Цифрова модель рельєфу: опис, типи, види, побудова

Цифрова модель висот (dem) - це спеціалізована база даних, що демонструє форму поверхні між точками заданого рівня, складену шляхом інтерполяції даних висот, отриманих із джерел наземного обстеження та фотограмметричного збору на основі прямокутної сітки моделювання. Програмне забезпечення ГІС використовує цифрові технології для тривимірної візуалізації, створення контурів і виконання аналізу поверхні.

Історія розвитку та сучасність

Термін dem був введений в 1970 - х роках з метою відрізнити найпростішу форму моделювання рельєфу місцевості від більш складних типів електронного представлення поверхні. Спочатку він використовувався виключно для растрових подань: значення висот, задані у вузлах перетину регулярної сітки. На побудову цифрової моделі рельєфу раніше йшло до декількох місяців.

Сьогодні сучасні безпілотники здатні збирати необхідні дані, аналізувати їх до найдрібніших деталей і будувати візуальний макет в більш реалістичні та ефективні терміни. Навіть найдоступніші величезні території Землі тепер можна переглядати та перетворювати на модель за допомогою безпілотних літальних апаратів( БПЛА), оснащених найсучаснішим обладнанням.

Різні типи радарів, відеокамер та інших інструментів можуть бути встановлені на дронах з метою збору необхідної інформації для конкретної цифрової моделі рельєфу. Ця передова технологія в поєднанні з найшвидшим програмним забезпеченням забезпечують найкращі результати в найкоротші терміни.

26 квітня 2016 року глобальна компанія з ІТ-рішень NTT DATA і RESTEC (Японський технологічний центр дистанційного зондування) оголосили про те, що їх Сервіс глобальних цифрових карт 3D, званий AW3D, є першим 5-метровим сервісом тривимірної моделі рельєфу з охопленням всієї земної кулі, включаючи Антарктиду. Сервіс працює на основі трьох мільйонів зображень, отриманих за допомогою супутників DAICHI і модернізованих супутників спостереження Землі (ALOS) з японського аерокосмічного Exploration агентства (JAXA).

У лютому 2014 року NTT DATA та RESTEC запустили послугу 3D цифрових карт з обмеженим покриттям. Ця послуга являє собою значне поліпшення в порівнянні з існуючими службами, які пропонують дозволу тільки 30 і 90 метрів. Дані NTT DATA, AW3D вже використовуються більш ніж в 60 країнах.

Терміни, визначення та скорочення

Цифрова модель рельєфу - це тривимірне зображення поверхні місцевості, створене на основі даних про висоту і представлене у вигляді растра-масштабних квадратів або трикутної нерегулярної сітки.

ЦМР USGS-растрові сітки геозначень, які збудовані в серії профілів "південь-північ". Як і інші параметри USGS, матриці спочатку створювалися у вигляді аркушів, що відповідають топографічним чотирикутникам:

• великомасштабні -7,5 / 15 хвилин;
• проміжні-30 хвилин;
• дрібномасштабні-1 градус.

Плитки для побудови цифрової моделі рельєфу доступні для безкоштовного завантаження в багатьох державних і регіональних центрах обміну інформацією.

DEM-цифрова карта рельєфу, тобто представлення поверхні Землі.

DTM-набір методів, що використовуються для отримання або представлення матриці висот.

Фільтрація матриці висот-набір методів, що застосовуються для поліпшення геоморфологічного подібності матриць.

Аналіз або параметризація місцевості - процес кількісної оцінки деталізації місцевості.

Аналіз цифрових моделей висот (DTA) використовується як загальний термін для визначення параметрів застосування.

Terrain - карти або зображення, отримані з бази даних із застосуванням DTA.

Джерела даних DEM

Топографія або рельєф-форма або конфігурація місцевості, представлена на карті контурними лініями, гіпсометричними відтінками і затіненням. В даний час існує п`ять основних джерел отримання даних для створення цифрової моделі рельєфу:

• наземні дослідження;
• Бортовий фотограмметричний збір інформації;
• існуючі Картографічні зйомки, наприклад, топографічні карти;
• повітряне лазерне сканування;
• стереоскопічні або радіолокаційні супутникові знімки.

Ці методи збору матриці порівнюють, розглядаючи чотири аспекти:

• ціна;
• точність;
• щільність відбору проб;
• вимоги до попередньої обробки.

Традиційно подібна інформація збиралася геодезистами з наземних зйомок з подальшим напівавтоматичним оцифруванням стереоплоттерами. Це найточніший, але і найдорожчий метод збору даних. Останні розробки стосуються автоматичного зіставлення стереозображень, використання зображень з лазерним скануванням, дистанційного зондування або зі стереоскопічним перекриттям (SPOT, ASTER), або за допомогою інтерферометричних фото.

Друге високоефективним сучасним методом є бортова і космічна інтерферометрична радіолокаційна система, яку застосовують для точного отримання даних як про земний покрив, так і про місцевість.

Види цифрових моделей рельєфу

Порівняння декількох поверхонь висоти можна використовувати для зіставлення трьох висот або оцінки обсягу об`єктів. Лазерне сканування застосовується для будівництва будівель, ліній електропередач, відкритих кар`єрів, текстур місцевості і навіть геометрії хвиль на морі.

Існують різні способи моделювання висоти: цифрові моделі рельєфу (ЦМР), цифрові моделі поверхні (СМП), цифрові моделі місцевості (ЦММ) і трикутні нерегулярні мережі (ТНС).

ЦМП фіксує природні та вбудовані функції на поверхні Землі та корисний у 3D-моделюванні для телекомунікацій, містобудування та авіації, оскільки об`єкти дослідження демонструються з висотою над рівнем землі.

Dem - це чиста растрова сітка, прив`язана до вертикальної системи координат. Коли розробник відфільтровує точки, такі як мости та дороги, він отримує плавну цифрову модель рельєфу місцевості. Побудовані лінії електропередач, будівель і види рослинності не включені в ЦМР. Модель контуру Чистої Землі особливо корисна в плануванні гідрології, ґрунтів та землекористування.

ЦММ має два визначення залежно від країни застосування. У деяких країнах вона фактично є синонімом DEM і означає поверхню висоти, що представляє чисту землю, прив`язану до загального вертикального елемента.

У Сполучених Штатах існує інше визначення цифрових моделей висот - це векторний набір даних, що складається з регулярно розташованих точок та природних елементів, таких як хребти та лінії розриву. Вона доповнює матрицю висот, включаючи лінійні характеристики поверхні землі.

У Росії для ЦММ застосовується ГОСТ Р 52440-2005, згідно з яким вона призначена для створення картографічної бази просторової прив`язки геоданих, одержуваних в ході виконання інженерно-вишукувальних досліджень, земельно-кадастрових робіт, межування, статистичних вивчень, інших спеціальних робіт і обстежень.

Ця модель зазвичай створюється за допомогою стереофотограмметрії. Точки розташовані на регулярній основі і характеризують форму голої місцевості. З цих регулярних і контурних ліній можна інтерполювати ЦММ в ЦМР. Вона представляє відмітна особливість земної поверхні набагато краще через тривимірних ліній розриву і регулярно розташованих тривимірних точок маси.

Триангулированная нерегулярна мережа

Для моделювання безперервної площі на основі виміряних даних точки місцевості, що лежать між вимірами, повинні бути пов`язані обчислювальними методами. Для цього окремі точки спочатку з`єднуються в трикутну поверхню, яка доступна у векторному форматі (TIN: триангульована нерегулярна мережа) шляхом інтерполяції.

При необхідності векторні дані перетворюються в растровий формат, наприклад, сітку з фіксованим розміром комірки. Для цього використовуються Різні математичні методи. Важливо протестувати моделювання, щоб вирішити, який з найбільш реалістичних вибрати для досліджуваної місцевості. Хоча деякі програми ГІС, наприклад, Arc GIS можуть обробляти TIN, інші працюють лише з растровими геомоделями. Залежно від розташування базових точок вимірювання зображуються різні макети.

Інструменти отримання даних висот

Після вибору методу для реальної поверхні місцевості вибирають інструмент отримання вимірювань. В даний час широко використовуються:

1. Безпілотний літальний апарат.
2. LiDAR-вимірює відбите світло, яке відбивається від землі і повертається до датчика, щоб отримати висоту земної поверхні.
3. Стереофотограмметрия від аерофотозйомки.
4. Мультипредставлення стерео для аерофотозйомки.
5. Налаштування блоку з оптичних супутникових зображень.
6. Інтерферометрія за радіолокаційними даними.
7. Кінематичний GPS в реальному часі.
8. Топографічні карти.
9. Теодоліт або тахеометр.
10. Доплерівський радар.

Деякі методи дистанційного зондування для отримання матриці висот:

1. Супутникова інтерферометрія-радар із синтезованою апертурою, такий як "топографічна місія Shuttle Radar", використовує два радіолокаційні зображення з антен, знятих одночасно, для створення цифрової моделі рельєфу.
2. Фотограмметрія-в аерофотозйомці в фотограмметрії застосовують фотографії, як мінімум з двох різних точок огляду. Подібно до того, як працює людський зір, воно здатне отримати глибину і перспективу завдяки окремим точкам огляду.

Інтерполяція цифрових контурних карт

Старі методи генерації dem часто включають інтерполяцію цифрових контурних карт, які могли бути отримані шляхом безпосереднього обстеження поверхні землі. Цей метод все ще використовується в гірських районах, де інтерферометрія не завжди є задовільною.

Дані контурної лінії або будь-які інші вибіркові Набори БД за допомогою GPS або наземної зйомки не є цифровою моделлю рельєфу (Дем), але можуть розглядатися, як цифрові моделі місцевості. ЦММ має на увазі, що висота постійно доступна в кожному місці району дослідження.

Якість матриці є мірою того, наскільки точна висота кожного пікселя (абсолютна точність) і наскільки точно представлена деталізація (відносна точність). Кілька факторів відіграють важливу роль для якості продуктів, отриманих на основі матриці:

• нерівності місцевості;
• щільність відбору проб;
• метод збору даних про висоту;
• роздільна здатність сітки або розмір пікселя;
• алгоритм інтерполяції;
• вертикальне дозвіл;
• алгоритм аналізу місцевості.

Довідкові 3D-продукти включають якісні маски, які дають інформацію про берегову лінію, озеро, сніговий покрив, хмари та кореляцію.

Вивчення за допомогою ГІС Global Mapper

Перший крок використовувати інструмент пошуку в Global Mapper, щоб створити точковий об`єкт за необхідною адресою-це встановлення проекції для цієї області. Потім за допомогою онлайн-інструменту даних можна підключитися до знімків у високій роздільній здатності. На сайті ГІС є ряд корисних шарів, які можна додати. Векторні дані завантажують у вигляді шейп-файлів за допомогою веб-браузера в Global Mapper простим перетягуванням файлів.

Технологія побудови цифрових моделей рельєфу:

1. Скачують DEM.zip архів даних. Розмір ZIP-архіву становить 2,5 Мб.
2. Розпаковують архів в каталог на жорсткому диску.
3. Відкривають архів DEM.zip.
4. Створюють підкаталог з ім`ям " DEM " в каталозі, в якому зберігаються дані.
5. Витягують всі файли з архіву ZIP в новий підкаталог.
6. Кінцевим результатом будуть два підкаталоги, один з яких містить 30-метрову dem, а інший-10-метрову dem.
7. Ці набори даних мають більш ранній формат розповсюдження dem USGS-висот у горизонтальних (піксельних) одиницях і репрезентативних для області, покритої аркушем топографічної карти 1:24 000.
8. Запускають Global Mapper.
9. Відкривають ЦМР, вибравши»Файл" > «Відкрити файл", потім переходять в каталог DEM_30m або DEM_10m, відкриваючи файл bushkill_pa.dem.
10. Використовують інструменти Zoom і Pan для збільшення і прокрутки по DEM.
11. Кнопка "повний перегляд" (значок будинок) оновлює оригінальний повний перегляд набору даних.
12. Щоб побачити дані матриці висот з затіненням пагорба, знаходять кнопку включення / вимикання затінення пагорба, в лівому нижньому кутку, де є сонячні промені.
13. Включають затінення пагорбів.
14. Можна змінити зовнішній вигляд макета, вибравши»інструменти"> "Налаштувати", змінивши налаштування в "вертикальних параметрах" і "Параметрах шейдера", вибрати колір з кожної кнопки «низький колір» або "високий колір" в області градієнтного шейдера.
15. Натискають кнопку»Застосувати".
16. Переходять на вкладку "вертикальні параметри" і експериментують зі слайдером "вертикальне перебільшення", натискають»застосувати".
17. Переходять до інструменту завантаження національної карти.
18. Переконуються, що поточний екстент обраний в меню над картою. Це вказує область на карті, для якої потрібно знайти дані.
19. Розгортають розділ "Elevation Products (3DEP)" в лівому меню і встановлюють прапорець поруч з будь-яким набором даних, який потрібно завантажити.
20. Натискають кнопку "Знайти продукти" і використовують посилання, представлені в результатах пошуку, щоб відобразити площу кожного набору даних на карті і завантажити бажану dem.
21. Буде створено ZIP-архів, який можна зберегти на жорсткому диску.
22. Запускають Global Mapper і переходять в папку, де збережений ZIP-архів.
23. Двічі натискають на ім`я файлу. Дані повинні відображатися-програма може читати їх навіть в стислому вигляді.
24. Зображення даних DEM має з`явитися у вікні Global Mapper.
25. Якщо DEM Bushkill все ще видно, відкривають Центр управління і знімають прапорець DEM Bushkill. Натискають кнопку»Повний вид".
26. Щоб переглянути дані DEM з пагорба затінення, знаходять Enable / Disable Hill Shading кнопку на панелі інструментів в лівому нижньому кутку.
27. Включають затінення пагорбів.
28. Можна змінити зовнішній вигляд, вибравши»інструменти"> "Налаштувати" та змінивши налаштування у "вертикальних параметрах" та»параметрах шейдера".
29. Можна переглянути метадані, пов`язані з даними макета, через меню»Інструменти" > »Центр управління". Розміри PIXEL вказані в градусах, а не в метрах.

Програмне забезпечення

Для обробки та інтерполяції точок вимірювання доступні різні комп`ютерні Програми, включаючи програмне забезпечення, спеціально адаптоване для вимірювальних приладів від виробників геодезичного обладнання (Zeiss, Leica, Wild, Sokkia, Trimble). В археологічній практиці програма AutoCAD зазвичай застосовується для обробки та перезапису реальних даних тривимірних вимірювань. Для створення контурних ліній і 3D-моделей можна придбати додаткові модулі або розширені версії. Для проектування 2.5D поверхонь, може бути використана будь-яка ГІС-програма. Крім усього іншого, дані геофізичних досліджень можна легко зчитувати та проектувати за допомогою даних вимірювань місцевості.

Контурні плани можна створити у форматі DXF. Файли експортуються в AutoCAD. Затінені або кольорові макети місцевості експортуються в різні графічні формати (TIFF, JPEG, BMP) і інтегруються в AutoCAD. Отримані моделі зазвичай представлені у растровому форматі, в якому значення висоти присвоюється комірці, визначеній кутовою координатою XY із заданою довжиною сторінки. В принципі, растрові варіанти аналогічні даним зображення, за винятком того, що замість значення кольору зберігається значення висоти.

Перетворення растрових цифрових моделей рельєфу srtm з одного формату в інший в ГІС-програмі зазвичай не є проблемою, тому якийсь конкретний формат тут не обов`язковий, тим більше, що вони часто вже зафіксовані в попередніх технічних умовах. Залежно від обраного вихідного носія вибираються різні способи відображення поверхонь місцевості.

AutoCAD файли (*.dwg) часто важко експортувати в інші векторні програми, наприклад, CorelDraw або Adobe Illustrator для подальшого редагування. Однак для включення до публікацій плани та креслення AutoCAD можна виводити як PDF-файли, перетворювати у JPEG, розширювати або змінювати за допомогою програм редагування зображень.

Область застосування методу

Точна інформація про поверхню Землі є фундаментальною у багатьох науках. Топографія контролює діапазон процесів земної кори (випаровування, потік води, рух маси, лісові пожежі), які важливі для обміну енергією між фізичною кліматичною системою в атмосфері та біогеохімічними циклами.

Екологія досліджує залежності між формами життя та навколишнє середовище, такі як грунт, вода, клімат і ландшафт. Гідрологія спирається на знання про контур землі для моделювання руху води, льодовиків та льоду. Геоморфологія описує рельєф, розпізнаючи процеси формоутворення. Кліматологія досліджує потоки температури, вологи та частинок повітря.

Ще одна область застосування ЦМР-Глобальна Класифікація земельного покриву. Точне картографування та класифікація земної поверхні в глобальному масштабі є найважливішою передумовою для масштабного моделювання геологічних процесів. В ході численних досліджень було продемонстровано, що радіолокаційні зображення придатні для документування і класифікації природної рослинності і сільськогосподарських районів.

При дистанційному зондуванні матриці висот використовуються для корекції зображень або отримання тематичної інформації щодо геометрії датчика і локального рельєфу.

Таким чином, для синергетичного застосування різних сенсорних систем ГІС використання цифрових моделей рельєфу є необхідною умовою для кодування супутникових зображень і корекції ефектів місцевості.