Jump to content

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 , городского моделирования и визуализации, DTM часто требуется для моделирования наводнений или дренажа, исследований землепользования , [1] геологические приложения и другие приложения, [2] и в планетологии .

Терминология

[ редактировать ]
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] представляет только информацию о высоте без какого-либо дальнейшего определения поверхности. [6] Другие определения уравнивают термины DEM и DTM. [7] уравнять термины DEM и DSM, [8] определить DEM как подмножество DTM, которое также представляет другие морфологические элементы, [9] или определите DEM как прямоугольную сетку и 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 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.

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. (Ли и др., 2005).

ЦМР обычно строятся с использованием данных, собранных с помощью методов дистанционного зондирования, но они также могут быть построены на основе топографической съемки.

Рендеринг

[ редактировать ]
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 человека. 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 косых визуализациях высоты иногда масштабируются с использованием « вертикального преувеличения », чтобы сделать небольшие различия высот более заметными. [15] Некоторые учёные, [16] [17] однако возражайте против вертикального преувеличения, поскольку оно вводит зрителя в заблуждение относительно истинного ландшафта.

Производство

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

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, SRTM ), соберите 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 за один и тот же проход самолета или спутника наблюдения Земли (например, прибора HRS SPOT5 или VNIR диапазона АСТЕР ). [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

[ редактировать ]
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] Планетарные цифровые карты рельефа, созданные с использованием лазерной альтиметрии, включают в себя с помощью лазерного альтиметра Mars Orbiter (MOLA), карты Марса [21] Лунный орбитальный лазерный высотомер (LOLA) [22] и картографирование Луны с помощью лунного альтиметра (LALT) и 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.

[ редактировать ]
Gatewing X100 Беспилотный летательный аппарат

Точность

[ редактировать ]

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] Несколько факторов играют важную роль в качестве продуктов, полученных на основе DEM:

  • неровности местности;
  • плотность выборки (метод сбора данных о высоте);
  • разрешение сетки или пикселя ; размер
  • алгоритм интерполяции ;
  • вертикальное разрешение;
  • алгоритм анализа местности;
  • Эталонные 3D-продукты включают в себя качественные маски, которые дают информацию о береговой линии, озере, снеге, облаках, корреляции и т. д.

Использование

[ редактировать ]
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 транспортной развязки строительной площадки . 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

[ редактировать ]

Глобальный

[ редактировать ]

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 на некоммерческих основаниях и через веб-сайт разработчика по коммерческой цене.

Альтернативная бесплатная глобальная ЦМР называется GTOPO30 ( 30 угловых секунд разрешение , 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 30 метров разрешением . 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 поистине глобальная модель рельефа получается . Набор данных SRTM30Plus (используемый в NASA World Wind ) пытается объединить данные GTOPO30, SRTM и батиметрические данные для создания действительно глобальной модели рельефа. [30] Глобальная топография и модель рельефа Earth2014 [31] предоставляет слоистые топографические сетки с разрешением 1 угловая минута. Помимо SRTM30plus, Earth2014 предоставляет информацию о высоте ледникового 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 охвата SRTM. ожидается новая глобальная цифровая высотная цифра (DEM) с координатами менее 12 м и точностью высоты менее 2 м. В результате спутниковой миссии TanDEM-X , стартовавшей в июле 2010 года,

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 прибор HRS на SPOT 5 собрал более 100 миллионов квадратных километров стереопар, используемых для создания DEM формата DTED2 (с 30-метровой проводкой) DEM формата DTED2 более 50 миллионов км. 2 . [32] Радиолокационный 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]

ALOS с 2016 года бесплатно предоставляет глобальный DSM для 1 дуговой секунды. [35] и коммерческий 5-метровый DSM/DTM. [36]

Многие национальные картографические агентства производят свои собственные ЦМР, часто с более высоким разрешением и качеством, но зачастую их приходится покупать, а стоимость обычно непомерно высока для всех, кроме государственных органов и крупных корпораций. ЦМР часто являются продуктом национальных программ лидарных данных .

также доступны бесплатные ЦМР Для Марса : 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

[ редактировать ]

Открытая топография [38] это веб-ресурс сообщества для доступа к топографическим данным высокого разрешения, ориентированным на науку о Земле (данные лидара и DEM), а также инструментам обработки, работающим на обычных и высокопроизводительных вычислительных системах, а также к образовательным ресурсам. [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 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.

См. также

[ редактировать ]

Форматы файлов DEM

[ редактировать ]
  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 05 января 2018 г.
  19. ^ Перейти обратно: а б 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 высотомер , 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. ^ Перейти обратно: а б 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 по топографическим картам для геоморфометрических целей» . Открытые геологические науки . 11 (1): 843–865. Бибкод : 2019OGeo...11...66S . дои : 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 с уровнем 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. ^ «Международное – Геопространственное» . gs.mdacorporation.com . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 2 февраля 2012 г.
  34. ^ «TerraSAR-X: Airbus Defense and Space» . www.astrium-geo.com . Архивировано из оригинала 12 августа 2014 г. Проверено 11 января 2012 г.
  35. ^ «АЛОС Мир 3D – 30м» . www.eorc.jaxa.jp. ​Архивировано из оригинала 4 мая 2020 г. Проверено 9 сентября 2017 г.
  36. ^ «АЛОС Мир 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. ^ «Об OpenTopography» .
  40. ^ «Суперкомпьютерный центр Сан-Диего» . www.sdsc.edu . Проверено 16 августа 2018 г.
  41. ^ «Главная | УНАВКО» . www.unavco.org . Проверено 16 августа 2018 г.
  42. ^ OpenDemSearcher

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Продукты данных
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 234ca1344e25f0c1fe5b8f6d6959d5d2__1720078800
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/23/d2/234ca1344e25f0c1fe5b8f6d6959d5d2.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Digital elevation model - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)