Технология оценки точности и достоверности цифровых моделей рельефа оползнеопасных склонов по данным воздушного лазерного сканирования

Литература

1. Гулакян К. А. Прогнозирование оползневых процессов. [Текст] / К. А. Гулакян, В. В. Кюнтцель, Г. П. Постоев. М.: Недра, 1977. 135 с.

2. Кузин А. А. Геодезическое обеспечение зонирования территорий по степени опасности проявлений оползневых процессов на основе применения ГИС-технологий. [Текст]: дис. канд. техн. наук: 25.00.32 / Антон Александрович Кузин; Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». СПб., 2014. 133 л.

ТЕХНОЛОГИЯ ОЦЕНКИ ТОЧНОСТИ И ДОСТОВЕРНОСТИ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ РЕЛЬЕФА ОПОЛЗНЕОПАСНЫХ СКЛОНОВ ПО ДАННЫМ ВОЗДУШНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ Кузин А. А.1, Ковшов С. В.2, Орлов Ф. А.3

'Кузин Антон Александрович /Kuzin Anton Alexandrovich — кандидат технических наук, ассистент,

кафедра инженерной геодезии,

2Ковшов Станислав Вячеславович /Kovshov Stanislav Vyacheslavovich — кандидат технических наук,

доцент;

3Орлов Федор Александрович / Orlov Fedor Aleksandrovich — студент, кафедра безопасности производств, Санкт-Петербургский горный университет, г. Санкт-Петербург

Аннотация: в статье приведены основные положения по применению цифровых топографических карт в масштабе 1:2 000 и цифровой модели рельефа (ЦМР), полученной по данным воздушного лазерного сканирования (ВЛС) для целей зонирования оползнеопасных территорий. Основным направлением исследования стало определение достаточной плотности точек лазерных отражений (ТЛО), используемых для создания ЦМР оползнеопасных склонов. Данная процедура необходима для автоматизации процесса создания ЦМР по облаку точек ВЛС без проведения дополнительного контроля создаваемой модели по характерным участкам. В свою очередь это повлияет на снижение трудозатрат по созданию ЦМР оползнеопасных участков без потери качества и правдоподобия модели. Ключевые слова: ГИС, цифровая модель рельефа, воздушное лазерное сканирование, оползневые процессы, точность.

Комплексный анализ факторов оползнеобразования и выявление оползнеопасных участков на региональном уровне выполняют на основе ГИС, поэтому для этого необходимо иметь цифровой топографический план или подробную цифровую модель рельефа для обширных участков местности. При этом полнота и правдоподобие получаемой модели напрямую будет влиять на качество зонирования [1].

Оптимальным методом получения цифровой модели рельефа для цели зонирования по оползневому потенциалу по критериям трудоемкости, зависимости от погодных условий, сезонности, возможности применения для съемки любых территорий (в т.ч. покрытых сплошной растительностью, застроенной территории и т.д.) может стать воздушное лазерное сканирование [2]. На сегодняшний день в Российской Федерации существуют лишь отраслевые руководящие документы по применению технологии ВЛС, но отсутствует необходимая единая нормативная база для применения в составе инженерно-геологических изысканий методики ВЛС, нацеленной на создание высокоточных ЦМР, обновление топографических планов и карт и других видов работ [3]. Поэтому необходимо исследование качества результатов ВЛС, что позволит определить возможность использования ЦМР, полученной по облаку точек лазерной локации для зонирования территорий по степени оползневой опасности.

Согласно нормативных документов [4, 5, 6], ЦМР топографического плана масштаба 1:2 000 оползневых участков должна соответствовать высоте сечения рельефа, равной 2,0 м и для населенных пунктов возможно использование высоты сечения рельефа 1,0 м. При этом средняя погрешность съемки рельефа в масштабе 1:2000 при высоте сечения 2 м не должна превышать: 0,66 м для территорий, не покрытых лесом и 0,99 м для лесных участков местности. Используя коэффициент 1,4, средняя квадратическая погрешность (СКП) съемки рельефа при высоте сечения 2 м не должна превышать 0,92 м и 1,38 м для лесных участков местности. Эти параметры точности съемки рельефа традиционными способами использовались для оценки точности ЦМР, полученной по результатам ВЛС.

Одним из способов оценки модели с количеством точек, необходимым для отображения рельефа поверхности, является способ перекрестной проверки. Из исходного массива точек часть их удаляется, и по оставшимся точкам создается ЦМР. После этого вычисляется разность (ошибка) между высотами исходной ЦМР и ЦМР, созданной по прореженному массиву точек. Процесс прореживания возможен при создании регулярной сетки ячеек и вычислении в узлах сетки высот с эталонной ЦМР. Плотность точек при этом варьируется в зависимости от размеров сторон ячейки. Далее проводится статистический анализ полученных ошибок. Данная методика позволяет оценить, какое количество точек необходимо для построения ЦМР без потери правдоподобия отображения элементов рельефа оползнеопасного склона.

Изучение оползневых участков проводилось на территории площадью ~24 км2 вблизи поселка Красная Поляна в Адлерском районе города Сочи, Краснодарский край, Россия. По карте опасных геологических процессов были определены зоны распространения современных оползней блокового типа dpQw (оползни покровных суглинков и глин). Для определения количества съемочных пикетов, необходимого для описания оползневого участка, на исследуемой территории выбрано три контрольных оползневых склона, отличающихся общей крутизной. Минимальный уклон рассматриваемых склонов составлял 20°, максимальный - 42°.

Для исследуемой территории проводилось ВЛС с применением воздушного лазерного сканера Leica ALS70-CP.

По результатам ВЛС и камеральной обработки результатов для исследования точности планово-высотного положения точек ВЛС был получен массив данных, содержащий ТЛО класса «Земля». По данному массиву точек на контрольные склоны создавалась ЦМР.

Один из контрольных оползневых склонов расположен на левом борту правого притока реки Мзымта. Размеры участка в плане составили 200x250 м. Перепад высот от подошвы до бровки склона составил от 1314 м до 1406 м. Крутизна оползневого склона составляет порядка 20°. В теле оползня также присутствуют оползневые блоки, которые придают рельефу склона бугристость.

Согласно значениям точности высотной основы ЦМР, для первого контрольного склона крутизной порядка 20°, средняя погрешность съемки рельефа для топографического плана масштаба 1:2000 при высоте сечения 2 м не должна превышать 0,66 м. Это значение принимается за пороговое при сравнении ошибок между высотами исходной ЦМР, описывающей истинную поверхность, и ЦМР, созданной на ее основе по массиву прореженных точек.

Для первого контрольного оползневого участка, обозначенного выше, было решено создать эталонную ЦМР, которая в максимальной степени будет отражать рельеф оползневого склона. Для этого в ГИС ArcGIS создана полигональная сетка, размеры ячейки которой составили 1 м (квадратная сетка). В узлах сетки был сгенерирован массив точек, которым присваивались высотные отметки, характерные для оползневого склона.

На основе этого массива точек с заданными высотами создана GRID-поверхность, размер пикселя которой составил 1x1 м.

Для участка 200x250 м количество точек с известной высотой для создания эталонной ЦМР составило 50000. Площадь участка составляет 5 га, или 50000 м2. Плотность точек для построения ЦМР таким образом составляет

50000точек 2 2

--— = 1 точка/1 м = 100точек 100м .

50000м2

Сравниваемые GRID-поверхности с размером пикселя 1 м были созданы на основе узлов полигональных сеток с различными размерами ячейки - 2x2 м, 5x5 м, 10x10 м, 15x15 м, 20x20 м, для которых высоты извлекались с эталонной ЦМР.

В инструкции [4] для создания ЦМР с применением традиционных методов -тахеометрической съемки необходимое количество съемочных пикетов определяется максимальным расстоянием между ними. Для масштаба 1:2000 и сечения рельефа 2 м это значение равно 50 м. Если условно принять это значение за размер ячейки при создании ЦМР по регулярной сетке, то возможно условно оценить соответствие получаемой согласно нормативным требованиям модели рельефа с эталонной. Для этого отдельно была создана полигональная сетка с размером ячейки 50x50 м, узлам которой присваивались высоты, извлекаемые с эталонной ЦМР. По узловым точкам этой полигональной сетки интерполировалась сравниваемая GRID-поверхность с размером пикселя 1 м.

Таким образом, для оценки моделей с количеством точек, необходимым для отображения рельефа поверхности, от высот эталонной ЦМР вычитались высоты сравниваемых ЦМР.

Таблица 1 отражает данные статистического анализа ошибок между высотами эталонной и сравниваемых ЦМР, полученных на основе узлов регулярных сеток различной размерности для первого контрольного склона. В сравнении рассматривались такие статистические показатели, как средняя ошибка, нижняя граница ошибки, верхняя граница ошибки и СКП.

Таблица 1. Статистический анализ ошибок между высотами эталонной и сравниваемых цифровых моделей рельефа первого контрольного склона

Размер квадратной ячейки регулярной сетки 2 м 5 м 10 м 15 м 20 м 50 м

Количество точек для создания ЦМР 12500 2000 500 208 120 20

Средняя плотность точек на 100 м2 25 4 1 0,41 0,24 0,04

Средняя ошибка 0,04 -0,02 -0,04 -0,06 0,08 0,10

Нижняя граница ошибки -0,19 -0,62 -0,89 -1,62 -3,13 -6,14

Верхняя граница ошибки 0,13 0,61 0,78 1,50 3,44 6,31

СКП 0,09 0,25 0,31 0,67 1,30 2,63

Аналогичное исследование было проведено для второго контрольного оползневого склона, расположенного к северу от урочища «Пихтовая Поляна» и третьего контрольного оползневого склона, расположенного на правом борту реки Ачипсе неподалеку от поселка Сланцевый Рудник.

Статистический анализ результатов моделирования показал, что для первого контрольного оползневого склона, расположенного на левом борту правого притока реки Мзымта, по нормативным показателям точности высот ЦМР, поучаемой на основе узлов регулярной сетки, плотность точек равна 3,41 точки/100 м2 для верхней границы ошибки, равной +0,66 м и 3,63 точки/100 м2 для нижней границы ошибки, равной -0,66 м. При условии, что исследуемая территория была бы покрыта густой растительностью, плотность точек была бы равна 0,67 точек/100 м2 для верхней границы ошибки, равной +0,99 м и 0,89 точек/100 м2 для нижней границы ошибки, равной -0,99 м. При уменьшении плотности точек ниже этих значений возрастают ошибки между высотами эталонной и фактических ЦМР, которые превышают допустимые нормативные показатели. Для всех рассмотренных случаев значение СКП возрастало обратно пропорционально плотности точек и не превышало нормативных значений, расчитаных выше (кроме случая с ЦМР, полученной по узлам регулярной сетки через 50 м).

Для второго контрольного оползневого склона, расположенного к северу от урочища «Пихтовая Поляна», по нормативным показателям точности высот ЦМР, поучаемой на основе узлов регулярной сетки, плотность точек равна 3,32 точки/100 м2 для верхней границы ошибки, равной +0,66 м и 3,75 точек/100 м2 для нижней границы ошибки, равной -0,66 м. При условии, что исследуемая территория была бы покрыта густой растительностью, плотность точек была бы равна 0,68 точек/100 м2 для верхней границы ошибки, равной +0,99 м и 0,90 точек/100 м2 для нижней границы ошибки, равной -0,99 м. Для третьего контрольного оползневого склона, расположенного на правом борту реки Ачипсе неподалеку от поселка Сланцевый Рудник, показал, что по нормативным показателям точности высот ЦМР, поучаемой на основе узлов регулярной сетки, плотность точек равна 3,34 точки/100 м2 для верхней границы ошибки, равной +0,66 м и 3,62 точки/100 м2 для нижней границы ошибки, равной -0,66 м. При условии, что исследуемая территория была бы покрыта густой растительностью, плотность точек была бы равна 0,72 точек/100 м2 для верхней границы ошибки, равной +0,99 м и 0,84 точек/100 м2 для нижней границы ошибки, равной -0,99 м. Так же, как и для первого и второго контрольного оползневого склона, при уменьшении плотности точек ниже этих значений возрастают ошибки между высотами эталонной и фактических ЦМР, которые по своему значению превышают допустимые нормативные показатели.

В результате анализа на рассмотренных оползневых склонах, крутизна которых более 15°, была определена минимальная плотность точек, необходимая для создания достоверной ЦМР. Увеличение крутизны склона не влияет на минимальное количество точек для создания по ним ЦМР. Средние погрешности съемки рельефа не превышали 5 см. Если не учитывать максимальные погрешности (максимальные расхождения высот эталонной и прореженной ЦМР), то для корректного отображения рельефа оползневых склонов на цифровой модели потребуется дополнительное визуальное обследование контрольных участков, что в свою очередь снижает продуктивность работы и не позволяет создать их в автоматизированном режиме. Анализируя полученные значения плотности точек для контрольных оползневых участков с учетом максимальных погрешностей съемки, отличающихся по своей конфигурации

и общей крутизне склона, можно сделать следующий вывод: плотность точек, необходимая для

создания ЦМР оползневых склонов для целей выявления оползнеопасных областей, должна

быть не менее 4 точек/100 м2.

Литература

1. Кузин А. А. Геодезическое обеспечение зонирования территорий по степени опасности проявлений оползневых процессов на основе применения ГИС-технологий [Текст]: дис. канд. техн. наук : 25.00.32 / Антон Александрович Кузин; Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». СПб., 2014. 133 л.

2. Wehr and Lohr, 1999. Airborne laser scanning - an introduction and overview. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 54.

3. РД-91.020.00-КТН-042-12. Руководящий документ. Инженерные изыскания для строительства магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов.

4. Инструкция по топографической съемке в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000, 1:500: [ГКИНП-02-033-82: введен 01.01.1983]. М.: Недра, 1985. 151 с.

5. Рекомендации по количественной оценке устойчивости оползневых склонов [Текст] / ПНИИИС. М.: Стройиздат, 1984. 80 с.

6. СП 11-104-97 Инженерно-геодезические изыскания для строительства. М.: ПНИИИС, 1997. 91 с.

ПЕРСПЕКТИВА СОЧЕТАНИЯ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ ПРИ СОЗДАНИИ КИСЛОМОЛОЧНОГО ПРОДУКТА Рощупкина О. Е.

Рощупкина Ольга Евгеньевна / Ко$ЬсЫр1апа <Э1^а Evgenievna — аспирант, направление: промышленная экология и биотехнологии, кафедра технологии продуктов питания, Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова, г. Барнаул

Аннотация: потребность человека в пищевых продуктах, отвечающих требованиям здорового питания, является актуальной проблемой современного общества. Комбинированные молочные продукты в сочетании с растительными компонентами имеют повышенную биологическую ценность. В статье рассматриваются полезные свойства льняной муки и сывороточного белка - молочного альбумина, а также перспектива использования данных ингредиентов не только в качестве обогащающих компонентов, но и положительно влияющих на консистенцию продукта.

Ключевые слова: сывороточные белки, альбумин, льняная мука.

Потребность человека в пищевых продуктах, отвечающих требованиям здорового питания, является актуальной проблемой современного общества. Рациональное питание способствует профилактике заболеваний, продлению жизни, созданию условий для повышения способности организма противостоять неблагоприятным воздействиям окружающей среды.

Молоко и молочные продукты среди огромного количества продуктов животного и растительного происхождения в пищевом и биологическом отношении являются наиболее ценными, что определяется богатым и сбалансированным составом его компонентов и высокой усвояемостью всех пищевых веществ.

Значение обогащения пищевых продуктов витаминно-минеральными премиксами, антиоксидантами, пищевыми источниками, богатыми биологически и физиологически активными веществами, дефицит которых приводит к нарушению пищевого статуса, отмечается многими исследователями. Сочетание молочного и растительного сырья является перспективным направлением в создании новых молочных продуктов, сбалансированных по пищевой и биологической ценности. Многокомпонентность состава позволяет наиболее полно обеспечить организм физиологически полезными нутриентами в требуемом количестве [1, 2].

Внесение в состав пищевых продуктов компонентов, выработанных из растительного сырья, произведенного в регионе проживания человека, является одним из перспективных направлений обогащения, благодаря содержанию различных биологически активных