stringtranslate.com

Цифровая модель рельефа

3D-рендеринг ЦМР Титониевой каземы на Марсе

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 .

Терминология

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

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.

Типы

Карта высот поверхности Земли (включая воду и лед), представленная в виде равноугольной проекции с высотами, указанными в виде нормализованной 8-битной шкалы 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 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.

Рендеринг

Рельефная карта Сьерра-Невады в Испании, показывающая использование штриховок и искусственных цветов в качестве инструментов визуализации для обозначения высоты.

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.

Производство

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.

Спутниковое картографирование

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.

Планетарное картографирование

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

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]

Методы получения данных о высоте, используемых для создания ЦМР.

Беспилотный летательный аппарат Gatewing X100

Точность

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:

Использование

Цифровая модель рельефа - амфитеатр Ред-Рокс, Колорадо, полученная с помощью БПЛА.
Цифровая 3D-модель поверхности аэродрома Безмехова, полученная с помощью БПЛА Pteryx , летящего на высоте 200 м над вершиной холма.
Цифровая модель поверхности строительной площадки транспортной развязки . Обратите внимание, что туннели закрыты.
Пример полета DEM на Gatewing X100 в Ассенеде
Генератор цифровых моделей местности + текстуры (карты) + векторы

Обычное использование ЦМР включает:

Источники

Глобальный

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]

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 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]

Веб-сайты

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]

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

Смотрите также

Форматы файлов DEM

Рекомендации

  1. ^ И. Баленович, Х. Марьянович, Д. Вулетич и др. Оценка качества цифровой модели поверхности высокой плотности для различных классов земного покрова. ПЕРИОДИКУМ БИОЛОГОРУМ. ОБЪЕМ. 117, № 4, 459–470, 2015.
  2. ^ «Приложение A – Глоссарий и сокращения» (PDF) . План управления паводками в водосборном бассейне приливных притоков Северн – этап определения объема работ . Великобритания: Агентство по охране окружающей среды . Архивировано из оригинала (PDF) 10 июля 2007 г.
  3. ^ «Цифровая модель поверхности Intermap: точные, бесшовные модели поверхности большой площади» . Архивировано из оригинала 28 сентября 2011 г.
  4. ^ Ли З., Чжу К. и Голд К. (2005), Цифровое моделирование местности: принципы и методология, CRC Press, Бока-Ратон, Флорида.
  5. ^ Хирт, К. (2014). «Цифровые модели местности». Энциклопедия геодезии . стр. 1–6. дои : 10.1007/978-3-319-02370-0_31-1. ISBN 978-3-319-01868-3. Проверено 10 февраля 2016 г.
  6. ^ Пекхэм, Роберт Джозеф; Джордан, Гёзо (ред.) (2007 г.): Серия «Разработка и применение в среде поддержки политики: конспекты лекций по геоинформации и картографии». Гейдельберг.
  7. ^ Подобникар, Томаз (2008). «Методы визуальной оценки качества цифровой модели местности». САПИЕН.С . 1 (2).
  8. ^ Адриан В. Грэм, Николас К. Киркман, Питер М. Пол (2007): Проектирование сети мобильной радиосвязи в диапазонах ОВЧ и УВЧ: практический подход. Западный Суссекс.
  9. ^ "Стандарт DIN 18709-1" . Архивировано из оригинала 11 января 2011 г.
  10. ^ "Глоссарий Геологической службы США по оползням" . Архивировано из оригинала 16 мая 2011 г.
  11. ^ Ли З., Чжу К. и Голд К. (2005), Цифровое моделирование местности: принципы и методология, CRC Press, Бока-Ратон, Флорида.
  12. ^ «Понимание цифровых моделей поверхности, цифровых моделей местности и цифровых моделей рельефа: полное руководство по цифровым моделям земной поверхности» . FlyGuys . Проверено 7 сентября 2023 г.
  13. ^ ДеМерс, Майкл (2002). ГИС-моделирование в растре . Уайли. ISBN 978-0-471-31965-8.
  14. ^ РОНАЛЬД ТОППЕ (1987): Модели местности — инструмент для картирования стихийных бедствий. Архивировано 29 июля 2020 г. в Wayback Machine . В: Формирование, движение и последствия лавин (Материалы Давосского симпозиума, сентябрь 1986 г.). Издательство ИАГС. нет. 162,1987
  15. ^ Создание 3D-карт местности, затененный рельеф . Проверено 11 марта 2019 г.
  16. ^ Дэвид Моррисон, «Организует «Общество Плоской Венеры», EOS, Том 73 , Выпуск 9, Американский геофизический союз, 3 марта 1992 г., стр. 99. https://doi.org/10.1029/91EO00076. Проверено 11 марта 2019 г.
  17. ^ Роберт Симмон. «Элегантные фигуры, чего не следует делать: вертикальное преувеличение», Обсерватория Земли НАСА, 5 ноября 2010 г. Проверено 11 марта 2019 г.
  18. ^ «WorldDEM (TM): Airbus Defense and Space» . www.intelligence-airbusds.com . Архивировано из оригинала 4 июня 2018 г. Проверено 5 января 2018 г.
  19. ^ аб Николакопулос, КГ; Камаратакис, Э.К.; Хрисулакис, Н. (10 ноября 2006 г.). «Продукты высоты SRTM и ASTER. Сравнение двух регионов Крита, Греция» (PDF) . Международный журнал дистанционного зондирования . 27 (21): 4819–4838. Бибкод : 2006IJRS...27.4819N. дои : 10.1080/01431160600835853. ISSN  0143-1161. S2CID  1939968. Архивировано из оригинала (PDF) 21 июля 2011 года . Проверено 22 июня 2010 г.
  20. ^ Харгитай, Хенрик; Виллнер, Конрад; Бухройтнер, Манфред (2019), Харгитай, Хенрик (редактор), «Методы планетарного топографического картографирования: обзор», Планетарная картография и ГИС , Конспекты лекций по геоинформации 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 альтиметр, Марсианские хроники, Том 1 , № 3, НАСА. Проверено 11 марта 2019 г.
  22. ^ НАСА, ЛОЛА. Проверено 11 марта 2019 г.
  23. ^ Джон Ф. Кавано и др., «Лазерный высотомер Меркурия для миссии MESSENGER», Space Sci Rev , DOI 10.1007/s11214-007-9273-4, 24 августа 2007 г. Проверено 11 марта 2019 г.
  24. ^ Харгитай, Хенрик; Виллнер, Конрад; Хэйр, Трент (2019), Харгитай, Хенрик (редактор), «Фундаментальные основы планетарного картографирования: обзор», Планетарная картография и ГИС , Конспекты лекций по геоинформации 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. ^ аб Кэмпбелл, DMH; Уайт, Б.; Арп, Пенсильвания (1 ноября 2013 г.). «Моделирование и картирование сопротивления почвы проникновению и образованию колеи с использованием цифровых данных о высоте, полученных с помощью LiDAR». Журнал охраны почвы и воды . 68 (6): 460–473. дои : 10.2489/jswc.68.6.460 . ISSN  0022-4561.
  26. ^ Джеймс, MR; Робсон, С. (2012). «Простая реконструкция трехмерных поверхностей и топографии с помощью камеры: точность и применение в геолого-геофизических исследованиях» (PDF) . Журнал геофизических исследований: Поверхность Земли . 117 (F3): нет данных. Бибкод : 2012JGRF..117.3017J. дои : 10.1029/2011JF002289 .
  27. ↑ Шипула, Бартломей (1 января 2019 г.). «Оценка качества ЦМР, полученных на основе топографических карт для геоморфометрических целей». Открытые геологические науки . 11 (1): 843–865. Бибкод : 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 трехмерных печатных моделей местности в дополненной реальности и двумерных топографических карт. НМГУ . Проверено 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 древостоев методом фотограмметрических измерений с использованием цифровых аэрофотоснимков высокого пространственного разрешения. АННАЛЫ ЛЕСНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. 58 (1), С. 125-143, 2015».
  30. ^ «Доклад Мартина Гамаша о свободных источниках глобальных данных» (PDF) .
  31. ^ Хирт, К.; Рексер, М. (2015). «Земля 2014: модели формы, топографии, коренных пород и ледяного покрова с точностью до 1 угловой минуты - доступны в виде данных с координатной сеткой и сферических гармоник - 10 800 градусов» (PDF) . Международный журнал прикладного наблюдения Земли и геоинформации . 39 : 103–112. Бибкод : 2015IJAEO..39..103H. дои : 10.1016/j.jag.2015.03.001. hdl : 20.500.11937/25468 . Проверено 20 февраля 2016 г.
  32. ^ "GEO Elevation Services: Airbus Defense and Space" . www.astrium-geo.com . Архивировано из оригинала 26 июня 2014 г. Проверено 11 января 2012 г.
  33. ^ "Международный - Геопространственный". gs.mdacorporation.com . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 2 февраля 2012 г.
  34. ^ «TerraSAR-X: Оборона и космос Airbus». www.astrium-geo.com . Архивировано из оригинала 12 августа 2014 г. Проверено 11 января 2012 г.
  35. ^ "ALOS World 3D - 30 м" . www.eorc.jaxa.jp. _ Архивировано из оригинала 4 мая 2020 г. Проверено 9 сентября 2017 г.
  36. ^ "Мир АЛОС 3D" . www.aw3d.jp. _
  37. ^ «Базовое руководство по использованию цифровых моделей рельефа с Terragen». Архивировано из оригинала 19 мая 2007 г.
  38. ^ "Открытая топография". www.opentopography.org .
  39. ^ «О OpenTopography».
  40. ^ "Суперкомпьютерный центр Сан-Диего". www.sdsc.edu . Проверено 16 августа 2018 г.
  41. ^ "Домой | UNAVCO" . www.unavco.org . Проверено 16 августа 2018 г.
  42. ^ OpenDemSearcher

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Продукты данных