Modelul digital de elevație: descriere, tipuri, vederi, construcție

Un model digital de elevație (DEM) este o bază de date specializată care arată forma suprafeței între punctele de la un anumit nivel, compilată prin interpolarea datelor de elevație din surse de ridicare a terenului și colectare fotogrammetrică pe un model de grilă dreptunghiulară. Software-ul GIS utilizează tehnologii digitale pentru vizualizare 3D, crearea de contururi și analiza suprafețelor.

Istoria dezvoltării și prezent

Termenul DEM a fost inventat în anii 1970 pentru a distinge cea mai simplă formă de modelare a terenului de tipurile mai complexe de reprezentare electronică a suprafețelor. Inițial, a fost folosit exclusiv pentru reprezentări raster: valori de elevație definite la nodurile de intersecție ale unei rețele regulate. Anterior, construirea unui model digital al terenului putea dura până la câteva luni.

În prezent, dronele moderne sunt capabile să colecteze datele necesare, să le analizeze până la ultimul detaliu și să construiască aspectul vizual într-un interval de timp mai realist și mai eficient. Chiar și cele mai inaccesibile zone vaste ale Pământului pot fi acum vizualizate și transformate într-un model cu ajutorul vehiculelor aeriene fără pilot (UAV), cu ajutorul unor echipamente de ultimă generație.

Diferite tipuri de radare, camere video și alte instrumente pot fi atașate la drone pentru a colecta informațiile necesare pentru un anumit model digital de elevație. Această tehnologie de ultimă generație combinată cu cel mai rapid software asigură cele mai bune rezultate în cel mai scurt timp posibil.

La 26 aprilie 2016, compania globală de soluții IT NTT DATA și RESTEC (Japan Remote Sensing Technology Centre) au anunțat că serviciul lor global de hărți digitale 3D, denumit AW3D, este primul serviciu de modele 3D de 5 m care acoperă întregul glob, inclusiv Antarctica. Serviciul este alimentat de trei milioane de imagini de la sateliții DAICHI și de la sateliții modernizați de observare a Pământului (ALOS) ai Agenției japoneze de explorare aerospațială (JAXA).

În februarie 2014, NTT DATA și RESTEC au lansat un serviciu de hărți digitale 3D cu acoperire limitată. Serviciul reprezintă o îmbunătățire semnificativă față de serviciile existente, care oferă doar rezoluții de 30 și 90 de metri. NTT DATA, datele AW3D sunt deja utilizate în peste 60 de țări.

Termeni, definiții și abrevieri

Un model digital de elevație este o imagine tridimensională a suprafeței unui teren, creată din date de elevație și reprezentată sub formă de raster - pătrate la scară sau o grilă neregulată triunghiulară.

DEM-urile USGS sunt grile rasterizate de geo-referințe care sunt dispuse într-o serie de profile "sud-nord ". La fel ca și alte DEM-uri USGS, DEM-urile au fost create inițial sub formă de foi care corespund unor cvadrangluri topografice:

• pe scară largă -7,5 /15 minute;
• intermediar - 30 de minute;
• scară fină - 1 grad.

Modelele digitale de elevație sunt disponibile pentru descărcare gratuită de la multe centre de compensare de stat și regionale.

DEM - hartă digitală de elevație, adică o reprezentare a suprafeței Pământului.

DTM - set de metode utilizate pentru a obține sau reprezenta un DEM.

filtrarea DEM - un set de metode utilizate pentru a îmbunătăți similitudinea geomorfologică a DEM-urilor.

Analiza sau parametrizarea terenului - procesul de cuantificare a detaliilor terenului.

Analiza modelului digital de elevație (DTA) este folosită ca termen general pentru parametrii de aplicare.

Teren - hărți sau imagini obținute din baza de date cu ajutorul DTA.

Surse de date DEM

Topografie sau relief - forma sau configurația terenului reprezentată pe hartă prin curbe de nivel, umbrire hipsometrică și umbrire. În prezent, există cinci surse principale de date pentru producerea unui model digital de elevație:

• studii la sol;
• Colectarea fotogrammetrică a informațiilor la bordul navei;
• studii cartografice existente, de exemplu hărți topografice;
• Scanare laser aeropurtată;
• Imagini stereoscopice sau radar din satelit.

Aceste metode de colectare a matricei sunt comparate prin examinarea a patru aspecte:

• preț;
• precizie;
• densitatea de eșantionare;
• cerințe de preprocesare.

În mod tradițional, astfel de informații erau colectate de către topografi prin ridicări la sol, urmate de o digitizare semiautomată cu ajutorul unor plottere stereo. Este cea mai precisă, dar și cea mai scumpă metodă de achiziție a datelor. Evoluțiile recente includ potrivirea automată a imaginilor stereo, utilizarea imaginilor de scanare cu laser, teledetecția cu suprapunere stereoscopică (SPOT, ASTER) sau fotografii interferometrice.

Al doilea este O metodă modernă foarte eficientă Sistemele radar interferometrice interferometrice de la bord și din spațiu sunt utilizate pentru a obține date precise atât despre teren cât și despre acoperirea solului.

Tipuri de modele digitale de elevație

Compararea mai multor suprafețe de elevație poate fi utilizată pentru a compara trei înălțimi sau pentru a estima volumul obiectelor. Scanarea cu laser este utilizată pentru construcția de clădiri, linii electrice, gropi deschise, texturi de teren și chiar geometria valurilor pe mare.

Există diferite metode de modelare a înălțimii: modele digitale de elevație (DEM), modele digitale de suprafață (DSM), modele digitale de teren (DTM) și rețele neregulate triunghiulare (TNN).

Un DEM surprinde caracteristicile naturale și cele încorporate pe suprafața pământului și este util în modelarea 3D pentru telecomunicații, planificare urbană și aviație, deoarece obiectele de studiu sunt reprezentate la înălțime deasupra nivelului solului.

DEM este o grilă rasterică pură, raportată la un sistem de coordonate verticale. Atunci când un dezvoltator filtrează punctele, cum ar fi podurile și drumurile, produce un model digital de elevație neted. Liniile electrice construite, clădirile și tipurile de vegetație nu sunt incluse în DEM. Modelul de contur Clean Earth este deosebit de util în hidrologie, sol și planificarea utilizării terenurilor.

DEM are două definiții, în funcție de țara de aplicare. În unele țări este de fapt sinonim cu DEM și înseamnă o altitudine de suprafață care reprezintă pământul pur, referită la un punct de referință vertical comun.

În Statele Unite, o altă definiție a modelelor digitale de elevație este un set de date vectoriale format din puncte regulate și caracteristici naturale, cum ar fi creste și linii de falie. Completează DEM-ul, inclusiv caracteristicile liniare ale suprafeței terenului.

În Rusia, GOST R 52440-2005 se aplică pentru DEM, în conformitate cu care acesta este destinat creării unei baze cartografice din geodate de referință spațială primite în cursul studiilor de inginerie, a studiilor de teren, a studiilor de topografie, a studiilor statistice, a altor lucrări și studii speciale.

Acest model este de obicei creat cu ajutorul fotogrammetriei stereo. Punctele sunt dispuse în mod regulat și caracterizează forma terenului gol. Din aceste linii regulate și curbe de nivel este posibilă interpolarea DEM în DEM. Acesta reprezintă trăsături distinctive Suprafața solului este mult mai bună datorită liniilor de rupere tridimensionale și a punctelor de masă tridimensionale spațiate regulat.

Rețea neregulată triunghiulară

Pentru a modela o zonă continuă pe baza datelor măsurate, punctele de teren situate între măsurători trebuie să fie conectate prin metode de calcul. pentru a face acest lucru, punctele individuale sunt mai întâi conectate la o suprafață triunghiulară, care este disponibilă în format vectorial (TIN: triangulated irregular network) prin interpolare.

Dacă este necesar, datele vectoriale sunt convertite într-un format raster, de exemplu, o grilă cu o dimensiune fixă a celulelor. Pentru aceasta se folosesc diferite metode matematice. Este important să se testeze simularea pentru a decide care dintre cele mai realiste să fie aleasă pentru terenul studiat. Deși unele programe GIS, cum ar fi Arc GIS, pot gestiona TIN, altele lucrează numai cu geomodeluri raster. În funcție de poziția punctelor de referință măsurate, pot fi reprezentate diferite configurații.

Instrumente pentru obținerea datelor de elevație

După selectarea metodei pentru suprafața reală a terenului, se selectează un instrument de măsurare. sunt utilizate pe scară largă în prezent:

1. Vehicul aerian fără pilot la bord.
2. LiDAR - măsoară lumina reflectată care ricoșează în sol și se întoarce la senzor pentru a obține altitudinea suprafeței solului.
3. Stereofotogrammetrie din fotografie aeriană.
4. Stereo multi-prezentare pentru fotografierea aeriană.
5. Configurarea unui bloc de imagini optice din satelit.
6. Interferometrie radar.
7. GPS cinematic în timp real.
8. Hărți topografice.
9. Teodolit sau stație totală.
10. Radar Doppler.

Unele tehnici de teledetecție pentru obținerea unei matrice de elevație:

1. Interferometrie bazată pe satelit - radarul cu deschidere sintetică, cum ar fi Shuttle Radar Topographic Mission, utilizează două imagini radar luate simultan pentru a produce un model digital de elevație.
2. Fotogrammetrie - în fotografia aeriană, fotogrammetria utilizează fotografii din cel puțin două puncte de vedere diferite. În același mod în care funcționează vederea umană, aceasta este capabilă să obțină profunzime și perspectivă din puncte de vedere unice.

Interpolarea hărților digitale de contur

Metodele mai vechi de generare a DEM-urilor implicau adesea interpolarea hărților digitale de contur care ar fi putut fi obținute prin ridicarea directă a suprafeței terenului. Această metodă este încă utilizată în zonele muntoase unde interferometria nu este întotdeauna satisfăcătoare.

Datele de curbă de nivel sau orice alt set de date de eșantionare din GPS sau din sondajul la sol nu reprezintă un model digital de elevație (DEM), dar poate fi considerat un model digital al terenului. DEM implică faptul că altitudinea este disponibilă în permanență în fiecare locație din zona de studiu.

Calitatea DEM este o măsură a acurateței fiecărui pixel (acuratețe absolută) și a gradului de detaliu reprezentat (acuratețe relativă). Mai mulți factori joacă un rol important în ceea ce privește calitatea produselor derivate din matrice:

• nereguli ale terenului;
• densitatea de eșantionare;
• metoda de colectare a datelor de elevație;
• Rezoluția grilei sau dimensiunea pixelilor;
• Algoritmul de interpolare;
• rezoluție verticală;
• algoritmul de analiză a terenului.

Produsele de referință 3D includ măști de calitate care oferă informații despre țărmuri, lacuri, strat de zăpadă, nori și corelații.

Explorarea cu Global Mapper GIS

Primul pas pentru a utiliza instrumentul de căutare din Global Mapper pentru a crea un obiect punctual la adresa dorită este să setați o proiecție pentru această zonă. Imaginile de înaltă rezoluție pot fi apoi accesate cu ajutorul unui instrument de date online. Există o serie de straturi utile care pot fi adăugate pe site-ul GIS. Încărcați datele vectoriale sub formă de fișiere shape folosind un browser web în Global Mapper prin simpla tragere și plasare a fișierelor.

Tehnologia de construire a modelelor digitale de elevație:

1. Descărcați DEM.Arhiva de date zip. Arhiva ZIP are o dimensiune de 2.5 MB.
2. Extrageți arhiva într-un director de pe hard disk.
3. Deschideți arhiva DEM.zip.
4. Creați un subdirectoriu numit "DEM" în directorul în care sunt salvate datele.
5. Extrageți toate fișierele din arhiva ZIP într-un nou subdirector.
6. Rezultatul final va fi format din două subdirectoare, unul conținând DEM-ul de 30 m și unul conținând DEM-ul de 10 m.
7. Aceste seturi de date au un format de distribuție DEM USGS anterior - altitudinile sunt în unități orizontale (pixel) și sunt reprezentative pentru zona acoperită de foaia de hartă topografică 1:24.000.
8. Lansarea Global Mapper.
9. Deschideți DEM prin selectarea "File" > "Deschideți fișierul"și apoi mergeți în directorul DEM_30m sau DEM_10m deschizând fișierul bushkill_pa.dem.
10. Utilizați instrumentele Zoom și Pan pentru a mări și a derula prin DEM.
11. Butonul "Vizualizare completă" (pictograma casei) actualizează vizualizarea completă inițială a setului de date.
12. Pentru a vedea datele DEM cu umbrirea dealurilor, găsiți butonul de activare/dezactivare a umbririi dealurilor, în colțul din stânga jos, acolo unde sunt raze de soare.
13. Activați umbrirea dealurilor.
14. Este posibilă modificarea aspectului aspectului machetei prin selectarea "Tools" (Instrumente)> "Configurați" prin modificarea setărilor din "Vertical Settings" și "Shader Settings", selectați o culoare din fiecare buton "Low Colour" sau "High Colour" din zona de umbrire a gradientului.
15. Apăsați butonul "Apply" (Aplicați).
16. Treceți la fila "Vertical Settings" și experimentați cu cursorul "Vertical Exaggeration", apoi faceți clic pe "Apply".
17. Navigați către instrumentul de descărcare a hărților naționale.
18. Asigurați-vă că extensiile curente sunt selectate din meniul de deasupra hărții. Aceasta indică zona de pe hartă pentru care doriți să găsiți datele.
19. Extindeți secțiunea "Elevation Products (3DEP)" din meniul din stânga și bifați caseta de lângă orice set de date pe care doriți să îl încărcați.
20. apăsați butonul "Find Products" (Găsiți produse) și utilizați linkurile furnizate în rezultatele căutării pentru a afișa pe hartă zona fiecărui set de date și pentru a descărca DEM-ul preferat.
21. Aceasta va genera o arhivă ZIP care poate fi salvată pe hard disk.
22. Lansați Global Mapper și navigați în folderul în care este salvată arhiva ZIP.
23. Faceți dublu clic pe numele fișierului. Datele trebuie să fie vizibile - software-ul le poate citi chiar și într-o formă comprimată.
24. Imaginea datelor DEM ar trebui să apară în fereastra Global Mapper.
25. Dacă DEM Bushkill este încă vizibil, deschideți Centrul de control și debifați caseta de selectare DEM Bushkill. Apăsați butonul "Vizualizare completă".
26. Pentru a vizualiza datele DEM din Hill Shading, găsiți butonul Enable/Disable Hill Shading (Activare/Dezactivare Hill Shading) în bara de instrumente din colțul din stânga jos.
27. Activați umbrirea dealului.
28. Puteți schimba aspectul selectând "Tools> "Configure" și modificați setările din "Vertical Settings" și "Shader Settings".
29. Puteți vizualiza metadatele asociate cu datele de machetare prin intermediul meniului Tools (Instrumente) > "Centrul de control". Dimensiunile PIXEL sunt în grade, nu în metri.

Software

Sunt disponibile diverse programe de calculator pentru prelucrarea punctelor de măsurare și interpolare, inclusiv programe special adaptate pentru instrumentele de măsurare ale producătorilor de echipamente de topografie (Zeiss, Leica, Wild, Sokkia, Trimble). În practica arheologică, AutoCAD este utilizat de obicei pentru a procesa și suprascrie datele 3D din lumea reală. Pentru a crea linii de contur și modele 3D pot fi achiziționate module suplimentare sau versiuni extinse. Pentru modelul 2.suprafețe 5D, se poate folosi orice program GIS. Printre altele, datele de prospectare geofizică pot fi citite și proiectate cu ușurință folosind datele de prospectare la sol.

Planurile de contur pot fi create în format DXF. Fișierele pot fi exportate în AutoCAD. Modelele de teren umbrite sau colorate sunt exportate în diferite formate grafice (TIFF, JPEG, BMP) și integrate în AutoCAD. Modelele rezultate sunt de obicei reprezentate într-un format raster, în care o valoare a înălțimii este atribuită unei celule definite de o coordonată unghiulară XY cu o anumită lungime de pagină. Versiunile raster sunt, în principiu, identice cu datele de imagine, cu excepția faptului că în loc de valoarea culorii, este stocată valoarea înălțimii.

Conversia modelelor digitale raster de elevație srtm dintr-un format în altul în software-ul GIS nu este de obicei o problemă, astfel încât un anumit format nu este necesar aici, mai ales că acestea sunt adesea deja stabilite în specificațiile preliminare. În funcție de mediul de ieșire selectat, se aleg diferite moduri de reprezentare a suprafețelor de teren.

Fișiere AutoCAD (*.dwg) este adesea dificil de exportat în alte programe vectoriale, cum ar fi CorelDraw sau Adobe Illustrator, pentru editare ulterioară. Cu toate acestea, pentru a fi incluse în publicații, planurile și desenele AutoCAD pot fi produse ca fișiere PDF, convertite în fișiere JPEG sau extinse sau modificate cu ajutorul unui software de editare a imaginilor.

Domeniul de aplicare a metodei

Informațiile exacte despre suprafața Pământului sunt fundamentale pentru multe științe. Topografia controlează o serie de procese crustale (evaporare, curgere a apei, mișcări de masă, incendii de pădure) care sunt importante pentru schimbul de energie între sistemul climatic fizic din atmosferă și ciclurile biogeochimice.

Ecologia explorează relațiile dintre formele de viață și mediu, cum ar fi solul, apa, clima și peisajul. Hidrologia se bazează pe cunoașterea contururilor pământului pentru a modela mișcarea apei, a ghețarilor și a gheții. Geomorfologia descrie formele de relief prin identificarea proceselor de formare a reliefului. Climatologia studiază fluxul de temperatură, umiditate și particule de aer.

Clasificarea globală a acoperirii terenurilor este o altă aplicație a DEM. Cartografierea și clasificarea precisă a suprafeței terestre la scară globală reprezintă cea mai importantă condiție prealabilă pentru modelarea la scară largă a proceselor geologice. Numeroase studii au demonstrat că imaginile radar sunt potrivite pentru documentarea și clasificarea vegetației naturale și a zonelor agricole.

În teledetecție, DEM este utilizat pentru corecția imaginilor sau pentru informații tematice privind geometria senzorilor și topografia locală.

Astfel, pentru aplicarea sinergică a diferitelor sisteme de senzori GIS, utilizarea modelelor digitale de elevație este o condiție prealabilă pentru codificarea imaginilor satelitare și corectarea efectelor terenului.