Цифровая модель рельефа ( DEM ) представляет собой 3D компьютерной графики представление рельефа данных для представления местности , обычно из планеты (например , Земли ), Луна или астероид . «Глобальная матрица высот» относится к дискретной глобальной сетке . ЦМР часто используются в географических информационных системах и являются наиболее распространенной основой для цифровых карт рельефа .
В то время как цифровая модель поверхности (DSM) , может быть полезной для ландшафтного моделирования , городского моделирования и визуализации приложений, модель цифровой местности (DTM) часто требуется для наводнений или дренажного моделирования, исследований землепользования , [1] геологических приложений, а также другого приложений, [2] и в планетологии .
Терминология
В научной литературе нет универсального использования терминов цифровая модель рельефа (DEM), цифровая модель местности (DTM) и цифровая модель поверхности (DSM). В большинстве случаев термин « цифровая модель поверхности» представляет земную поверхность и включает все объекты на ней. В отличие от DSM, цифровая модель местности (DTM) представляет собой голую поверхность земли без каких-либо объектов, таких как растения и здания (см. Рисунок справа). [3] [4]
DEM часто используется как общий термин для DSM и DTM [5], представляющих только информацию о высоте без какого-либо дополнительного определения поверхности. [6] Другие определения уравнивают термины DEM и DTM, [7] уравнивают термины DEM и DSM, [8] определяют DEM как подмножество DTM, которое также представляет другие морфологические элементы, [9] или определяют DEM как прямоугольная сетка и ЦММ в виде трехмерной модели ( TIN ). [10] Большинство поставщиков данных ( USGS , ERSDAC , CGIAR , Spot Image ) используют термин DEM как общий термин для DSM и DTM. Все наборы данных, которые собираются со спутников, самолетов или других летающих платформ, изначально являются DSM, такими как SRTM или ASTER GDEM , хотя в лесных районах SRTM проникает в крону деревьев, давая показания где-то между DSM и DTM). Можно оценить DTM из наборов данных DSM с высоким разрешением с помощью сложных алгоритмов (Li et al. , 2005). Далее термин DEM используется как общий термин для DSM и DTM.
Типы
ЦМР может быть представлена как растр (сетка квадратов, также известная как карта высот при отображении высоты) или как векторная треугольная нерегулярная сеть (TIN). Набор данных TIN DEM также называется первичной (измеренной) DEM, тогда как растровая DEM называется вторичной (вычисленной) DEM. [11] ЦМР может быть получена с помощью таких методов, как фотограмметрия , лидар , IfSAR или InSAR , топографическая съемка и т. Д. (Li et al. 2005).
ЦМР обычно строятся с использованием данных, собранных с использованием методов дистанционного зондирования, но они также могут быть построены на основе топографической съемки.
Рендеринг
Сама цифровая модель рельефа состоит из матрицы чисел, но данные из DEM часто визуализируются в визуальной форме, чтобы сделать их понятными для людей. Эта визуализация может быть в форме контурной топографической карты или может использовать затенение и присвоение ложных цветов (или «псевдо-цвет») для отображения высот в цвете (например, использование зеленого для самых низких отметок, заливка красным, с белый для наибольшего возвышения.).
Визуализации иногда также выполняются в виде наклонных изображений, воссоздающих синтетическое визуальное изображение местности, как если бы оно выглядело при взгляде вниз под углом. В этих наклонных визуализациях высоты иногда масштабируются с использованием « вертикального преувеличения », чтобы сделать небольшие различия высот более заметными. [12] Некоторые ученые, [13] [14], однако, возражают против вертикального преувеличения, поскольку они вводят зрителя в заблуждение относительно истинного ландшафта.
Производство
Картографы могут подготовить цифровые модели рельефа разными способами, но они часто используют дистанционное зондирование, а не данные прямых съемок .
Старые методы создания ЦМР часто включают интерполяцию цифровых контурных карт, которые могли быть получены путем прямой съемки земной поверхности. Этот метод до сих пор используется в горных районах, где интерферометрия не всегда дает удовлетворительные результаты. Обратите внимание, что данные горизонталей или любые другие выборочные наборы данных высот (с помощью GPS или наземной съемки) не являются ЦМР, но могут считаться цифровыми моделями местности. ЦМР подразумевает, что отметка доступна постоянно в каждом месте изучаемой области.
Спутниковое картографирование
Один мощный метод для создания цифровых моделей рельефа является интерферометрической РЛС с синтезированной апертурой , где два прохода радара спутника (например, РАДАРСАТ-1 или TerraSAR-X или Космо SkyMed ), или за один проход , если спутник оснащен двумя антеннами (как SRTM ), соберите достаточно данных для создания цифровой карты высот со стороной в несколько десятков километров с разрешением около десяти метров. [15] Другие виды стереоскопических пар могут быть использованы с использованием метода корреляции цифровых изображений , когда два оптических изображения получают под разными углами, полученные с одного и того же пролета самолета или спутника наблюдения Земли (например, прибора HRS SPOT5 или ВБИК полоса ASTER ). [16]
SPOT 1 спутник (1986) при условии , что первые данные высотных отметок используемых для значительной части суши планеты, используя двухпроходным стереоскопическое корреляцию. Позже европейский спутник дистанционного зондирования (ERS, 1991) предоставил дополнительные данные с использованием того же метода, миссию по радиолокационной топографии челнока (SRTM, 2000) с использованием однопроходного РСА и усовершенствованного космического радиометра теплового излучения и отражения (ASTER, 2000) на спутнике Terra с использованием двухпроходных стереопар. [16]
Инструмент HRS на SPOT 5 собрал более 100 миллионов квадратных километров стереопар.
Планетарное картографирование
Инструмент, который приобретает все большую ценность в планетологии, - это использование орбитальной альтиметрии для создания цифровых карт высот планет. Основным инструментом для этого является лазерная альтиметрия, но также используется радиолокационная альтиметрия. [17] Планетарная цифровая высота карты с использованием лазерной альтиметрии включает Марс Орбитального лазерного высотомер отображения (МОЛ) Марс, [18] Лунные Орбитальный лазерный высотомер (LOLA) [19] и Лунный Высотомер (LAlt) отображение Луны и Лазерный высотомер Mercury (MLA), отображающий Меркурий. [20] При картировании планет каждое планетное тело имеет уникальную опорную поверхность. [21]
Методы получения данных о высотах, используемые для создания ЦМР
- Лидар [22]
- Радар
- Стерео фотограмметрии от аэрофотосъемки
- Структура из движущегося / многовидового стерео применительно к аэрофотосъемке [23]
- Уравнивание блоков по оптическим спутниковым снимкам
- Интерферометрия по радиолокационным данным
- Кинематический GPS в реальном времени
- Топографические карты
- Теодолит или тахеометр
- Доплеровский радар
- Вариация фокуса
- Инерционные съемки
- Съемочные и картографические дроны
- Визуализация дальности
Точность
Качество ЦМР - это мера того, насколько точна высота каждого пикселя (абсолютная точность) и насколько точно представлена морфология (относительная точность). Несколько факторов играют важную роль в качестве продуктов, производных от ЦМР:
- неровность местности;
- плотность выборки (метод сбора данных о высотах);
- разрешение сетки или размер пикселя ;
- алгоритм интерполяции ;
- вертикальное разрешение;
- алгоритм анализа местности;
- Референсные 3D-продукты включают качественные маски, дающие информацию о береговой линии, озере, снеге, облаках, корреляции и т. Д.
Использует
К распространенным применениям ЦМР относятся:
- Извлечение параметров местности для геоморфологии
- Моделирование потока воды для гидрологии или массового движения (например, лавины и оползни )
- Моделирование влажности почв с помощью картографических индексов глубины воды (DTW-индекс) [22]
- Создание рельефных карт
- Визуализация 3D визуализаций .
- 3D планирование полета и TERCOM
- Создание физических моделей (в том числе рельефных карт )
- Исправление аэрофотосъемки или спутниковых снимков
- Редукция (коррекция местности) гравиметрических измерений ( гравиметрия , физическая геодезия )
- Анализ местности в геоморфологии и физической географии
- Географические информационные системы (ГИС)
- Инжиниринг и проектирование инфраструктуры
- Спутниковая навигация (например GPS и ГЛОНАСС )
- Анализ прямой видимости
- Базовое отображение
- Моделирование полета
- Моделирование поезда
- Точное земледелие и лесное хозяйство [24]
- Анализ поверхности
- Интеллектуальные транспортные системы (ИТС)
- Автобезопасность / усовершенствованные системы помощи водителю (ADAS)
- Археология
Источники
Глобальный
Доступна бесплатная ЦМР всего мира под названием GTOPO30 ( разрешение 30 угловых секунд , около 1 км вдоль экватора), но ее качество варьируется, а в некоторых областях очень низкое. ЦМР гораздо более высокого качества, полученная с помощью усовершенствованного космического радиометра теплового излучения и отражения (ASTER) спутника Terra, также свободно доступна для 99% земного шара и представляет собой высоту с разрешением 30 метров . Такое же высокое разрешение ранее было доступно только для территории Соединенных Штатов по данным миссии Shuttle Radar Topography (SRTM), в то время как большая часть остальной части планеты была покрыта только с разрешением 3 угловых секунды (около 90 метров вдоль экватора). . SRTM не охватывает полярные регионы и не имеет горных и пустынных областей (пустот). Данные SRTM, полученные с радара, представляют собой высоту первой отраженной поверхности - довольно часто верхушек деревьев. Таким образом, данные не обязательно отражают поверхность земли, а только верхнюю часть того, что впервые обнаруживается радаром.
Данные о высоте подводных лодок (известные как батиметрия ) генерируются с помощью судовых глубинных зондирований . Когда топография суши сочетается с батиметрией, получается действительно глобальная модель рельефа . Набор данных SRTM30Plus (используемый в NASA World Wind ) пытается объединить данные GTOPO30, SRTM и батиметрические данные для создания действительно глобальной модели рельефа. [25] Глобальная модель топографии и рельефа Земли2014 [26] обеспечивает многослойную топографическую сетку с разрешением в 1 угловую минуту. Помимо SRTM30plus, Earth2014 предоставляет информацию о высоте ледникового покрова и коренных породах (то есть топографии подо льдом) над Антарктидой и Гренландией. Другая глобальная модель - это Global Multi-Resolution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010) с разрешением 7,5 угловых секунд. Он основан на данных SRTM и объединяет другие данные за пределами покрытия SRTM. Новая глобальная ЦМР проводок ниже 12 м и с точностью до 2 м ожидается от спутниковой миссии TanDEM-X, которая началась в июле 2010 года.
Наиболее распространенный интервал сетки (растра) составляет от 50 до 500 метров. Например, в гравиметрии основная сетка может составлять 50 м, но переключается на 100 или 500 метров на расстояниях примерно 5 или 10 километров.
С 2002 года прибор HRS на SPOT 5 приобрел более 100 миллионов квадратных километров стереопар, используемых для получения DTED2 формата DTED2 (с 30-метровой разводкой) DTED2 на площади более 50 миллионов км 2 . [27] Радиолокационный спутник RADARSAT-2 использовался компаниями MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. для предоставления ЦМР коммерческим и военным заказчикам. [28]
В 2014 году данные с радиолокационных спутников TerraSAR-X и TanDEM-X будут доступны в виде единого глобального покрытия с разрешением 12 метров. [29]
С 2016 года компания ALOS бесплатно предоставляет глобальный DSM с интервалом в 1 угловую секунду [30] и коммерческий 5-метровый DSM / DTM. [31]
Местный
Многие национальные картографические агентства производят свои собственные ЦМР, часто с более высоким разрешением и качеством, но часто их приходится покупать, а стоимость обычно непомерно высока для всех, кроме государственных органов и крупных корпораций. ЦМР часто являются продуктом национальных программ по набору лидарных данных .
Для Марса также доступны бесплатные ЦМР : MEGDR (Gridded Data Record ) от прибора Mars Global Surveyor 's Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA); и Цифровая модель местности Марса НАСА (DTM). [32]
Сайты
OpenTopography [33] - это сетевой ресурс сообщества для доступа к топографическим данным высокого разрешения, ориентированным на науку о Земле (данные лидара и ЦМР), а также к средствам обработки, работающим на бытовой и высокопроизводительной вычислительной системе, а также к образовательным ресурсам. [34] OpenTopography базируется в Суперкомпьютерном центре Сан-Диего [35] Калифорнийского университета в Сан-Диего и работает в сотрудничестве с коллегами из Школы исследования Земли и космоса Университета штата Аризона и UNAVCO. [36] Основная оперативная поддержка OpenTopography поступает от Национального научного фонда, Отдел наук о Земле.
OpenDemSearcher - это Mapclient с визуализацией регионов с бесплатными доступными ЦМР среднего и высокого разрешения. [37]
Соединенные Штаты
Геологическая служба США производит Национальный Elevation Dataset , бесшовный DEM для Соединенных Штатов, Гавайев и Пуэрто - Рико , основанного на топографических картах 7.5' . С начала 2006 г. он заменяет более ранний мозаичный формат матрицы высот (одна матрица высот на топографическую карту USGS ). [38] [39]
OpenTopography [33] - это американский источник доступа сообщества к большому количеству данных топографии высокого разрешения для США [34]
Смотрите также
- Уклон и аспект грунта ( пространственный градиент грунта )
- Цифровая модель обнажения
- Глобальная модель помощи
- Физическая модель местности
- Картография местности
- Рендеринг ландшафта
Форматы файлов DEM
- Батиметрическая сетка с атрибутами (BAG)
- DTED
- База данных DIMAP Sentinel 1 ESA
- SDTS DEM
- USGS DEM
Рекомендации
- ^ И. Баленович, Х. Марьянович, Д. Вулетич и др. Оценка качества цифровой модели поверхности высокой плотности по разным классам земного покрова. PERIODICUM BIOLOGORUM. VOL. 117, № 4, 459–470, 2015.
- ^ «Приложение A - Глоссарий и сокращения» (PDF) . План управления водосборными бассейнами приливных притоков Северн - этап оценки . Великобритания: Агентство по охране окружающей среды . Архивировано из оригинального (PDF) 10 июля 2007 года.
- ^ «Цифровая модель поверхности Intermap: точные, бесшовные модели поверхности с большой площадью» . Архивировано из оригинала на 2011-09-28.
- ^ Ли, З., Чжу, К. и Голд, К. (2005), Цифровое моделирование местности: принципы и методология, CRC Press, Бока-Ратон, Флорида.
- ^ Хирт, К. (2014). «Цифровые модели местности» . Энциклопедия геодезии : 1–6. DOI : 10.1007 / 978-3-319-02370-0_31-1 . ISBN 978-3-319-01868-3. Проверено 10 февраля, 2016 .
- ^ Пекхэм, Роберт Джозеф; Джордан, Гёдзо (ред.) (2007): Серия «Разработка и приложения в среде поддержки политик»: конспекты лекций по геоинформации и картографии. Гейдельберг.
- ^ Подобникар, Томаз (2008). «Методы визуальной оценки качества цифровой модели местности» . SAPIEN.S . 1 (2).
- ^ Адриан В. Грэм, Николас С. Киркман, Питер М. Пол (2007): Проектирование сети мобильной радиосвязи в диапазонах VHF и UHF: практический подход . Западный Сассекс.
- ^ «Стандарт DIN 18709-1» . Архивировано из оригинала на 2011-01-11.
- ^ «Глоссарий по оползням USGS» . Архивировано из оригинала на 2011-05-16.
- ^ РОНАЛЬД ТОПП (1987): Модели местности - инструмент для картографирования природных опасностей . В: Формирование, движение и эффекты лавины (Материалы симпозиума в Давосе, сентябрь 1986 г.). IAHS Publ. нет. 162,1987
- ^ Создание трехмерных карт местности , затененный рельеф . Проверено 11 марта 2019.
- ^ Дэвид Моррисон, " Общество плоской Венеры" организует ", EOS, том 73 , выпуск 9, Американский геофизический союз, 3 марта 1992 г., стр. 99. https://doi.org/10.1029/91EO00076 . Проверено 11 марта 2019.
- ^ Роберт Симмон. « Elegant Figures. Чего не следует делать: вертикальное преувеличение », NASA Earth Observatory, 5 ноября 2010 г. Источник: 11 марта 2019 г.
- ^ "WorldDEM (TM): Airbus Defense and Space" . www.intelligence-airbusds.com .
- ^ а б Николакопулос, KG; Камаратакис, Э.К .; Хрисулакис, Н. (10 ноября 2006 г.). «SRTM и ASTER Elevation Products. Сравнение двух регионов Крита, Греция» (PDF) . Международный журнал дистанционного зондирования . 27 (21): 4819–4838. DOI : 10.1080 / 01431160600835853 . ISSN 0143-1161 . S2CID 1939968 . Архивировано из оригинального (PDF) 21 июля 2011 года . Проверено 22 июня 2010 года .
- ^ Харгитай, Хенрик; Виллнер, Конрад; Бухройтнер, Манфред (2019), Харгитай, Хенрик (ред.), «Методы планетарного топографического картографирования: обзор», Планетарная картография и ГИС , Springer International Publishing, стр. 147–174, DOI : 10.1007 / 978-3-319 -62849-3_6 , ISBN 978-3-319-62848-6
- ^ Брюс Banerdt, Орбитальный лазерный высотомер , Марсианские хроники, Том 1 , № 3, NASA. Проверено 11 марта 2019.
- ^ НАСА, ЛОЛА . Проверено 11 марта 2019.
- ^ Джон Ф. Кавано и др., « Лазерный высотомер Mercury для миссии MESSENGER », Space Sci Rev , DOI 10.1007 / s11214-007-9273-4, 24 августа 2007 г. Дата обращения 11 марта 2019.
- ^ Харгитай, Хенрик; Виллнер, Конрад; Заяц, Трент (2019), Харгитай, Хенрик (ред.), "Фундаментальные Каркасы в Планетарном Mapping: A Review", планетная картография и ГИС , Springer International Publishing, стр 75-101,. Дои : 10.1007 / 978-3-319 -62849-3_4 , ISBN 978-3-319-62848-6
- ^ а б Кэмпбелл, DMH; Белый, B .; Арп, Пенсильвания (1 ноября 2013 г.). «Моделирование и картографирование сопротивления почвы проникновению и колейности с использованием цифровых данных высот, полученных с помощью LiDAR» . Журнал почво-водосбережения . 68 (6): 460–473. DOI : 10,2489 / jswc.68.6.460 . ISSN 0022-4561 .
- ^ Джеймс, MR; Робсон, С. (2012). «Прямая реконструкция трехмерных поверхностей и топографии с помощью камеры: приложение для измерения точности и геолого-геофизических исследований» (PDF) . Журнал геофизических исследований: Поверхность Земли . 117 : н / д. DOI : 10.1029 / 2011JF002289 .
- ^ "И. Баленович, А. Селеткович, Р. Пернар, А. Язбек. Оценка средней высоты древостоев путем фотограмметрических измерений с использованием цифровых аэрофотоснимков с высоким пространственным разрешением. АНАЛИЗЫ ЛЕСНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. 58 (1), P. 125-143, 2015 » .
- ^ «Статья Мартина Гамаша о свободных источниках глобальных данных» (PDF) .
- ^ Hirt, C .; Рексер, М. (2015). «Земля 2014: 1 угловая минимальная форма, топография, коренные породы и модели ледяного покрова - доступны в виде данных с координатной привязкой и сферических гармоник со степенью 10 800» (PDF) . Международный журнал прикладных наблюдений за Землей и геоинформации . 39 : 103–112. DOI : 10.1016 / j.jag.2015.03.001 . ЛВП : 20.500.11937 / 25468 . Проверено 20 февраля, 2016 .
- ^ "GEO Elevation Services: Airbus Defence and Space" . www.astrium-geo.com .
- ^ «Международный - Геопространственный» . gs.mdacorporation.com .
- ^ "TerraSAR-X: Airbus Defence and Space" . www.astrium-geo.com .
- ^ «Мир ALOS 3D - 30м» . www.eorc.jaxa.jp .
- ^ «Мир ALOS 3D» . www.aw3d.jp .
- ^ «Базовое руководство по использованию цифровых моделей рельефа с Terragen» . Архивировано из оригинала на 2007-05-19.
- ^ а б «Открытая топография» . www.opentopography.org .
- ^ а б «Об OpenTopography» .
- ^ "Суперкомпьютерный центр Сан-Диего" . www.sdsc.edu . Проверено 16 августа 2018 .
- ^ "Главная | UNAVCO" . www.unavco.org . Проверено 16 августа 2018 .
- ^ OpenDemSearcher
- ^ «Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2006-09-23 . Проверено 7 декабря 2006 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ «Ошибка 404 - страница не найдена» . herbert.gandraxa.com . Cite использует общий заголовок ( справка )
дальнейшее чтение
- Wilson, JP; Галлант, JC (2000). «Глава 1» (PDF) . В Уилсоне, JP; Галлант, JC (ред.). Анализ местности: принципы и применение . Нью-Йорк: Вили. С. 1–27. ISBN 978-0-471-32188-0. Проверено 16 февраля 2007 .
- Hirt, C .; Филмер, МС; Фезерстоун, WE (2010). «Сравнение и проверка недавно выпущенных в свободном доступе цифровых моделей рельефа ASTER-GDEM ver1, SRTM ver4.1 и GEODATA DEM-9S ver3 над Австралией» . Австралийский журнал наук о Земле . 57 (3): 337–347. DOI : 10.1080 / 08120091003677553 . ЛВП : 20.500.11937 / 43846 . S2CID 140651372 . Проверено 5 мая 2012 года .
- Rexer, M .; Хирт, К. (2014). «Сравнение бесплатных наборов цифровых данных о высотах с высоким разрешением (ASTER GDEM2, SRTM v2.1 / v4.1) и проверка с точными высотами из Австралийской национальной базы данных гравитации» (PDF) . Австралийский журнал наук о Земле . 61 (2): 213–226. DOI : 10.1080 / 08120099.2014.884983 . ЛВП : 20.500.11937 / 38264 . S2CID 3783826 . Архивировано из оригинального (PDF) 7 июня 2016 года . Проверено 24 апреля 2014 года .
Внешние ссылки
- Сравнение качества ЦМР
- Terrainmap.com
- Maps-for-free.com
- Сбор геопространственных данных
- Elevation Mapper, Создание карт высот с географической привязкой
- Информационные продукты
- Спутниковая геодезия от Института океанографии Скриппса
- Миссия по радиолокационной топографии челнока , НАСА / Лаборатория реактивного движения
- Глобальное превышение 30 угловых секунд (GTOPO30) Геологической службой США
- Глобальные данные о высотах местности с разным разрешением за 2010 г. (GMTED2010) , предоставленные Геологической службой США.
- Земля 2014 , Технический университет Мюнхена