Цифровая модель рельефа ( DEM ) или цифровая модель поверхности ( DSM ) — это трехмерное компьютерное графическое представление данных о высоте для представления местности или накладывающихся объектов, обычно планеты , луны или астероида . «Глобальная ЦМР» относится к дискретной глобальной сетке . ЦМР часто используются в географических информационных системах (ГИС) и являются наиболее распространенной основой для цифровых карт рельефа . Цифровая модель местности ( DTM ) представляет собой поверхность земли, тогда как DEM и DSM могут представлять кроны верхушек деревьев или крыши зданий .
Хотя DSM может быть полезен для ландшафтного моделирования , моделирования городов и приложений визуализации, DTM часто требуется для моделирования наводнений или дренажа, исследований землепользования , [1] геологических приложений и других приложений, [2] и в планетарной науке .
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 собой земную поверхность и включает все находящиеся на ней объекты. В отличие от DSM, цифровая модель местности (ЦММ) 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 дальнейшего 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. Некоторые наборы данных, такие как SRTM или ASTER GDEM , изначально являются DSM, хотя в лесных районах SRTM проникает в крону дерева, давая показания где-то между DSM и DTM). ЦММ создаются на основе наборов данных DSM с высоким разрешением с использованием сложных алгоритмов фильтрации зданий и других объектов - процесс, известный как «извлечение голой земли». [11] [12] Далее термин DEM используется как общий термин для DSM и DTM.
ЦМР может быть представлена в виде растра (сетка квадратов, также известная как карта высот при представлении высот) или в виде векторной треугольной нерегулярной сети (TIN). [13] Набор данных TIN DEM также называется первичной (измеренной) DEM, тогда как растровая DEM называется вторичной (вычисленной) DEM. [14] ЦМР можно получить 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 помощью методов дистанционного зондирования, но они также могут быть построены на основе топографической съемки.
Сама цифровая модель рельефа состоит из матрицы чисел, но данные ЦМР часто представляются в визуальной форме, чтобы сделать их понятными для людей. Эта визуализация может иметь форму контурной топографической карты или может использовать затенение и присвоение ложного цвета (или «псевдоцвет») для визуализации высот в виде цветов (например, использование зеленого цвета для самых низких высот, затенение красного цвета с белый для самой высокой точки.).
Визуализации иногда также выполняются в виде косых проекций, реконструирующих синтетический визуальный образ местности, каким он выглядит при взгляде вниз под углом. В этих наклонных визуализациях высоты иногда масштабируются с использованием « вертикального преувеличения », чтобы сделать небольшие различия высот более заметными. [15] Некоторые учёные, [16] [17] однако, возражают против вертикального преувеличения, поскольку оно вводит зрителя в заблуждение относительно истинного ландшафта.
Картографы могут готовить цифровые модели рельефа разными способами, но они часто используют дистанционное зондирование , а не данные прямых исследований .
Старые методы создания ЦМР часто включают интерполяцию цифровых контурных карт, которые могли быть созданы путем прямой съемки поверхности земли. Этот метод до сих пор используется в горных районах, где интерферометрия не всегда дает удовлетворительные результаты. Обратите внимание, что данные контурных линий или любые другие выборочные наборы данных о высоте (по данным GPS или наземной съемки) не являются ЦМР, а могут считаться цифровыми моделями местности. ЦМР подразумевает, что высота доступна постоянно в каждом месте исследуемой территории.
Одним из мощных методов создания цифровых моделей рельефа является интерферометрический радар с синтезированной апертурой , при котором два прохода радиолокационного спутника (например, RADARSAT-1 или TerraSAR-X или Cosmo SkyMed ) или один проход, если спутник оснащен двумя антеннами (например, Приборы SRTM ) соберут достаточно данных для создания цифровой карты высот на десятки километров по сторонам с разрешением около десяти метров. [18] Другие виды стереоскопических пар можно использовать с использованием метода корреляции цифровых изображений , при котором два оптических изображения получаются под разными углами, снятыми в ходе одного и того же пролета самолета или спутника наблюдения Земли (например, прибора HRS SPOT5 или ВНИР- диапазон ASTER ). [19]
Спутник SPOT 1 (1986 г.) предоставил первые пригодные для использования данные о высоте значительной части суши планеты с использованием двухпроходной стереоскопической корреляции. Позже дополнительные данные были предоставлены Европейским спутником дистанционного зондирования (ERS, 1991 г.) с использованием того же метода, миссией по радиолокационной топографии "Шаттл" (SRTM, 2000 г.) с использованием однопроходного РСА и усовершенствованным космическим радиометром теплового излучения и отражения (ASTER, 2000) аппаратура на спутнике Терра с использованием двухпроходных стереопар. [19]
Инструмент HRS на SPOT 5 собрал более 100 миллионов квадратных километров стереопар.
Инструментом, приобретающим все большее значение в планетологии, становится использование орбитальной альтиметрии, используемой для создания цифровых карт высот планет. Основным инструментом для этого является лазерная альтиметрия , но также используется радиолокационная альтиметрия. [20] Цифровые карты рельефа планет, созданные с использованием лазерной альтиметрии, включают карты Марса с помощью лазерного альтиметра Mars Orbiter (MOLA), [21] карты Луны с помощью лунного орбитального лазерного альтиметра (LOLA) [22] и лунного альтиметра (LALT), а также картирование Меркурия с помощью ртутного лазерного альтиметра (MLA). [23] В планетарном картографировании каждое планетарное тело имеет уникальную опорную поверхность. [24]
Качество ЦМР является мерой того, насколько точна высота каждого пикселя (абсолютная точность) и насколько точно представлена морфология (относительная точность). Оценку качества ЦМР можно выполнить путем сравнения ЦМР из разных источников. [27] На качество продукции, полученной на основе DEM, важную роль играют несколько факторов:
Обычное использование ЦМР включает:
Выпущенный в начале 2022 года, FABDEM предлагает моделирование земной поверхности с разрешением 30 угловых секунд. Из данных, адаптированных из GLO-30, удалены все леса и здания. Данные можно загрузить бесплатно в некоммерческих целях и через веб-сайт разработчика по коммерческой цене.
Альтернативная бесплатная глобальная ЦМР называется GTOPO30 ( разрешение 30 угловых секунд , около 1 км вдоль экватора) доступна, но ее качество варьируется, а в некоторых областях оно очень плохое. ЦМР гораздо более высокого качества, полученные с помощью усовершенствованного космического радиометра теплового излучения и отражения (ASTER) спутника Терра , также бесплатно доступны для 99% территории земного шара и отображают высоту с разрешением 30 метров . Столь же высокое разрешение ранее было доступно только для территории Соединенных Штатов по данным миссии Shuttle Radar Topography Mission (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 имеет горные и пустынные области, данные о которых отсутствуют (пустые). Данные SRTM, полученные с помощью радара, представляют собой высоту первой отраженной поверхности — нередко вершин деревьев. Таким образом, данные не обязательно отражают поверхность земли, а представляют собой верхнюю часть того, что впервые попадает в поле зрения радара.
Данные о высоте подводных лодок (известные как батиметрия ) генерируются с помощью зондирования глубины с борта судна . При объединении топографии суши и батиметрии получается поистине 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. [30] Глобальная модель топографии и рельефа Earth2014 [31] предоставляет слоистые топографические сетки с разрешением в 1 угловую минуту. Помимо SRTM30plus, Earth2014 предоставляет информацию о высоте ледяного покрова и коренных породах (то есть топографии подо льдом) над Антарктидой и Гренландией. Еще одна глобальная модель — это Глобальные данные о высоте местности в множественном разрешении 2010 (GMTED2010) с разрешением 7,5 угловых секунд. Он основан на данных SRTM и объединяет другие данные, находящиеся за пределами покрытия SRTM. В результате спутниковой миссии TanDEM-X , стартовавшей в июле 2010 года, ожидается новая глобальная цифровая высотная цифра (DEM) с координатами менее 12 м и точностью высоты менее 2 м .
Наиболее распространенный шаг сетки (растра) составляет от 50 до 500 метров. Например, в гравиметрии основная сетка может составлять 50 м, но ее переключают на 100 или 500 метров на расстояниях около 5 или 10 километров.
С 2002 года прибором HRS на SPOT 5 было получено более 100 миллионов квадратных километров стереопар, используемых для создания DEM формата DTED2 (с 30-метровой проводкой) DEM формата DTED2 на площади более 50 миллионов км 2 . [32] Радарный спутник RADARSAT-2 использовался компанией MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. для предоставления DEM коммерческим и военным заказчикам. [33]
В 2014 году данные с радиолокационных спутников TerraSAR-X и TanDEM-X будут доступны в виде единого глобального покрытия с разрешением 12 метров. [34]
С 2016 года ALOS бесплатно предоставляет глобальную DSM с точностью до 1 дуги и секунды [35] и коммерческую 5-метровую DSM/DTM. [36]
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 лидарных данных .
Для Марса также доступны бесплатные ЦМР : MEGDR, или запись данных в координатной сетке эксперимента миссии, от прибора Mars Global Surveyor 's Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA); и Цифровая модель местности Марса (DTM) НАСА. [37]
OpenTopography [38] — это веб-ресурс сообщества для доступа к топографическим данным высокого разрешения, ориентированным на науку о Земле (данные лидара и DEM), а также к инструментам обработки, работающим на обычных и высокопроизводительных вычислительных системах, а также к образовательным ресурсам. [39] OpenTopography базируется в Суперкомпьютерном центре Сан-Диего [40] Калифорнийского университета в Сан-Диего и работает в сотрудничестве с коллегами из Школы исследования Земли и космоса Университета штата Аризона и UNAVCO. [41] Основная оперативная поддержка OpenTopography осуществляется Национальным научным фондом, Отделом наук о Земле.
OpenDemSearcher — это Mapclient с визуализацией регионов с бесплатными ЦМР среднего и высокого разрешения. [42]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )