Model digital de elevație (DEM)

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Jump to navigation Jump to search
Redarea 3D a unui DEM a canionului Tithonium Chasma de pe Marte

Un model digital de elevație (în engleză Digital elevation model - DEM) este o reprezentare digitală 3D a suprafeței de teren - în mod obișnuit a unei planete (de ex. Pământ), Lună sau asteroid - creat din datele de altitudine ale unui teren. Un „DEM global” se referă la o rețea globală discretă.

DEM-urile sunt folosite adesea în sistemele de informații geografice (GIS) și sunt cea mai comună bază pentru hărțile de relief produse digital. În timp ce un model digital de suprafață (DSM) poate fi util pentru modelarea peisajului, pentru modelarea localităților și pentru aplicații de vizualizare, un model digital de teren (DTM) este adesea necesar pentru modelarea inundațiilor sau a drenajului, studii privind utilizarea terenurilor, [1] aplicații geologice și alte aplicații, [2] și în știința planetară.

Terminologie[modificare | modificare sursă]

Suprafețele reprezentate de un model digital de suprafață includ clădiri și alte obiecte (rosu). Modelele digitale de teren reprezintă terenul gol (albastru).

În literatura științifică nu există o utilizare universală a termenilor model digital de elevație (DEM), model digital al terenului (DTM) și model digital al suprafeței (DSM). În cele mai multe cazuri, termenul model digital de suprafață reprezintă suprafața pământului și include toate obiectele de pe ea. Spre deosebire de un DSM, modelul digital al terenului (DTM) reprezintă suprafața liberă a terenului fără obiecte precum plante și clădiri (vezi figura din dreapta). [3] [4]

DEM este adesea folosit ca termen generic pentru DSM și DTM, [5] reprezentând doar informații despre înălțime, fără alte definiții despre suprafață. [6] Alte definiții egalizează termenii DEM și DTM, [7] egalizează termenii DEM și DSM, [8] definesc DEM ca un subset al DTM, care reprezintă și alte elemente morfologice, [9] sau definesc un DEM ca o grilă dreptunghiulară și un DTM ca model tridimensional (TIN). [10] Majoritatea furnizorilor de date (USGS, ERSDAC, CGIAR, Spot Image) folosesc termenul DEM ca termen generic pentru DSM și DTM. Toate seturile de date care sunt capturate cu ajutorul sateliților, avioanelor sau alte platforme zburătoare sunt inițial DSM-uri (cum ar fi SRTM sau ASTER GDEM ). Este posibil să se calculeze un DTM din seturi de date DSM de înaltă rezoluție cu algoritmi complecși (Li și colab., 2005). În cele ce urmează, termenul DEM este utilizat ca termen generic pentru DSM și DTM.

Tipuri[modificare | modificare sursă]

Hârtie cu elevatia a suprafeței Pământului (inclusiv apă și gheață), redată ca o proiecție echidistanta cilindrica, cu elevatia indicată ca valoare de gri pe 8 biți normalizată, unde valorile mai ușoare indică o ridicare mai mare

Un DEM poate fi reprezentat ca un raster (o grilă de pătrate, cunoscută și sub numele de harti elevatie atunci când reprezintă altitudinea) sau ca o rețea neregulată triunghiulară vectoriala (TIN). Setul de date TIN DEM mai este denumit DEM primar (măsurat), în timp ce DEM Raster este menționat ca un DEM secundar (calculat). [11] DEM ar putea fi achiziționat prin tehnici precum fotogrammetrie, lidar, IfSAR, topografie etc. (Li și colab., 2005).

DEM-urile sunt construite în mod obișnuit folosind date colectate prin tehnici de teledetecție, dar pot fi construite și din măsurători topografice.

Redare[modificare | modificare sursă]

Harta reliefului din Sierra Nevada, care arată utilizarea atât a umbrelor cât și a culorii false ca instrumente de vizualizare pentru a indica înălțimea

Modelul digital în sine este alcătuit dintr-o matrice de numere, dar datele dintr-un DEM sunt adesea redate în formă vizuală pentru a le face pe înțelesul oamenilor. Această vizualizare poate fi sub forma unei hărți topografice conturate sau ar putea folosi umbrire și pseudo-culori pentru a reda ridicări sub formă de culori (de exemplu, folosind verde pentru cele mai mici înălțimi, nuanțe la roșu, cu alb pentru cea mai mare altitudine. ).

Uneori, vizualizările sunt realizate și sub formă de vederi oblice, reconstruind o imagine vizuală sintetică a terenului, deoarece ar apărea cu ochiul în jos. În aceste vizualizări oblice, creșterile sunt uneori scalate folosind „exagerarea verticală” pentru a face diferențele subtile de altitudine mai vizibile. [12] Unii oameni de știință, [13] [14], cu toate acestea, se opun exagerării verticale deoarece înșelă privitorul cu privire la adevăratul peisaj.

Construcția modelelor[modificare | modificare sursă]

Cartografii pot pregăti modele digitale de elevație într-o serie de moduri, dar utilizează frecvent teledetecția, mai degrabă decât datele directe ale măsurătorilor topografice.

Metodele mai vechi de generare a DEM-ului implică adesea interpolarea hărților cu curbe de nivel produsa prin măsurători topografice directe a suprafeței terenului. Această metodă este încă folosită în zonele montane, unde interferometria nu este întotdeauna satisfăcătoare. Rețineți că datele de curbelor de nivel sau orice alte seturi de date de altitudine eșantionate (prin GPS sau măsurători topografice) nu sunt format DEM, dar pot fi considerate modele digitale de teren. Un DEM presupune că cota este disponibilă continuu în fiecare locație din zona de studiu.

Cartografiere prin satelit[modificare | modificare sursă]

O tehnică puternică pentru generarea de modele digitale de înălțime este radarul cu diafragmă sintetică interferometrică în care două treceri ale unui satelit radar (cum ar fi RADARSAT-1 sau TerraSAR-X sau Cosmo SkyMed), sau o singură trecere dacă satelitul este echipat cu două antene (precum Instrumentare SRTM), colectați suficiente date pentru a genera o hartă digitală de ridicare zeci de kilometri pe o parte cu o rezoluție de aproximativ zece metri. [15] Alte tipuri de perechi stereoscopice pot fi folosite folosind metoda de corelare a imaginii digitale, unde două imagini optice sunt obținute cu unghiuri diferite luate din aceeași trecere a unui avion sau a unui satelit de observare a Pământului (cum ar fi instrumentul HRS al SPOT5 sau banda VNIR din ASTER ). [16]

Satelitul SPOT 1 (1986) a furnizat primele date de ridicare utilizabile pentru o porțiune considerabilă din suprafața planetei, folosind corelația stereoscopică cu două treceri. Ulterior, satelitele europene de teledetecție (ERS, 1991) au fost furnizate alte date folosind aceeași metodă, misiunea de topografie a radarului Shuttle (SRTM, 2000) folosind SAR cu un singur pas și Radiometrul termic avansat de emisie și reflecție spațială (ASTER, 2000) instrumentare pe satelitul Terra folosind perechi stereo cu dublu pas. [16]

Instrumentul HRS de pe SPOT 5 a achiziționat peste 100 de milioane de kilometri pătrați de perechi stereo.

Cartografiere planetară[modificare | modificare sursă]

Model MOLA elevatie digitale care arată cele două emisfere ale Marte. Această imagine a apărut pe coperta revistei Science în mai 1999.

Un instrument valoros în știința planetară a fost utilizarea altimetriei orbitale utilizate pentru a realiza hărți digitale a altitudinii planetelor. Un instrument principal pentru aceasta este altimetria laser (LIDAR) . Hărțile planetare digitale a elevatiei realizate folosind altimetria cu laser includ cartografia Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) din Marte, [17] Lunar Orbital Laser Altimeter (LOLA) [18] și Lunar Altimeter (LALT) Mapping of the Moon și Mercury Laser Cartografierea Altimetrului (MLA) a Mercur. [19]

Metode pentru obținerea datelor de elevației utilizate pentru crearea DEM-urilor[modificare | modificare sursă]

Vehicul aerian fără pilot Gatewing X100

Precizie[modificare | modificare sursă]

Calitatea unui DEM este dată de precizia altitudinii la fiecare pixel (precizie absolută) și cât de precis este morfologia prezentată (precizia relativă). Câțiva factori joacă un rol important în calitatea produselor derivate din DEM:

  • rugozitatea terenului;
  • densitatea de prelevare (metoda de colectare a datelor);
  • rezoluție grilă sau dimensiune pixel;
  • algoritm de interpolare;
  • rezoluție verticala;
  • algoritm de analiză a terenului;
  • Produsele 3D de referință includ măști de calitate care oferă informații despre litoral, lac, zăpadă, nori, corelație etc.

Utilizări[modificare | modificare sursă]

Model digital de elevatie - Amfiteatru roșu roșu, Colorado obținut folosind un UAV
Bezmiechowa Aerodimensional 3D Digital Surface Model obținut folosind Pteryx UAV care zboară 200m deasupra dealului
Model de suprafață digitală a șantierului de autostrăzi . Rețineți că tunelurile sunt închise.
Exemplu DEM arborat cu Gatewing X100 în Assenede
Generator de model digital cu terenuri + texturi (hărți) + vector

Utilizările comune ale DEM includ:

Surse[modificare | modificare sursă]

Un DEM gratuit din întreaga lume numit GTOPO30 ( rezoluție 30 secunde, c. 1   km de -a lungul ecuatorului) este disponibil, dar calitatea sa este variabilă, iar în unele zone este foarte slabă. Un DEM de calitate mult mai ridicat al instrumentului Advanced Radiometer de emisie termică și reflexie spațială (ASTER) al satelitului Terra este de asemenea disponibil liber pentru 99% din glob și reprezintă o altitudine la o rezoluție de 30 de metri. O rezoluție similară ridicată a fost anterior disponibilă doar pe teritoriul Statelor Unite, în baza datelor Misiune de Topografie a Radarului Navetelor (SRTM), în timp ce cea mai mare parte a restului planetei a fost acoperită doar într-un 3  secunde de arc-a doua rezoluție (aproximativ 90 metri de-a lungul ecuatorului). SRTM nu acoperă regiunile polare și nu are zone de munte și deșert. Datele SRTM, derivate din radar, reprezintă elevarea suprafeței reflectate în primul rând — destul de des vârfurile copacilor. Deci, datele nu sunt neapărat reprezentative pentru suprafața solului, ci partea superioară a oricărui lucru este întâi întâlnit de radar.

Datele elevatiei submarine (cunoscute sub numele de batimetrie) sunt generate folosind sonarul montate pe nave. Când topografia și batimetria terenurilor sunt combinate, se obține un model adevărat al reliefului global. Setul de date SRTM30Plus (utilizat în NASA World Wind ) încearcă să combine GTOPO30, SRTM și datele batimetrice pentru a produce un model cu adevărat global de altitudine. [23] Modelul global de topografie și relief Earth2014 [24] oferă grile de topografie stratificate la o rezoluție de 1 minut în arc. În afară de SRTM30plus, Earth2014 oferă informații despre înălțimile foilor de gheață și roca de bază (adică topografia sub gheață) peste Antarctica și Groenlanda. Un alt model global este Data Global Elevation Terrain Elevation Global (Multi-rezoluție Terrain Elevation Data 2010) (GMTED2010) cu o rezoluție de 7,5 arc a doua rezolutie. Se bazează pe date SRTM și combină alte date în afara acoperirii SRTM. Un nou DEM global cu înregistrări mai mici de 12m și o precizie a înălțimii mai mică de 2m este de așteptat de la misiunea satelit TanDEM-X care a început în iulie 2010.

Cel mai comun caroiaj (raster) este cuprinsă între 50 și 500 metri. În gravimetrie, de exemplu, grila primară poate fi 50m, dar este comutat la 100 sau 500 metri pe distanțe de aproximativ 5 sau 10 kilometri.

Din 2002, instrumentul HRS la SPOT5 a achiziționat peste 100 de milioane de kilometri pătrați de perechi stereo utilizate pentru a produce un format DEM DTED2 (cu 30 de metri) format DEM DTED2 peste 50 de milioane km 2. [25] Satelitul radar RADARSAT-2 a fost utilizat de MacDonald, Dettwiler și Associates Ltd. pentru a furniza DEM-uri pentru clienții comerciali și militari. [26]

În 2014, achizițiile de la sateliții radar TerraSAR-X și TanDEM-X vor fi disponibile sub forma unei acoperiri globale uniforme, cu o rezoluție de 12   metri. [27]

ALOS oferă din 2016 un DSM global de un 1 arc, [28] și un DSM/DTM comercial de 5 metri. [29]

Multe agenții naționale de cartografie produc propriile DEM-uri, adesea de o rezoluție și o calitate mai ridicate, dar acestea trebuie să fie achiziționate, iar costul este de obicei interzis pentru toate, cu excepția autorităților publice și a marilor corporații. DEM-urile sunt adesea un produs al programelor naționale de date lidar.

DEM-uri gratuite sunt, de asemenea, disponibile pentru Marte: MEGDR sau Mission Record Gridded Data Record, de la instrumentul Global Global Surveyor's Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA); și modelul Mars Digital Terrain (DTM) al NASA. [30]

OpenTopography [31] este o resursă comunitară online pentru accesul la date topografice de înaltă rezoluție, orientate către știința Pământului, și la instrumente și resurse conexe care adăpostește volume mari de date DEM. [32] OpenTopography are sediul la San Diego Supercomputer Center [33] la Universitatea California, San Diego și este operat în colaborare cu colegii din Școala de explorare a pământului și spațiului din Arizona State University și UNAVCO. [34] Suportul operațional de bază pentru OpenTopography vine de la Fundația Națională de Știință a Pământului Științele Pământului: Instrumentare și Facilități (EAR/IF).

OpenDemSearcher este un Mapclient cu o vizualizare a regiunilor cu DEM-uri de înaltă rezoluție și de înaltă disponibilitate. [35]

Modelul STL 3D al Lunii, cu o exagerare de 10 ori înălțime redată cu date de la altimetrul laser lunar Orbiter al Orbitei lunare de recunoaștere

Statele Unite[modificare | modificare sursă]

Sondajul Geologic al SUA produce Dataset-uri Naționale de Elevație, un DEM fără probleme pentru Statele Unite, Hawaii și Puerto Rico, bazat pe o rezolutie topografică de 7.5' La începutul anului 2006, aceasta înlocuiește formatul caroiaj DEM anterior (un DEM pe harta topografică USGS). [36] [37]

OpenTopography [38] este o sursă de acces comunitară bazată în SUA pentru o mare cantitate de date de topografie de înaltă rezoluție pentru SUA [32]

Formate de fișiere DEM[modificare | modificare sursă]

Referințe[modificare | modificare sursă]

  1. ^ I. Balenovic, H. Marjanovic, D. Vuletic, etc. Quality assessment of high density digital surface model over different land cover classes. PERIODICUM BIOLOGORUM. VOL. 117, No 4, 459–470, 2015.
  2. ^ „Appendix A – Glossary and Acronyms” (PDF). Severn Tidal Tributaries Catchment Flood Management Plan – Scoping Stage. UK: Environment Agency. 
  3. ^ „Intermap Digital Surface Model: accurate, seamless, wide-area surface models”. Arhivat din original la . 
  4. ^ Li, Z., Zhu, Q. and Gold, C. (2005), Digital terrain modeling: principles and methodology, CRC Press, Boca Raton, FL.
  5. ^ Hirt, C. (). „Digital Terrain Models”. Encyclopedia of Geodesy: 1–6. doi:10.1007/978-3-319-02370-0_31-1. ISBN 978-3-319-01868-3. Accesat în . 
  6. ^ Peckham, Robert Joseph; Jordan, Gyozo (Eds.)(2007): Development and Applications in a Policy Support Environment Series: Lecture Notes in Geoinformation and Cartography. Heidelberg.
  7. ^ Podobnikar, Tomaz (). „Methods for visual quality assessment of a digital terrain model”. S.A.P.I.EN.S. 1 (2). 
  8. ^ Adrian W. Graham, Nicholas C. Kirkman, Peter M. Paul (2007): Mobile radio network design in the VHF and UHF bands: a practical approach. West Sussex.
  9. ^ „DIN Standard 18709-1”. Arhivat din original la . 
  10. ^ „Landslide Glossary USGS”. Arhivat din original la . 
  11. ^ RONALD TOPPE (1987): Terrain models — A tool for natural hazard Mapping. In: Avalanche Formation, Movement and Effects (Proceedings of the Davos Symposium, September 1986). IAHS Publ. no. 162,1987
  12. ^ Making 3D Terrain Maps, Shaded Relief. Retrieved 11 March 2019.
  13. ^ David Morrison, "“Flat‐Venus Society” organizes", EOS, Volume 73, Issue 9, American Geophysical Union, 3 March 1992, p. 99. https://doi.org/10.1029/91EO00076. Retrieved 11 March 2019.
  14. ^ Robert Simmon. "Elegant Figures What Not To Do: Vertical Exaggeration," NASA Earth Observatory, November 5, 2010. Retrieved 11 March 2019.
  15. ^ „WorldDEM(TM): Airbus Defence and Space”. www.intelligence-airbusds.com. 
  16. ^ a b Nikolakopoulos, K. G.; Kamaratakis, E. K; Chrysoulakis, N. (). „SRTM vs ASTER elevation products. Comparison for two regions in Crete, Greece” (PDF). International Journal of Remote Sensing. 27 (21): 4819–4838. doi:10.1080/01431160600835853. ISSN 0143-1161. Arhivat din original (PDF) la . Accesat în . 
  17. ^ Bruce Banerdt, Orbital Laser Altimeter, The Martian Chronicle, Volume 1, No. 3, NASA. Retrieved 11 March 2019.
  18. ^ NASA, LOLA. Retrieved 11 March 2019.
  19. ^ John F. Cavanaugh, et al., "The Mercury Laser Altimeter Instrument for the MESSENGER Mission", Space Sci Rev, DOI 10.1007/s11214-007-9273-4, 24 August 2007. Retrieved 11 March 2019.
  20. ^ a b Campbell, D. M. H.; White, B.; Arp, P. A. (). „Modeling and mapping soil resistance to penetration and rutting using LiDAR-derived digital elevation data”. Journal of Soil and Water Conservation (în engleză). 68 (6): 460–473. doi:10.2489/jswc.68.6.460. ISSN 0022-4561. 
  21. ^ James, M. R.; Robson, S. (). „Straightforward reconstruction of 3D surfaces and topography with a camera: Accuracy and geoscience application”. Journal of Geophysical Research: Earth Surface. 117: n/a. doi:10.1029/2011JF002289. 
  22. ^ „I. Balenović, A. Seletković, R. Pernar, A. Jazbec. Estimation of the mean tree height of forest stands by photogrammetric measurement using digital aerial images of high spatial resolution. ANNALS OF FOREST RESEARCH. 58(1), P. 125-143, 2015”. 
  23. ^ „Martin Gamache's paper on free sources of global data” (PDF). 
  24. ^ Hirt, C.; Rexer, M. (). „Earth2014: 1 arc-min shape, topography, bedrock and ice-sheet models - available as gridded data and degree-10,800 spherical harmonics” (PDF). International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation. 39: 103–112. doi:10.1016/j.jag.2015.03.001. Accesat în . 
  25. ^ „GEO Elevation Services : Airbus Defence and Space”. www.astrium-geo.com. 
  26. ^ „International - Geospatial”. gs.mdacorporation.com. 
  27. ^ „TerraSAR-X : Airbus Defence and Space”. www.astrium-geo.com. 
  28. ^ „ALOS World 3D - 30m”. www.eorc.jaxa.jp. 
  29. ^ „ALOS World 3D”. www.aw3d.jp. 
  30. ^ „A basic guide for using Digital Elevation Models with Terragen”. Arhivat din original la . 
  31. ^ „OpenTopography”. www.opentopography.org. 
  32. ^ a b „About OpenTopography”. 
  33. ^ „San Diego Supercomputer Center”. www.sdsc.edu. Accesat în . 
  34. ^ „Home | UNAVCO”. www.unavco.org (în engleză). Accesat în . 
  35. ^ Opendreamsearcher
  36. ^ „Archived copy”. Arhivat din original la . Accesat în . 
  37. ^ „Error 404 – Page not found”. herbert.gandraxa.com. 
  38. ^ „OpenTopography”. www.opentopography.org. 
Produse de date