRTM3 DEM: An example in the Loess Plateau and North China Plain of China. Int. J Remote Sens. 2011. No. 23 (32). P. 8081–8093.Zhao Sh., Cheng W., Zhou Ch., Chen X., Zhang Sh., Zhou Z., Liu H., Chai H. Accuracy assessment of the ASTER GDEM and SRTM3 DEM: An example in the Loess Plateau and North China Plain of China. Int. J Remote Sens. 2011. No 23 (32). P. 8081–8093

The authors declare that there are no conflicts of interest present.