Cyfrowy model wysokościowy: opis, rodzaje, widoki, budowa

Cyfrowy model wysokościowy (DEM) to specjalistyczna baza danych przedstawiająca kształt powierzchni pomiędzy punktami danego poziomu, opracowana poprzez interpolację danych wysokościowych pochodzących z naziemnych źródeł geodezyjnych i zbiorów fotogrametrycznych na podstawie modelu siatki prostokątnej. Oprogramowanie GIS wykorzystuje technologię cyfrową do tworzenia trójwymiarowych wizualizacji, tworzenia konturów i przeprowadzania analizy powierzchni.

Historia i współczesność

Termin DEM został wprowadzony w latach 70. XX wieku, aby odróżnić najprostszą formę modelowania terenu od bardziej złożonych typów elektronicznego odwzorowania powierzchni. Początkowo używano go wyłącznie do reprezentacji rastrowych: wartości wysokości zdefiniowanych w węzłach przecięcia regularnej siatki. Generowanie cyfrowego modelu terenu trwało wcześniej do kilku miesięcy.

Obecnie nowoczesne drony są w stanie zebrać niezbędne dane, przeanalizować je w najdrobniejszych szczegółach i zbudować układ wizualny w bardziej realistyczny i efektywny sposób. Nawet najbardziej niedostępne rozległe obszary Ziemi można teraz oglądać i przekształcać w model za pomocą bezzałogowych statków powietrznych (UAV) wyposażonych w najnowocześniejszy sprzęt.

Różne rodzaje radarów, kamer wideo i innych narzędzi mogą być montowane na dronach, aby zebrać wymagane informacje dla konkretnego cyfrowego modelu wysokościowego. Ta najnowocześniejsza technologia w połączeniu z najszybszym oprogramowaniem zapewnia najlepsze wyniki w najkrótszym czasie.

26 kwietnia 2016 r. globalna firma zajmująca się rozwiązaniami informatycznymi NTT DATA i RESTEC (Japan Remote Sensing Technology Centre) ogłosiły, że ich serwis globalnych map cyfrowych 3D, o nazwie AW3D, jest pierwszym 5-metrowym serwisem trójwymiarowych modeli terenu obejmującym całą kulę ziemską, w tym Antarktydę. Serwis oparty jest na trzech milionach zdjęć DAICHI i Advanced Land Observation Satellite (ALOS) z Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA).

NTT DATA i RESTEC uruchomiły serwis map cyfrowych 3D o ograniczonym zasięgu w lutym 2014 r. Usługa ta stanowi znaczną poprawę w stosunku do istniejących usług, które oferują jedynie rozdzielczości 30 i 90 m. NTT DATA, dane AW3D już w użyciu w ponad 60 krajach.

Terminy, definicje i skróty

Cyfrowy model wysokościowy to trójwymiarowy obraz powierzchni terenu utworzony na podstawie danych wysokościowych i przedstawiony w postaci rastra - kwadratów skalowanych lub trójkątnej nieregularnej siatki.

USGS DEMs to rastrowe siatki georeferencyjne, które są ułożone w szereg profili "Południe-Północ". Podobnie jak inne parametry USGS, matryce były pierwotnie tworzone jako arkusze odpowiadające kwadrantom topograficznym:

• duża skala - 7,5 /15 minut;
• średniozaawansowany - 30 minut;
• mała skala - 1 stopień.

Kafle do budowy cyfrowego modelu terenu są dostępne do bezpłatnego pobrania w wielu państwowych i regionalnych ośrodkach wymiany informacji.

DEM - cyfrowa mapa wysokościowa, czyli odwzorowanie powierzchni Ziemi.

DTM - zbiór metod stosowanych do uzyskania lub przedstawienia DEM.

Filtrowanie DEM - zestaw technik stosowanych w celu poprawy geomorfologicznego podobieństwa DEM.

Analiza terenu lub parametryzacja to proces ilościowego określenia szczegółów terenu.

Digital Elevation Model Analysis (DTA) jest używany jako ogólny termin do określenia parametrów aplikacji.

Teren - mapy lub obrazy uzyskane z bazy danych przy użyciu DTA.

Źródła danych DEM

Topografia lub wysokość - kształt lub konfiguracja terenu przedstawiona na mapie za pomocą linii konturowych, cieniowania hipsometrycznego i cieniowania. Obecnie istnieje pięć głównych źródeł danych do tworzenia cyfrowego modelu terenu:

• badania gruntu;
• Pokładowa akwizycja danych fotogrametrycznych;
• Istniejące opracowania kartograficzne, takie jak mapy topograficzne;
• lotniczy skaning laserowy;
• Stereoskopowe lub radarowe zdjęcia satelitarne.

Te metody zbierania matryc porównuje się, patrząc na cztery aspekty:

• cena;
• dokładność;
• gęstość próbkowania;
• wymagania dotyczące przetwarzania wstępnego.

Tradycyjnie takie informacje były zbierane przez geodetów na podstawie pomiarów naziemnych, a następnie półautomatycznej digitalizacji za pomocą ploterów stereo. Jest to najdokładniejsza, ale i najdroższa metoda zbierania danych. Najnowsze osiągnięcia obejmują automatyczne porównywanie obrazów stereoskopowych, wykorzystanie obrazów ze skanowania laserowego, teledetekcję z nakładaniem się obrazów stereoskopowych (SPOT, ASTER) lub zdjęć interferometrycznych.

Druga wysoce skuteczna, nowoczesna metoda to lotniczy i kosmiczny system radarów interferometrycznych, który służy do pozyskiwania dokładnych danych dotyczących zarówno ukształtowania terenu, jak i pokrycia terenu.

Rodzaje cyfrowego modelu wysokościowego

Porównanie wielu powierzchni elewacji może być wykorzystane do porównania trzech wysokości lub oszacowania objętości obiektów. Skanowanie laserowe jest stosowane do budynków, linii energetycznych, otwartych wyrobisk, tekstur terenu, a nawet geometrii fal na morzu.

Istnieją różne sposoby modelowania wysokości: cyfrowe modele wysokości (DEM), cyfrowe modele powierzchni (DSM), cyfrowe modele terenu (DTM) oraz trójkątne sieci nieregularne (TNN).

DEM ujmuje naturalne i wbudowane cechy na powierzchni Ziemi i jest przydatny w modelowaniu 3D dla telekomunikacji, urbanistyki i lotnictwa, ponieważ badane obiekty są pokazane na wysokości nad poziomem gruntu.

DEM to czysta siatka rastrowa odniesiona do pionowego układu współrzędnych. Gdy deweloper odfiltruje punkty, takie jak mosty i drogi, otrzyma gładki cyfrowy model wysokościowy. Zbudowane linie energetyczne, budynki i typy roślinności nie są uwzględnione w DEM. Model konturu terenu netto jest szczególnie przydatny w planowaniu hydrologicznym, glebowym i zagospodarowaniu terenu.

DEM ma dwie definicje, w zależności od kraju zastosowania. W niektórych krajach jest to właściwie synonim DEM i odnosi się do powierzchni wzniesienia reprezentującej ziemię netto, odniesionej do wspólnej cechy pionowej.

W Stanach Zjednoczonych inną definicją cyfrowych modeli wysokościowych jest zbiór danych wektorowych składający się z regularnie rozmieszczonych punktów i naturalnych cech, takich jak grzbiety i linie uskoków. Uzupełnia DEM poprzez włączenie liniowych cech powierzchni ziemi.

W Rosji dla DEM jest stosowany GOST R 52440-2005, zgodnie z którym jest on przeznaczony do tworzenia bazy kartograficznej dla przestrzennego odniesienia geodanych uzyskanych w trakcie badań inżynieryjnych, prac geodezyjnych, pomiarów gruntów, badań statystycznych, innych specjalnych prac i badań.

Model ten jest zwykle tworzony przy użyciu fotogrametrii stereoskopowej. Punkty są rozmieszczone w sposób regularny i charakteryzują kształt gołej ziemi. Z tych regularnych i konturowych linii można interpolować DEM do DEM. Stanowi on cechy wyróżniające Powierzchnia gruntu jest znacznie lepsza dzięki trójwymiarowym liniom łamanym i regularnie rozmieszczonym trójwymiarowym punktom masowym.

Triangulowana sieć nieregularna

W celu zamodelowania ciągłego obszaru na podstawie danych pomiarowych należy połączyć metodami obliczeniowymi punkty terenowe leżące pomiędzy pomiarami. W tym celu poszczególne punkty są najpierw łączone w celu utworzenia trójkątnej powierzchni, która jest dostępna w formacie wektorowym (TIN: triangulated irregular network) poprzez interpolację.

W razie potrzeby dane wektorowe są konwertowane na format rastrowy, np. siatka o stałej wielkości komórek. W tym celu stosuje się różne metody matematyczne. Ważne jest, aby przetestować symulację, aby zdecydować, która jest najbardziej realistyczna dla oglądanego terenu. Chociaż niektóre programy GIS, takie jak Arc GIS, mogą obsługiwać TIN, inne pracują tylko z geomodelami rastrowymi. W zależności od położenia punktów referencyjnych pomiarów, przedstawiane są różne układy.

Narzędzia do pozyskiwania danych wysokościowych

Po wybraniu metody dla rzeczywistej powierzchni terenu wybierane jest narzędzie pomiarowe. Są one obecnie powszechnie stosowane:

1. Bezzałogowy statek powietrzny.
2. LiDAR - mierzy odbite światło, które odbija się od ziemi i wraca do przetwornika, aby uzyskać wysokość powierzchni ziemi.
3. Stereofotogrametria ze zdjęć lotniczych.
4. Stereofoniczna multiprezentacja dla fotografii lotniczej.
5. Zakładanie bloku z optycznych zdjęć satelitarnych.
6. Interferometria z danych radarowych.
7. Kinematyczny GPS w czasie rzeczywistym.
8. Mapy topograficzne.
9. Teodolit lub tachimetr.
10. Radar dopplerowski.

Niektóre techniki teledetekcyjne do sporządzania matrycy wysokościowej:

1. Interferometria satelitarna - radar z syntetyczną aperturą, taki jak Shuttle Radar Topographic Mission, wykorzystuje dwa obrazy radarowe wykonane jednocześnie z anten do wygenerowania cyfrowego modelu wysokościowego.
2. Fotogrametria - W fotografii lotniczej fotogrametria stosuje zdjęcia z co najmniej dwóch różnych punktów widzenia. Podobnie do sposobu działania ludzkiego wzroku, jest w stanie uzyskać głębię i perspektywę poprzez oddzielne punkty widokowe.

Interpolacja cyfrowych map konturowych

Starsze metody generowania DEM często polegały na interpolacji cyfrowych map konturowych, które mogły zostać uzyskane w wyniku bezpośredniego badania powierzchni ziemi. Metoda ta jest nadal stosowana w obszarach górskich, gdzie interferometria nie zawsze jest zadowalająca.

Dane konturowe lub inne wybrane zestawy danych GPS lub naziemnych nie są cyfrowym modelem terenu (DEM), ale mogą być traktowane jako cyfrowe modele terenu. DEM sugeruje, że wysokość jest stale dostępna w każdym miejscu na obszarze badań.

Jakość matrycy jest miarą tego, jak dokładny jest każdy piksel (dokładność bezwzględna) i jak wiele szczegółów jest reprezentowanych (dokładność względna). Kilka czynników odgrywa ważną rolę dla jakości produktów matrycowych

• Szorstkość terenu;
• gęstość próbkowania;
• Metoda zbierania danych o wysokości;
• Rozdzielczość siatki lub wielkość pikseli;
• algorytm interpolacji;
• rozdzielczość pionowa;
• algorytm analizy terenu.

Produkty referencyjne 3D obejmują maski jakościowe, które dostarczają informacji na temat linii brzegowej, jeziora, pokrywy śnieżnej, chmur i korelacji.

Badanie Global Mapper GIS

Pierwszym krokiem do użycia narzędzia wyszukiwania w programie Global Mapper w celu utworzenia obiektu punktowego pod żądanym adresem jest ustalenie projekcji dla tego obszaru. Następnie należy skorzystać z narzędzia danych online, aby połączyć się z obrazami o wysokiej rozdzielczości. Na stronie GIS znajduje się szereg przydatnych warstw, które można dodać. Dane wektorowe są pobierane jako pliki shapefiles za pomocą przeglądarki internetowej do programu Global Mapper poprzez proste przeciągnięcie i upuszczenie plików.

Technologia budowy cyfrowych modeli wysokościowych:

1. Pobierz DEM.archiwum zip dane. Rozmiar archiwum ZIP to 2.5Mb.
2. Rozpakuj archiwum do katalogu na dysku twardym.
3. Otwórz archiwum DEM.zip.
4. Utwórz podkatalog o nazwie "DEM" w katalogu, w którym przechowywane są dane.
5. Wypakuj wszystkie pliki z archiwum ZIP do nowego podkatalogu.
6. W efekcie końcowym powstaną dwa podkatalogi, jeden zawierający DEM 30m i jeden zawierający DEM 10m.
7. Dane te mają wcześniejszy format dystrybucji USGS DEM - wysokości w jednostkach poziomych (pikselach) i są reprezentatywne dla obszaru objętego arkuszem mapy topograficznej 1:24 000.
8. Uruchom Global Mapper.
9. Otwórz DEM wybierając "Plik" > "Otwórz plik", następnie przejdź do katalogu DEM_30m lub DEM_10m, otwierając bushkill_pa.dem.
10. Użyj narzędzi Zoom i Pan, aby powiększyć i przewinąć DEM.
11. Przycisk "Pełny widok" (ikona domku) aktualizuje oryginalny widok pełnego zestawu danych.
12. Aby zobaczyć dane DEM z cieniowaniem wzgórz, znajdź przycisk włączania/wyłączania cieniowania wzgórz, w lewym dolnym rogu, tam gdzie jest światło słoneczne.
13. Włącz cieniowanie wzgórz.
14. Wygląd układu można zmienić wybierając "Narzędzia> "Skonfiguruj", zmieniając ustawienia w "Ustawieniach pionowych" i "Ustawieniach shadera", wybierz kolor z każdego przycisku "Low Color" lub "High Color" w obszarze shadera gradientowego.
15. Naciśnij przycisk "Apply".
16. Przechodzą do "Vertical Settings" i eksperymentują z suwakiem "Vertical Exaggeration", klikając na "Apply".
17. Przejdź do narzędzia pobierania mapy krajowej.
18. Upewnij się, że bieżący eksport jest wybrany w menu nad mapą. Wskazuje obszar na mapie, dla którego należy znaleźć dane.
19. Rozwiń sekcję "Elevation Products (3DEP)" w lewym menu i zaznacz pole przy każdym zestawie danych, który chcesz załadować.
20. Kliknij przycisk "Znajdź produkty" i użyj linków podanych w wynikach wyszukiwania, aby wyświetlić obszar każdego zestawu danych na mapie i załadować preferowany DEM.
21. Zostanie utworzone archiwum ZIP, które można zapisać na dysku twardym.
22. Uruchom Global Mapper i przejdź do folderu, w którym zapisane jest archiwum ZIP.
23. Kliknij dwukrotnie na nazwę pliku. Dane powinny być wyświetlane - program może je odczytać nawet w postaci skompresowanej.
24. W oknie Global Mapper powinien pojawić się obraz danych DEM.
25. Jeśli DEM Bushkill jest nadal widoczny, otwórz Centrum Sterowania i odznacz DEM Bushkill. Naciśnij przycisk "Full view".
26. Aby wyświetlić dane DEM z cieniowania wzgórz, znajdź przycisk Włącz/wyłącz cieniowanie wzgórz na pasku narzędzi w lewym dolnym rogu.
27. Uwzględnij cieniowanie wzgórz.
28. Wygląd można zmienić wybierając "Narzędzia"> "Konfiguracja" i zmiana ustawień w "Ustawieniach pionowych" i "Ustawieniach shaderów".
29. Metadane związane z danymi układu można przeglądać poprzez menu "Narzędzia" > `Centrum kontroli`. Wymiary PIXEL są podane w stopniach, nie w metrach.

Oprogramowanie

Do przetwarzania i interpolacji punktów pomiarowych dostępne są różne programy komputerowe, w tym oprogramowanie specjalnie dostosowane do instrumentów pomiarowych producentów sprzętu geodezyjnego (Zeiss, Leica, Wild, Sokkia, Trimble). W praktyce archeologicznej AutoCAD jest zwykle używany do przetwarzania i przepisywania rzeczywistych danych 3D. Do tworzenia konturów i modeli 3D można dokupić dodatkowe moduły lub wersje rozszerzone. Dla wzoru 2.Powierzchnie 5D, można użyć dowolnego oprogramowania GIS. Między innymi dane z badań geofizycznych mogą być łatwo odczytywane i rzutowane przy użyciu danych z badań naziemnych.

Kontury mogą być tworzone w formacie DXF. Pliki wyeksportowane do programu AutoCAD. Cieniowane lub kolorowe modele terenu mogą być eksportowane w różnych formatach graficznych (TIFF, JPEG, BMP) i zintegrowane z programem AutoCAD. Powstałe modele są zwykle reprezentowane w formacie bitmapy, w którym wartość wysokości jest przypisana do komórki zdefiniowanej przez współrzędną kątową XY o określonej długości strony. Mapy bitowe są w zasadzie takie same jak dane obrazu, z tym że zamiast wartości koloru zapisywana jest wartość wysokości.

Konwersja rastrowych cyfrowych modeli wysokościowych srtm z jednego formatu do drugiego w oprogramowaniu GIS zwykle nie stanowi problemu, więc konkretny format nie jest konieczny, zwłaszcza że często jest już ustalony w predefiniowanych specyfikacjach. W zależności od wybranego medium wyjściowego wybierane są różne sposoby wyświetlania powierzchni terenu.

Pliki AutoCAD (*.dwg) są często trudne do wyeksportowania do innych programów wektorowych takich jak CorelDraw czy Adobe Illustrator w celu dalszej edycji. Jednak w celu umieszczenia w publikacjach plany i rysunki AutoCAD mogą być wyprowadzane jako pliki PDF, konwertowane do plików JPEG, rozszerzane lub modyfikowane za pomocą oprogramowania do edycji obrazów.

Zakres metody

Dokładne informacje o powierzchni Ziemi mają fundamentalne znaczenie dla wielu nauk. Topografia kontroluje szereg procesów skorupowych (parowanie, przepływ wody, ruch masy, pożary lasów), które są ważne dla wymiany energii między fizycznym systemem klimatycznym w atmosferze a cyklami biogeochemicznymi.

Ekologia bada związki między formami życia i Środowisko, Takie jak gleba, woda, klimat i krajobraz. Hydrologia wykorzystuje wiedzę o konturach terenu do modelowania ruchu wody, lodowców i lodu. Geomorfologia opisuje topografię, rozpoznając sposób jej kształtowania. Klimatologia bada przepływ temperatury, wilgoci i cząsteczek powietrza.

Innym zastosowaniem DEM jest globalna klasyfikacja pokrycia terenu. Precyzyjne odwzorowanie i klasyfikacja powierzchni Ziemi w skali globalnej jest najważniejszym warunkiem wstępnym dla wielkoskalowego modelowania procesów geologicznych. Liczne badania wykazały, że obrazy radarowe nadają się do dokumentowania i klasyfikacji roślinności naturalnej i obszarów rolniczych.

W teledetekcji, DEMs są używane do korekty obrazów lub do uzyskania informacji tematycznych dotyczących geometrii czujników i lokalnej topografii.

Tak więc, dla synergicznego zastosowania różnych systemów sensorów GIS, wykorzystanie cyfrowych modeli wysokościowych jest warunkiem koniecznym do kodowania obrazów satelitarnych i korekcji efektów terenowych.