Digitální výškový model - Digital elevation model

Digitální model terénu ( DEM ) je počítačová grafika 3D znázornění výškových dat pro reprezentaci terénu , často na planetě , měsíc , nebo asteroidu . „Globální DEM“ označuje diskrétní globální síť . DEM se často používají v geografických informačních systémech a jsou nejběžnějším základem digitálně vytvořených reliéfních map .

Zatímco digitální model povrchu (DSM) může být užitečný pro modelování krajiny , městské modelování a vizualizační aplikace, digitální model terénu (DTM) je často vyžadován pro modelování povodní nebo odvodnění, studie využití území , geologické aplikace a další aplikace a v planetární vědě .

Terminologie

Mezi povrchy reprezentované modelem Digital Surface Model patří budovy a další objekty. Digitální modely terénu představují holý povrch.

Ve vědecké literatuře neexistuje univerzální použití pojmů digitální výškový model (DEM), digitální terénní model (DTM) a digitální povrchový model (DSM). Termín digitální povrchový model ve většině případů představuje zemský povrch a zahrnuje všechny objekty na něm. Na rozdíl od DSM představuje digitální model terénu (DTM) holý povrch země bez jakýchkoli předmětů, jako jsou rostliny a budovy (viz obrázek vpravo).

DEM se často používá jako obecný termín pro DSM a DTM, které představují pouze informace o výšce bez jakékoli další definice povrchu. Jiné definice vyrovnávají pojmy DEM a DTM, vyrovnávají pojmy DEM a DSM, definují DEM jako podmnožinu DTM, která také představuje další morfologické prvky, nebo definují DEM jako pravoúhlou mřížku a DTM jako trojrozměrný model ( DIČ ). Většina poskytovatelů dat ( USGS , ERSDAC , CGIAR , Spot Image ) používá termín DEM jako obecný termín pro DSM a DTM. Některé datové sady, jako je SRTM nebo ASTER GDEM, jsou původně DSM, ačkoli v zalesněných oblastech SRTM sahá do korun stromů a poskytuje hodnoty někde mezi DSM a DTM). Je možné odhadnout DTM z datových sad DSM s vysokým rozlišením se složitými algoritmy (Li et al. , 2005). V následujícím textu je termín DEM použit jako obecný termín pro DSM a DTM.

Typy

Výšková mapa zemského povrchu (včetně vody a ledu), vykreslená jako ekvirektangulární projekce s nadmořskými výškami označenými jako normalizovaný 8bitový odstín šedé, kde světlejší hodnoty označují vyšší nadmořskou výšku

DEM může být reprezentován jako rastr (mřížka čtverců, také známý jako heightmap při zastupování výšku) nebo jako vektor založený na trojúhelníkové nepravidelnou sítí (TIN). Datový soubor TIN DEM se také označuje jako primární (měřený) DEM, zatímco rastrový DEM se označuje jako sekundární (vypočítaný) DEM. DEM bylo možné získat pomocí technik, jako je fotogrammetrie , lidar , IfSAR nebo InSAR , zeměměřičství atd. (Li et al. 2005).

DEM se běžně vytvářejí pomocí údajů shromážděných pomocí technik dálkového průzkumu Země, ale mohou být také vytvořeny z průzkumu země.

Vykreslování

Reliéfní mapa španělské Sierry Nevady, zobrazující použití stínování a falešných barev jako vizualizačních nástrojů k označení nadmořské výšky

Samotný digitální model elevace se skládá z matice čísel, ale data z DEM jsou často vykreslována ve vizuální podobě, aby byla pro lidi srozumitelná. Tato vizualizace může být ve formě konturované topografické mapy nebo by mohla použít stínování a přiřazení falešných barev (nebo „pseudobarev“) k vykreslení výšek jako barev (například pomocí zelených pro nejnižší výšky, stínování na červenou, s bílá pro nejvyšší nadmořskou výšku.).

Vizualizace se někdy také provádějí jako šikmé pohledy a rekonstruují syntetický vizuální obraz terénu tak, jak by vypadal při pohledu dolů pod úhlem. V těchto šikmých vizualizacích jsou někdy výšky změněny pomocí „ vertikálního přehánění “, aby byly jemné výškové rozdíly znatelnější. Někteří vědci však namítají proti vertikální nadsázce jako zavádění diváka o skutečné krajině.

Výroba

Mapovači mohou připravovat digitální výškové modely několika způsoby, ale často používají dálkový průzkum Země než data přímého průzkumu .

Starší metody generování DEM často zahrnují interpolaci digitálních obrysových map, které mohly být vytvořeny přímým průzkumem povrchu země. Tato metoda se stále používá v horských oblastech, kde interferometrie není vždy uspokojivá. Všimněte si, že data vrstevnic nebo jakékoli jiné vzorkované datové sady výšek (pomocí GPS nebo pozemního průzkumu) nejsou DEM, ale mohou být považovány za digitální modely terénu. DEM znamená, že nadmořská výška je k dispozici nepřetržitě na každém místě ve studované oblasti.

Satelitní mapování

Jednou z výkonných technik pro generování digitálních výškových modelů je interferometrický radar se syntetickou aperturou, kde dva průchody radarového satelitu (například RADARSAT-1 nebo TerraSAR-X nebo Cosmo SkyMed ), nebo jeden průchod, pokud je satelit vybaven dvěma anténami (jako je SRTM instrumentation), shromážděte dostatek dat pro generování digitální výškové mapy desítky kilometrů na straně s rozlišením kolem deseti metrů. Pomocí metody korelace digitálního obrazu lze použít i jiné druhy stereoskopických párů , kde jsou získány dva optické obrazy s různými úhly pořízenými ze stejného průletu letounu nebo družice pro pozorování Země (jako je nástroj HRS SPOT5 nebo pásmo VNIR ASTER ).

SPOT 1 družice (1986), za předpokladu, první užitečné údaje o nadmořské výšce pro značnou část masy planety, za použití dvou-pass stereoskopické korelace. Později byla další data poskytnuta Evropským satelitem pro dálkové snímání (ERS, 1991) pomocí stejné metody, Shuttle Radar Topography Mission (SRTM, 2000) s použitím jednoprůchodového SAR a Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER, 2000) přístrojové vybavení na satelitu Terra pomocí dvoupásmových stereo párů.

Nástroj HRS na SPOT 5 získal více než 100 milionů kilometrů čtverečních stereo párů.

Planetární mapování

Digitální výškový model MOLA zobrazující dvě polokoule Marsu. Tento obrázek se objevil na obálce časopisu Science v květnu 1999.

Nástrojem rostoucí hodnoty v planetární vědě bylo použití orbitální altimetrie používané k vytváření digitální výškové mapy planet. Primárním nástrojem je laserová výškoměr, ale používá se také radarová výškoměr. Planetary digitální elevační mapy vytvořené pomocí laserové měření výšek patří Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) mapování Marsu se Lunar Orbital Laser Altimeter (LOLA) a Lunar výškoměru (LALT) mapování Měsíce, a Mercury Laser Altimeter (MLA) mapování Rtuť. Při planetárním mapování má každé planetární těleso jedinečný referenční povrch.

Metody pro získávání výškových dat používaných k vytváření DEM

Bez posádky Gatewing X100

Přesnost

Kvalita DEM je měřítkem toho, jak přesná je výška každého pixelu (absolutní přesnost) a jak přesně je prezentována morfologie (relativní přesnost). Hodnocení kvality DEM lze provést porovnáním DEM z různých zdrojů. Pro kvalitu produktů odvozených od DEM hraje důležitou roli několik faktorů:

  • drsnost terénu;
  • hustota vzorkování (metoda sběru dat nadmořské výšky);
  • rozlišení mřížky nebo velikost pixelu ;
  • interpolační algoritmus;
  • vertikální rozlišení;
  • algoritmus analýzy terénu;
  • Mezi referenční 3D produkty patří kvalitní masky, které poskytují informace o pobřeží, jezeře, sněhu, oblačnosti, korelaci atd.

Využití

Digital Elevation Model - Red Rocks Amphitheatre, Colorado získané pomocí UAV
Bezmiechowa 3D model 3D digitálního povrchu získaný pomocí Pteryx UAV létajícího 200 m nad kopcem
Digitální povrchový model staveniště dálniční křižovatky . Všimněte si, že tunely jsou uzavřeny.
Příklad DEM letěl s Gatewing X100 v Assenede
Generátor digitálního modelu terénu + textury (mapy) + vektory

Mezi běžné použití DEM patří:

Prameny

Globální

K dispozici je bezplatný DEM celého světa s názvem GTOPO30 ( rozlišení 30 obloukových sekund , asi 1  km podél rovníku), ale jeho kvalita je proměnlivá a v některých oblastech je velmi špatná. Mnohem kvalitnější DEM z přístroje Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) satelitu Terra je také volně dostupný pro 99% zeměkoule a představuje převýšení při rozlišení 30 metrů . Podobně vysoké rozlišení bylo dříve k dispozici pouze na území Spojených států podle údajů Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), zatímco většina zbytku planety byla pokryta pouze v rozlišení 3 obloukové sekundy (přibližně 90 metrů podél rovníku) . SRTM nepokrývá polární oblasti a má horské a pouštní oblasti bez dat (prázdné). Data SRTM, odvozená z radaru, představují nadmořskou výšku prvního odraženého povrchu-často vrcholy stromů. Data tedy nemusí nutně představovat povrch země, ale vrchol všeho, s čím se radar poprvé setká.

Údaje o výšce ponorky (známé jako batymetrie ) se generují pomocí hloubkových sond na lodi . Když se spojí topografie země a batymetrie, získá se skutečně globální model reliéfu . Datová sada SRTM30Plus (používaná v NASA World Wind ) se pokouší kombinovat GTOPO30, SRTM a batymetrická data za vzniku skutečně globálního výškového modelu. Globální model topografie a reliéfu Earth2014 poskytuje vrstvené topografické mřížky s rozlišením 1 oblouková minuta. Kromě SRTM30plus poskytuje Earth2014 informace o výškách ledových příkrovů a podloží (tj. Topografii pod ledem) nad Antarktidou a Grónskem. Dalším globálním modelem je Global Multi-Resolution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010) s rozlišením 7,5 oblouku za sekundu. Je založen na datech SRTM a kombinuje další data mimo pokrytí SRTM. Od satelitní mise TanDEM-X, která byla zahájena v červenci 2010, se očekává nový globální DEM příspěvků nižších než 12 ma výškové přesnosti menší než 2 m .

Nejběžnější rozteč mřížky (rastr) je mezi 50 a 500 metry. Například v gravimetrii může mít primární síť 50 m, ale je přepnuta na 100 nebo 500 metrů na vzdálenost asi 5 nebo 10 kilometrů.

Od roku 2002 získal nástroj HRS na SPOT 5 více než 100 milionů kilometrů čtverečních stereo párů použitých k výrobě DEM formátu DTED2 (s 30metrovým vysíláním) formátu DEM DTED2 přes 50 milionů km 2 . Radarový satelit RADARSAT-2 byl použit společností MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. k poskytování DEM pro komerční a vojenské zákazníky.

V roce 2014 budou akvizice z radarových satelitů TerraSAR-X a TanDEM-X k dispozici ve formě jednotného globálního pokrytí s rozlišením 12 metrů.

ALOS poskytuje od roku 2016 globální 1-obloukový druhý DSM zdarma a komerční 5metrový DSM/DTM.

Místní

Mnoho národních mapovacích agentur produkuje vlastní DEM, často s vyšším rozlišením a kvalitou, ale často je musí být zakoupeno a náklady jsou obvykle neúměrné pro všechny kromě veřejných orgánů a velkých korporací. DEM jsou často produktem národních programů datových sad lidar .

Pro Mars jsou k dispozici také bezplatné DEM : MEGDR, neboli Mission Experiment Gridded Data Record, z nástroje Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) společnosti Mars Global Surveyor ; a NASA Mars Digital Terrain Model (DTM).

Webové stránky

OpenTopography je webový komunitní zdroj pro přístup k topografickým datům s vysokým rozlišením orientovaným na Zemi (data lidar a DEM) a zpracovatelským nástrojům běžícím na komoditním a vysoce výkonném výpočetním systému spolu se vzdělávacími zdroji. OpenTopography sídlí v San Diego Supercomputer Center na Kalifornské univerzitě v San Diegu a je provozována ve spolupráci s kolegy ze Školy průzkumu Země a vesmíru na Arizonské státní univerzitě a UNAVCO. Základní operační podpora pro OpenTopography pochází od National Science Foundation, Division of Earth Sciences.

OpenDemSearcher je Mapclient s vizualizací regionů s bezplatnými dostupnými DEM středního a vysokého rozlišení.

STL 3D model na Měsíci 10 × zvětšení výšky vykreslen s daty z Lunar Orbiter Laser Altimeter na Lunar Reconnaissance Orbiter

Viz také

Formáty souborů DEM

Reference

Další čtení

externí odkazy

Datové produkty