ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ЛОКАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ГЕОИДА ГОРОДА АСТАНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ МАШИННОГО ОБУЧЕНИЯ
Ключевые слова:
моделирование, модель геоида, LSMSA, преобразование Гельмерта, регрессоры машинного обучения, гауссовская процессная регрессия, регрессия опорных векторовАннотация
Разработка высокоточной региональной модели геоида является важным этапом модернизации высотной основы Казахстана и повышения эффективности определения высот по данным ГНСС. В работе предложен гибридный подход к уточнению локальной модели геоида для района г. Астана, сочетающий базовое гравиметрическое решение LSMSA и статистическое моделирование остаточных поправок. Базовая поверхность геоида рассчитывается методом модификации формулы Стокса по методу наименьших квадратов с аддитивными поправками и проверяется контрольными пунктами ГНСС/Нивелирования. Для уменьшения расхождений с наблюдениями формируется корректирующая поверхность по остаткам с использованием 7-параметрического преобразования Гельмерта и регрессионных моделей машинного обучения (GPR, SVR, LSBoost). На независимой тестовой подвыборке для SVR получено снижение RMSE с 0,062 до 0,047 м, что соответствует уменьшению ошибки на 24%. Результаты показывают, что предложенная схема уменьшает разброс остаточных ошибок и улучшает согласование модели геоида с данными ГНСС/Нивелирования.
Использованные источники
- Abbak, R. A., & Ustun, A. (2015). A software package for computing a regional gravimetric geoid model by the KTH method. Earth science informatics, 8(1), 255-265. https://doi.org/10.1007/s12145-014-0149-3
- Abdalla, A., & Mogren, S. (2015). Implementation of a rigorous least-squares modification of Stokes’ formula to compute a gravimetric geoid model over Saudi Arabia (SAGEO13). Canadian journal of earth sciences, 52(10), 823-832. https://doi.org/10.1139/cjes-2014-0192
- Butt, J., Wieser, A., Gojcic, Z., & Zhou, C. (2021). Machine learning and geodesy: A survey. Journal of Applied Geodesy, 15(2), 117-133. https://doi.org/10.1515/jag-2020-0043
- Chen, F., Zhang, X., Guo, F., Zheng, J., Nan, Y., & Freeshah, M. (2022). TDS-1 GNSS reflectometry wind geophysical model function response to GPS block types. Geo-Spatial Information Science, 25(2), 312-324. https://doi.org/10.1080/10095020.2021.1997076
- El Shouny, A., Al-Karagy, E. M., Mohamed, H. F., & Dawod, G. M. (2018). Gis-based accuracy assessment of global geopotential models: A case study of Egypt. American Journal of Geographic Information System, 7(4), 118-124. https://doi.org/10.5923/j.ajgis.20180704.03
- Elshewy, M. A., Thanh, P. T., Elsheshtawy, A. M., Refaat, M., & Freeshah, M. (2024). A novel approach for optimizing regional geoid modeling over rugged terrains based on global geopotential models and artificial intelligence algorithms. The Egyptian Journal of Remote Sensing and Space Sciences, 27(4), 656-668. https://doi.org/10.1016/j.ejrs.2024.09.002
- Ghaffari-Razin, S. R., & Hooshangi, N. (2024). Efficiency of machine learning models in estimation of local geoid height with GPS/Leveling measurements. Scientific-Research Quarterly of Geographical Data (SEPEHR), 33(130), 99-117.
- Hu, Z., Zhang, Z., Sang, Y. F., Qian, J., Feng, W., Chen, X., & Zhou, Q. (2021). Temporal and spatial variations in the terrestrial water storage across Central Asia based on multiple satellite datasets and global hydrological models. Journal of Hydrology, 596, 126013. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2021.126013
- Information system "State geodetic support" (2025). [cited March 5, 2026]. https://ggo.gov.kz/geoportal (In Russ.).
- Işık, M. S., Erol, B., Erol, S., & Sakil, F. F. (2021). High-resolution geoid modeling using least squares modification of Stokes and Hotine formulas in Colorado. Journal of geodesy, 95(5), 49. https://doi.org/10.1007/s00190-021-01501-z
- Konakoglu, B., & Akar, A. (2021). GEOID UNDULATION PREDICTION USING GAUSSIAN PROCESSES REGRESSION: A CASE STUDY IN A LOCAL REGION IN TURKEY. Acta Geodynamica et Geomaterialia, 18(1). https://doi.org/10.13168/AGG.2021.0001
- Konakoglu, B., & Akar, A. (2022). Prediction of geoid undulation using approaches based on GMDH, M5 model tree, MARS, GPR, and IDP. Acta Geodaetica et Geophysica, 57(2), 293-315. https://doi.org/10.1007/s40328-022-00378-4
- Li, H., Zhao, J., Yan, B., Yue, L., & Wang, L. (2022). Global DEMs vary from one to another: an evaluation of newly released Copernicus, NASA and AW3D30 DEM on selected terrains of China using ICESat-2 altimetry data. International Journal of Digital Earth, 15(1), 1149-1168. https://doi.org/10.1080/17538947.2022.2094002
- Liang, W., Li, J., Xu, X., Zhang, S., & Zhao, Y. (2020). A high-resolution Earth’s gravity field model SGG-UGM-2 from GOCE, GRACE, satellite altimetry, and EGM2008. Engineering, 6(8), 860-878. https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.05.008
- Liu, Y., Zhang, Y., Pang, Q., Liu, S., Li, S., Shi, X., ... & Wu, Y. (2024). Gravity predictions in data-missing areas using machine learning methods. Remote Sensing, 16(22), 4173. https://doi.org/10.3390/rs16224173
- Open geospatial data of Republic of Kazakhstan (2025). [cited March 5, 2026]. https://map.gov.kz/ (In Russ.).
- Pham, H. T., Awange, J., Claessens, S., & Kuhn, M. (2025). Local hybrid geoid/quasigeoid development using machine learning with consideration of neighbour spatial characteristics. Survey Review, 1-33. https://doi.org/10.1080/00396265.2025.2543647
- Reguzzoni, M., Carrion, D., De Gaetani, C. I., Albertella, A., Rossi, L., Sona, G., ... & Sansó, F. (2021). Open access to regional geoid models: the International Service for the Geoid. Earth system science data, 13(4), 1653-1666. https://doi.org/10.5194/essd-13-1653-2021
- Shoganbekova, D., Urazaliyev, A., Nurakynov, S., Kozhakhmetov, M., Zhaksygul, N., & Sermiagin, R. (2025a). Combination of Soviet-Era Surface Gravity and Modern Satellite Data for Geoid Model Computation: A Case Study for Kazakhstan. Computation, 13(11), 260. https://doi.org/10.3390/computation13110260
- Shoganbekova, D., Urazaliyev, A., Sermiagin, R., Nurakynov, S., Kozhakhmetov, M., Zhaksygul, N., & Islyamova, A. (2025b). Evaluation of a Soviet-Era Gravimetric Survey Using Absolute Gravity Measurements and Global Gravity Models: Toward the First National Geoid of Kazakhstan. Geosciences, 15(10), 404. https://doi.org/10.3390/geosciences15100404
- Sjöberg, L. E. (2003). A general model for modifying Stokes’ formula and its least-squares solution. Journal of geodesy, 77(7), 459-464. https://doi.org/10.1007/s00190-003-0346-1
- Sjöberg, L. E., & Bagherbandi, M. (2017). Gravity inversion and integration. Cham, Switzerland: Springer International Publishing.
- Urazaliyev, A., Shoganbekova, D., Nurakynov, S., Kozhakhmetov, M., Zhaksygul, N., & Sermiagin, R. (2025). Hybrid Geoid Modelling with AI Enhancements: A Case Study for Almaty, Kazakhstan. Algorithms, 18(12), 737. https://doi.org/10.3390/a18120737
- Zaletnyik, P., Völgyesi, L., & Paláncz, B. (2008). Modelling local GPS/levelling geoid undulations using Support Vector Machines. Periodica polytechnica civil engineering, 52(1), 39-43. https://doi.org/10.3311/pp.ci.2008-1.06
- Zingerle, P., Pail, R., Gruber, T., & Oikonomidou, X. (2020). The combined global gravity field model XGM2019e: P. Zingerle et al. Journal of geodesy, 94(7), 66. https://doi.org/10.1007/s00190-020-01398-0