Background: Mathematical problems of digital terrain analysis include interpolation of digital elevation models (DEMs), DEM generalization and denoising, as well as computation of morphometric variables by calculation of partial derivatives of elevation. Traditionally, these procedures are based on numerical treatments of DEMs, two-dimensional (2D) discrete functions of elevation. Methods: We developed a spectral analytical method and algorithm based on high-order orthogonal expansions using the Chebyshev polynomials of the first kind with the subsequent Fejér summation. The method and algorithm are intended for analytical treatment of regularly spaced DEMs, such as DEM global approximation, generalization, and denoising as well as computation of morphometric variables by analytical calculation of partial derivatives. Results: To test the method and algorithm, a DEM of the Northern Andes containing 230,880 points (the elevation matrix 480×481) has been used. The DEMs were reconstructed with 480, 240, 120, 60, and 30 expansion coefficients. The first and the second partial derivatives of elevation were analytically calculated from the reconstructed DEMs. The models of 14 local morphometric variables were then computed with the derivatives. A set of maps of elevation and horizontal curvature (k h ) related to different number of expansion coefficients well illustrates data generalization effects, denoising, and removal of artifacts contained in the original DEM.
Concluding Remarks:The test results demonstrated a good performance of the developed method and algorithm. They can be utilized as a universal tool for analytical treatment in digital terrain modeling. Keywords: Chebyshev polynomials; Fejér summation; generalization; denoising; partial derivatives DOI: 10.21469/22233792.1.12.01Цифровое моделирование рельефа с использованием ортогональных полиномов *
И. В. Флоринский, А. Н. ПанкратовИнститут математических проблем биологии РАН Математические аспекты цифрового моделирования рельефа включают интерполя-цию цифровых моделей высот (ЦМВ), генерализацию и подавление шума в ЦМВ, а так-же расчет морфометрических характеристик на основе вычисления частных производных высоты. Эти процедуры традиционно основаны на численной обработке ЦМВ -дискрет-ных функций двух переменных. Авторы разработали спектрально-аналитический метод и алгоритм на основе ортогональных разложений высокого порядка с использованием многочленов Чебышёва I рода с последующим суммированием Фейера. Метод и алгоритм предназначены для аналитической обработки ЦМВ, включая глобальную аппроксимацию * The study was supported by RFBR grant 15-07-02484. I. V. Florinsky and A. N. Pankratov 1648 регулярных ЦМВ, генерализацию и подавление шума в ЦМВ, а также расчет морфо-метрических характеристик на основе аналитического вычисления частных производных. Для тестирования метода и алгоритма использовалась ЦМВ Северных Анд, включающая 230 880 точек (матрица высот 480×481). Цифровые модели высот были восстановлены с использованием 480, 240, 120, 60 и 30 коэффициентов...