stringtranslate.com

Цифровая модель рельефа

3D-рендеринг ЦМР каньона Титония на Марсе

Цифровая модель рельефа ( ЦМР ) или цифровая модель поверхности ( ЦМП ) — это трехмерное компьютерное графическое представление данных о рельефе для представления рельефа или наложенных 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 рельефа ( ЦМР ) представляет собой конкретно поверхность земли, в то время как ЦМР и ЦМП могут представлять полог верхушек деревьев или крыши зданий .

В то время как ЦМП может быть полезна для моделирования ландшафта , моделирования города и визуализации приложений, ЦМР часто требуется для моделирования наводнений или дренажа, исследований землепользования [1], геологических приложений и других приложений [2] , а также в планетарной науке .

Терминология

Поверхности, представленные цифровой моделью поверхности, включают здания и другие объекты. Цифровые модели рельефа представляют собой голую землю.

В научной литературе нет универсального использования терминов цифровая модель рельефа (ЦМР), цифровая модель рельефа (ЦМР) и цифровая модель поверхности (ЦМП). В большинстве случаев термин цифровая модель поверхности представляет собой поверхность Земли и включает все объекты на ней. В отличие от ЦМР, цифровая модель рельефа (ЦМР) 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] представляя 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 прямоугольную сетку , а DTM как трехмерную модель ( 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 полог деревьев, давая показания где-то между DSM и DTM). ЦМР создаются из наборов данных ЦМР высокого разрешения с использованием сложных алгоритмов для фильтрации зданий и других объектов, процесс, известный как «извлечение голой земли». [11] [12] В дальнейшем термин ЦМР используется как общий термин для ЦМР и ЦМР.

Типы

Карта высот поверхности Земли (включая воду и лед), представленная в виде равнопромежуточной проекции с высотами, указанными в виде нормализованных 8-битных оттенков серого, где более светлые значения указывают на большую высоту.

ЦМР может быть представлена ​​в виде растра (сетка квадратов, также известная как карта высот при представлении рельефа) или в виде векторной треугольной нерегулярной сети (TIN). [13] Набор данных TIN DEM также называется первичной (измеренной) ЦМР, тогда как растровая ЦМР называется вторичной (вычисленной) ЦМР. [14] 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, полученных с помощью методов дистанционного зондирования, но их также можно построить на основе топографической съемки.

Рендеринг

Рельефная карта Сьерра-Невады в Испании, на которой показано использование штриховки и псевдоцвета в качестве инструментов визуализации для обозначения высот

Цифровая модель рельефа сама по себе состоит из матрицы чисел, но данные из ЦМР 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 назначение ложных цветов (или «псевдоцвет») для отображения высот в виде цветов (например, используя зеленый цвет для самых низких высот, затенение до красного, с белым для самых высоких высот).

Визуализации иногда также делаются как косые виды, реконструируя синтетическое визуальное изображение местности, как она выглядит, если смотреть вниз под углом. В этих косых визуализациях высоты иногда масштабируются с использованием « вертикального преувеличения », чтобы сделать тонкие различия в высоте более заметными. [15] Некоторые ученые, [16] [17] , однако, возражают против вертикального преувеличения, поскольку оно вводит зрителя в заблуждение относительно истинного ландшафта.

Производство

Картографы могут подготавливать цифровые модели рельефа разными способами, но зачастую они используют данные дистанционного зондирования, а не данные прямой съемки .

Старые методы создания ЦМР часто включают интерполяцию цифровых контурных карт, которые могли быть получены путем прямого обследования поверхности земли. Этот метод все еще используется в горных районах, где интерферометрия не всегда удовлетворительна. Обратите внимание, что данные контурных линий или любые другие выборочные наборы данных высот (с помощью GPS или наземной съемки) не являются ЦМР, но могут считаться цифровыми моделями рельефа. ЦМР подразумевает, что высота доступна непрерывно в каждом месте в исследуемой области.

Спутниковое картографирование

Одним из эффективных методов создания цифровых моделей рельефа является интерферометрический радиолокатор с синтезированной апертурой , где два прохода радиолокационного спутника (например, RADARSAT-1 или TerraSAR-X или Cosmo SkyMed ) или один проход, если спутник оснащен двумя антеннами (например, прибор SRTM ), собирают достаточно данных для создания цифровой карты рельефа в десятки километров по стороне с разрешением около десяти метров. [18] Другие виды стереоскопических пар могут использоваться с использованием метода корреляции цифровых изображений , где два оптических изображения получаются с разными углами, взятыми из одного и того же прохода самолета или спутника наблюдения за Землей (например, прибор HRS SPOT5 или диапазон VNIR ASTER ). [19]

Спутник SPOT 1 (1986) предоставил первые пригодные для использования данные о высоте для значительной части суши планеты, используя двухпроходную стереоскопическую корреляцию. Позже дополнительные данные были предоставлены Европейским спутником дистанционного зондирования (ERS, 1991) с использованием того же метода, Миссией радиолокационной топографии Shuttle (SRTM, 2000) с использованием однопроходного SAR и аппаратурой Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER, 2000) на спутнике Terra с использованием двухпроходных стереопар. [19]

Прибор HRS на спутнике SPOT 5 собрал данные стереопар на площади более 100 миллионов квадратных километров.

Планетарное картографирование

Цифровая модель рельефа MOLA, показывающая два полушария Марса. Это изображение появилось на обложке журнала Science в мае 1999 года.

Инструментом, значение которого в планетной науке постоянно растет , стало использование орбитальной альтиметрии для создания цифровой карты высот планет. Основным инструментом для этого является лазерная альтиметрия, но также используется радиолокационная альтиметрия. [20] Планетарные цифровые карты высот, созданные с использованием лазерной альтиметрии, включают картографирование Марса с помощью лазерного альтиметра Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA), [21] картографирование Луны с помощью лазерного альтиметра Lunar Orbital Laser Altimeter (LOLA) [22] и лунного альтиметра Lunar Altimeter (LALT), а также картографирование Меркурия с помощью лазерного альтиметра Mercury Laser Altimeter (MLA). [23] В планетарном картографировании каждое планетарное тело имеет уникальную опорную поверхность. [24]

Методы получения данных о высоте, используемых для создания ЦМР

Беспилотный летательный аппарат Gatewing X100

Точность

Качество ЦМР является мерой того, насколько точна высота в каждом пикселе (абсолютная точность) и насколько точно представлена ​​морфология (относительная точность). Оценка качества ЦМР может быть выполнена путем сравнения ЦМР из разных источников. [27] Несколько факторов играют важную роль в качестве продуктов, полученных с помощью ЦМР:

Использует

Цифровая модель рельефа - амфитеатр Red Rocks, штат Колорадо, полученная с помощью БПЛА
Цифровая 3D-модель поверхности аэродрома Безмехова, полученная с помощью беспилотного летательного аппарата Pteryx, летящего на высоте 200 м над вершиной холма
Цифровая модель поверхности строительной площадки автодорожной развязки . Обратите внимание, что туннели закрыты.
Пример ЦМР, выполненный с помощью Gatewing X100 в Ассенеде
Генератор цифровой модели местности + Текстуры (Карты) + Векторы

Распространенные области применения ЦМР включают:

Источники

Глобальный

Выпущенный в начале 2022 года, FABDEM предлагает моделирование голой земли с разрешением 30 угловых секунд. Адаптированные из GLO-30, данные удаляют все леса и здания. Данные можно бесплатно загрузить в некоммерческом режиме и через веб-сайт разработчика по цене коммерческого.

Альтернативная бесплатная глобальная ЦМР называется GTOPO30 ( разрешение 30 угловых секунд , около 1  км вдоль экватора), но ее качество варьируется и в некоторых областях очень плохое. Гораздо более качественная ЦМР от усовершенствованного космического термоэмиссионного и отражательного радиометра (ASTER) спутника Terra также доступна бесплатно для 99% земного шара и представляет высоту с разрешением 30 метров . Ранее такое же высокое разрешение было доступно только для территории Соединенных Штатов по данным Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), в то время как большая часть остальной части планеты была покрыта только разрешением 3 угловых секунды (около 90 метров вдоль экватора). SRTM не охватывает полярные регионы и имеет горные и пустынные области без данных (пустые). Данные SRTM, полученные с радара, представляют высоту первой отраженной поверхности — довольно часто верхушек деревьев. Таким образом, данные не обязательно представляют поверхность земли, а вершину того, с чем впервые сталкивается радар.

Данные о подводной высоте (известные как батиметрия ) генерируются с использованием зондирований глубины, установленных на судне . При объединении топографии суши и батиметрии получается действительно глобальная модель рельефа . Набор данных SRTM30Plus (используемый в NASA World Wind ) пытается объединить данные GTOPO30, SRTM и батиметрию для создания действительно глобальной модели рельефа. [30] Глобальная топография и модель рельефа Earth2014 [31] предоставляет слоистые топографические сетки с разрешением в 1 угловую минуту. Помимо SRTM30plus, Earth2014 предоставляет информацию о высоте ледяного покрова и коренной породе (то есть топографии подо льдом) над Антарктидой и Гренландией. Другая глобальная модель — Global Multi-resolution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010) с разрешением 7,5 угловых секунд. Она основана на данных SRTM и объединяет другие данные за пределами покрытия SRTM. Ожидается, что в результате спутниковой миссии TanDEM-X , стартовавшей в июле 2010 года, будет получена новая глобальная цифровая модель рельефа с точностью размещения объектов менее 12 м и высотой менее 2 м.

Наиболее распространенный шаг сетки (растров) составляет от 50 до 500 метров. Например, в гравиметрии первичная сетка может быть 50 м, но переключается на 100 или 500 метров на расстояниях около 5 или 10 километров.

С 2002 года инструмент HRS на SPOT 5 получил более 100 миллионов квадратных километров стереопар, используемых для создания формата DTED2 DEM (с 30-метровым размещением) формата DEM DTED2 площадью более 50 миллионов км2 . [ 32] Радарный спутник RADARSAT-2 использовался MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. для предоставления DEM коммерческим и военным клиентам. [33]

В 2014 году данные с радиолокационных спутников TerraSAR-X и TanDEM-X будут доступны в виде равномерного глобального покрытия с разрешением 12 метров. [34]

С 2016 года ALOS предоставляет бесплатно глобальную 1-угловую DSM-карту [35] и коммерческую 5-метровую DSM/DTM. [36]

Местный

Многие национальные картографические агентства выпускают собственные ЦМР, часто более высокого разрешения и качества, но зачастую их приходится покупать, а стоимость обычно неподъемна для всех, кроме государственных органов и крупных корпораций. ЦМР часто являются продуктом национальных программ по набору данных лидара .

Бесплатные ЦМР также доступны для Марса : MEGDR, или запись сеточных данных эксперимента миссии, с прибора лазерного высотомера Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) космического аппарата Mars Global Surveyor ; и цифровая модель рельефа Марса (DTM) NASA. [37]

Веб-сайты

OpenTopography [38] — это веб-ресурс сообщества для доступа к топографическим данным высокого разрешения, ориентированным на науку о Земле (данные лидара и ЦМР), а также к инструментам обработки, работающим на обычных и высокопроизводительных вычислительных системах вместе с образовательными ресурсами. [39] OpenTopography базируется в Суперкомпьютерном центре Сан-Диего [40] в Калифорнийском университете в Сан-Диего и работает в сотрудничестве с коллегами из Школы исследования Земли и космоса в Университете штата Аризона и UNAVCO. [41] Основная операционная поддержка OpenTopography осуществляется Национальным научным фондом, Отделом наук о Земле.

OpenDemSearcher — это картографический клиент с визуализацией регионов с помощью бесплатных цифровых моделей рельефа среднего и высокого разрешения. [42]

Модель Луны в формате STL 3D с 10-кратным увеличением высоты, созданная с использованием данных лазерного высотомера Lunar Orbiter Laser Altimeter Lunar Reconnaissance Orbiter

Смотрите также

Форматы файлов ЦМР

Ссылки

  1. ^ И. Баленович, Х. Марьянович, Д. Вулетич и др. Оценка качества цифровой модели поверхности высокой плотности для различных классов земельного покрова. PERIODICUM BIOLOGORUM. ТОМ 117, № 4, 459–470, 2015.
  2. ^ "Приложение A – Глоссарий и сокращения" (PDF) . План управления наводнениями в водосборе приливных притоков реки Северн – этап обзора . Великобритания: Агентство по охране окружающей среды . Архивировано из оригинала (PDF) 2007-07-10.
  3. ^ "Intermap Digital Surface Model: точные, бесшовные, широкомасштабные модели поверхности". Архивировано из оригинала 28.09.2011.
  4. ^ Ли, З., Чжу, К. и Голд, К. (2005), Цифровое моделирование рельефа: принципы и методология, CRC Press, Бока-Ратон, Флорида.
  5. ^ Хирт, К. (2014). «Цифровые модели рельефа». Энциклопедия геодезии . С. 1–6. doi :10.1007/978-3-319-02370-0_31-1. ISBN 978-3-319-01868-3. Получено 10 февраля 2016 г. .
  6. ^ Пекхэм, Роберт Джозеф; Джордан, Джиозо (ред.) (2007): Разработка и применение в среде поддержки политики. Серия: Конспект лекций по геоинформатике и картографии. Гейдельберг.
  7. ^ Подобникар, Томаз (2008). «Методы визуальной оценки качества цифровой модели рельефа». SAPIEN.S . 1 (2).
  8. ^ Адриан В. Грэм, Николас К. Киркман, Питер М. Пол (2007): Проектирование сетей мобильной радиосвязи в диапазонах VHF и UHF: практический подход. Западный Суссекс.
  9. ^ "Стандарт DIN 18709-1". Архивировано из оригинала 2011-01-11.
  10. ^ "Landslide Glossary USGS". Архивировано из оригинала 2011-05-16.
  11. ^ Ли, З., Чжу, К. и Голд, К. (2005), Цифровое моделирование рельефа: принципы и методология, CRC Press, Бока-Ратон, Флорида.
  12. ^ «Понимание цифровых моделей поверхности, цифровых моделей рельефа и цифровых моделей рельефа: всеобъемлющее руководство по цифровым моделям поверхности Земли». FlyGuys . Получено 7 сентября 2023 г. .
  13. ^ Демерс, Майкл (2002). Моделирование ГИС в растре . Wiley. ISBN 978-0-471-31965-8.
  14. ^ RONALD TOPPE (1987): Модели рельефа — инструмент для картирования природных опасностей Архивировано 29 июля 2020 г. в Wayback Machine . В: Формирование, движение и эффекты лавин (Труды симпозиума в Давосе, сентябрь 1986 г.). Издание IAHS № 162,1987
  15. ^ Создание 3D-карт местности, затененный рельеф . Получено 11 марта 2019 г.
  16. ↑ 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. Получено 11 марта 2019 г.
  17. ↑ Роберт Симмон. «Элегантные фигуры. Чего не следует делать: вертикальное преувеличение», NASA Earth Observatory, 5 ноября 2010 г. Получено 11 марта 2019 г.
  18. ^ "WorldDEM(TM): Airbus Defence and Space". www.intelligence-airbusds.com . Архивировано из оригинала 2018-06-04 . Получено 2018-01-05 .
  19. ^ ab Николакопулос, КГ; Камаратакис, Э. К; Хрисулакис, Н. (10 ноября 2006 г.). "SRTM vs ASTER altitude products. Comparison for two regions in Crete, Greece" (PDF) . International Journal of Remote Sensing . 27 (21): 4819–4838. Bibcode :2006IJRS...27.4819N. doi :10.1080/01431160600835853. ISSN  0143-1161. S2CID  1939968. Архивировано из оригинала (PDF) 21 июля 2011 г. . Получено 22 июня 2010 г. .
  20. ^ Харгитай, Хенрик; Виллнер, Конрад; Бухройтнер, Манфред (2019), Харгитай, Хенрик (ред.), «Методы планетарного топографического картографирования: обзор», Планетарная картография и ГИС , Конспект лекций по геоинформатике и картографии, Springer International Publishing, стр. 147–174, doi :10.1007/978-3-319-62849-3_6, ISBN 978-3-319-62848-6, S2CID  133855780
  21. ↑ Брюс Банердт, Орбитальный лазерный высотомер, Марсианские хроники, том 1 , № 3, НАСА. Получено 11 марта 2019 г.
  22. ^ NASA, LOLA. Получено 11 марта 2019 г.
  23. ^ Джон Ф. Кавано и др., «Ртутный лазерный высотомер для миссии MESSENGER», Space Sci Rev , DOI 10.1007/s11214-007-9273-4, 24 августа 2007 г. Получено 11 марта 2019 г.
  24. ^ Харгитай, Хенрик; Виллнер, Конрад; Хэр, Трент (2019), Харгитай, Хенрик (ред.), «Фундаментальные основы планетарного картографирования: обзор», Планетарная картография и ГИС , Конспект лекций по геоинформатике и картографии, Springer International Publishing, стр. 75–101, doi :10.1007/978-3-319-62849-3_4, ISBN 978-3-319-62848-6, S2CID  133867607
  25. ^ ab Campbell, DMH; White, B.; Arp, PA (2013-11-01). «Моделирование и картирование сопротивления почвы проникновению и образованию колеи с использованием цифровых данных рельефа, полученных с помощью LiDAR». Журнал Soil and Water Conservation . 68 (6): 460–473. doi : 10.2489/jswc.68.6.460 . ISSN  0022-4561.
  26. ^ Джеймс, MR; Робсон, S. (2012). "Простая реконструкция трехмерных поверхностей и топографии с помощью камеры: точность и применение в геонауках" (PDF) . Журнал геофизических исследований: Поверхность Земли . 117 (F3): n/a. Bibcode :2012JGRF..117.3017J. doi : 10.1029/2011JF002289 .
  27. ^ Szypuła, Bartłomiej (1 января 2019 г.). «Оценка качества ЦМР, полученной из топографических карт для геоморфометрических целей». Open Geosciences . 11 (1): 843–865. Bibcode :2019OGeo...11...66S. doi :10.1515/geo-2019-0066. hdl : 20.500.12128/11742 . ISSN  2391-5447. S2CID  208868204.
  28. ^ Адамс, Аарон (2019). Сравнительная оценка удобства использования 3D-печатных моделей местности дополненной реальности и 2D-топографических карт. NMSU . Получено 11 марта 2022 г. – через ProQuest.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  29. ^ "И. Баленович, А. Селеткович, Р. Пернар, А. Язбек. Оценка средней высоты деревьев лесных насаждений методом фотограмметрических измерений с использованием цифровых аэрофотоснимков высокого пространственного разрешения. АННАЛЫ ЛЕСНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. 58(1), С. 125-143, 2015".
  30. ^ «Доклад Мартина Гамаша о бесплатных источниках глобальных данных» (PDF) .
  31. ^ Hirt, C.; Rexer, M. (2015). "Earth2014: 1 arc-min shape, topography, bedrock and ice-sheet models - available as gridded data and degree-10,800 harmonics" (PDF) . International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation . 39 : 103–112. Bibcode :2015IJAEO..39..103H. doi :10.1016/j.jag.2015.03.001. hdl : 20.500.11937/25468 . Получено 20 февраля 2016 г. .
  32. ^ "GEO Elevation Services: Airbus Defence and Space". www.astrium-geo.com . Архивировано из оригинала 2014-06-26 . Получено 2012-01-11 .
  33. ^ "International - Geospatial". gs.mdacorporation.com . Архивировано из оригинала 2016-03-04 . Получено 2012-02-02 .
  34. ^ "TerraSAR-X: Airbus Defence and Space". www.astrium-geo.com . Архивировано из оригинала 2014-08-12 . Получено 2012-01-11 .
  35. ^ "ALOS World 3D - 30m". www.eorc.jaxa.jp . Архивировано из оригинала 2020-05-04 . Получено 2017-09-09 .
  36. ^ "ALOS World 3D". www.aw3d.jp .
  37. ^ "Базовое руководство по использованию цифровых моделей рельефа с Terragen". Архивировано из оригинала 2007-05-19.
  38. ^ "OpenTopography". www.opentopography.org .
  39. ^ «О OpenTopography».
  40. ^ "Суперкомпьютерный центр Сан-Диего". www.sdsc.edu . Получено 16 августа 2018 г.
  41. ^ "Главная | UNAVCO". www.unavco.org . Получено 2018-08-16 .
  42. ^ OpenDemSearcher

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Данные продукты