Цифровая модель рельефа - Digital elevation model

3D рендеринг модели высот Титониум хасма на Марс

А цифровая модель рельефа (DEM) это 3D компьютерная графика представление высота данные для представления местность, обычно планета (например. Земля ), Луна, или астероид. «Глобальная ЦМР» относится к дискретная глобальная сетка. ЦМР часто используются в географические информационные системы, и являются наиболее распространенной основой для создания цифровых карты рельефа.

Хотя цифровая модель поверхности (DSM) может быть полезна для ландшафтное моделирование, моделирование города и приложений визуализации, цифровая модель местности (ЦМР) часто требуется для моделирования паводков или дренажей, исследования землепользования,[1] геологические приложения и другие приложения,[2] И в планетология.

Терминология

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

Не существует универсального использования терминов цифровая модель рельефа (DEM), цифровая модель местности (DTM) и цифровая модель поверхности (DSM) в научной литературе. В большинстве случаев термин цифровая модель поверхности представляет поверхность земли и включает все объекты на ней. В отличие от DSM, цифровая модель местности (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] только представление информации о высоте без какого-либо дополнительного определения поверхности.[6] Другие определения уравнивают термины DEM и DTM,[7] уравнять члены DEM и DSM,[8] определить DEM как подмножество DTM, которое также представляет другие морфологические элементы,[9] или определите матрицу высот как прямоугольную сетка и ЦММ как трехмерная модель (БАНКА ).[10] Большинство поставщиков данных (USGS, ERSDAC, КГМСИ, Точечное изображение ) используйте термин DEM как общий термин для DSM и DTM. Все наборы данных, которые собираются со спутников, самолетов или других летающих платформ, изначально являются DSM, например SRTM или АСТЕР ГДЕМ (хотя в лесных районах SRTM проникает в крону деревьев, давая показания где-то между DSM и DTM). Можно оценить DTM из наборов данных DSM высокого разрешения с помощью сложных алгоритмов (Li и другие., 2005). Далее термин DEM используется как общий термин для DSM и DTM.

Типы

Карта высот поверхности Земли (включая воду и лед), визуализированная как равнопрямоугольная проекция с высотой, обозначенной как нормализованная 8-битная шкала серого, где более светлые значения указывают на более высокую отметку

Матрицу высот можно представить в виде растр (сетка квадратов, также известная как карта высот при представлении высоты) или как вектор на основе треугольная неправильная сеть (БАНКА). Набор данных TIN DEM также называется первичной (измеренной) DEM, тогда как растровая DEM называется вторичной (вычисленной) DEM.[11] ЦМР можно получить с помощью таких методов, как фотограмметрия, лидар, IfSAR или InSAR, землеустройство и др. (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

Рельефная карта Сьерра-Невады в Испании, показывающая использование теней и ложных цветов в качестве инструментов визуализации для обозначения высоты

Сама цифровая модель рельефа состоит из матрицы чисел, но данные из DEM часто визуализируются в визуальной форме, чтобы сделать их понятными для людей. Эта визуализация может быть в виде контурной топографическая карта, или можно использовать затенение и ложный цвет назначение (или «псевдо-цвет») для визуализации высот в виде цветов (например, использование зеленого для самых низких отметок, заливка красным, с белым для наибольшей отметки).

Визуализации иногда также выполняются в виде наклонных изображений, воссоздающих синтетическое визуальное изображение местности, как если бы оно выглядело при взгляде вниз под углом. В этих наклонных визуализациях высота иногда масштабируется с помощью "вертикальное преувеличение ", чтобы сделать более заметными небольшие перепады высот.[12] Некоторые ученые,[13][14] однако возражайте против вертикального преувеличения, которое вводит зрителя в заблуждение относительно истинного ландшафта.

Производство

Картографы могут готовить цифровые модели рельефа разными способами, но они часто используют дистанционное зондирование а не прямо опрос данные.

Старые методы создания ЦМР часто включают интерполирующий цифровые контурные карты, которые могли быть получены путем прямого исследования земной поверхности. Этот метод до сих пор используется в гора районы, где интерферометрия не всегда бывает удовлетворительным. Обратите внимание, что контурная линия данные или любые другие выборочные наборы данных о высотах (с помощью GPS или наземной съемки) не являются ЦМР, но могут считаться цифровыми моделями местности. ЦМР подразумевает, что отметка доступна постоянно в каждом месте изучаемой области.

Спутниковая карта

Одним из эффективных методов создания цифровых моделей рельефа является интерферометрический радар с синтезированной апертурой где два прохода радиолокационного спутника (например, РАДАРСАТ-1 или TerraSAR-X или Космо SkyMed ) или однопроходный, если спутник оборудован двумя антеннами (например, SRTM инструментов), соберите достаточно данных для создания цифровой карты высот со стороной в несколько десятков километров с разрешением около десяти метров.[15] Другие виды стереоскопический пары можно использовать с помощью корреляция цифрового изображения метод, при котором два оптических изображения получают под разными углами при одном и том же пролете самолета или Спутник наблюдения Земли (например, инструмент HRS SPOT5 или ВНИР группа АСТЕР ).[16]

В SPOT 1 спутник (1986) предоставили первые пригодные для использования данные о высоте значительной части суши планеты, используя двухпроходную стереоскопическую корреляцию. Позже дополнительные данные были предоставлены Европейский спутник дистанционного зондирования (ERS, 1991), используя тот же метод, Миссия Shuttle Radar Topography (SRTM, 2000) с использованием однопроходного SAR и Усовершенствованный космический радиометр теплового излучения и отражения (АСТЕР, 2000) приборы на Спутник Terra с использованием двухпроходных стереопар.[16]

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 Наука журнал в мае 1999 года.

Инструмент повышения ценности в планетология Орбитальная альтиметрия использовалась для создания цифровых карт высот планет. Основным инструментом для этого является лазерная альтиметрия но также используется радиолокационная альтиметрия.[17] Планетарные цифровые карты высоты, сделанные с помощью лазерной альтиметрии, включают Лазерный альтиметр Mars Orbiter (MOLA) картографирование Марса,[18] то Лунный орбитальный лазерный высотомер (ЛОЛА)[19] и составление карты Луны с помощью лунного высотомера (LALT) и карты Меркурия с помощью лазерного высотомера Меркурия (MLA).[20] При картировании планет каждое планетное тело имеет уникальную опорную поверхность.[21]

Методы получения данных о высотах, используемые для создания ЦМР

Gatewing X100 Беспилотный летательный аппарат

Точность

Качество ЦМР - это мера того, насколько точна высота каждого пикселя (абсолютная точность) и насколько точно представлена ​​морфология (относительная точность). Несколько факторов играют важную роль в качестве продуктов на основе ЦМР:

  • неровность местности;
  • плотность выборки (метод сбора данных о высотах);
  • разрешение сетки или пиксель размер;
  • интерполяция алгоритм;
  • вертикальное разрешение;
  • алгоритм анализа местности;
  • Референсные 3D-продукты включают качественные маски, дающие информацию о береговой линии, озере, снеге, облаках, корреляции и т. Д.

Использует

Цифровая модель рельефа - Амфитеатр Ред Рокс, Колорадо, полученная с помощью БПЛА
Трехмерная цифровая модель аэродрома Безмехова, полученная с использованием Pteryx БПЛА полет на высоте 200 м над вершиной холма
Цифровая модель поверхности автомагистраль обмен строительная площадка. Обратите внимание, что туннели закрыты.
Пример ЦМР, летающей на Gatewing X100 в Ассенеде
Генератор цифровых моделей местности + текстуры (карты) + векторы

Обычно ЦМР используются:

Источники

Бесплатная ЦМР всего мира под названием GTOPO30 (30 угловая секунда разрешающая способность, c. 1км вдоль экватора) имеется, но его качество непостоянно, а в некоторых районах очень низкое. ЦМР гораздо более высокого качества, полученная с помощью усовершенствованного космического радиометра теплового излучения и отражения (ASTER) Спутник Terra также находится в свободном доступе на 99% земного шара и представляет собой высоту 30 метр разрешающая способность. Такое же высокое разрешение ранее было доступно только для Территория Соединенных Штатов в соответствии с данными миссии Shuttle Radar Topography (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 не имеет горных и пустынных областей (пустот). Данные SRTM, полученные с радара, представляют собой высоту первой отраженной поверхности - довольно часто вершин деревьев. Таким образом, данные не обязательно отражают поверхность земли, а только верхнюю часть того, что впервые обнаруживается радаром.

Подводная возвышенность (известная как батиметрия ) данные генерируются с использованием судовых зондирование глубины. Когда топография суши сочетается с батиметрией, получается действительно глобальная модель рельефа получается. Набор данных SRTM30Plus (используется в НАСА Мировой ветер ) пытается объединить данные GTOPO30, SRTM и батиметрические данные для создания действительно глобальной модели рельефа.[25] Глобальная модель топографии и рельефа Земли 2014[26] обеспечивает многослойную топографическую сетку 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. Другая глобальная модель - это Global Multi-Resolution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010) с разрешением 7,5 угловых секунд. Он основан на данных SRTM и объединяет другие данные за пределами покрытия SRTM. Новая глобальная ЦМР проводок ниже 12 м и с точностью до 2 м ожидается от ТанДЕМ-Х спутниковая миссия, стартовавшая в июле 2010 года.

Наиболее распространенный интервал сетки (растра) составляет от 50 до 500 метров. Например, в гравиметрии основная сетка может составлять 50 м, но переключается на 100 или 500 метров на расстояниях примерно 5 или 10 километров.

С 2002 года прибор HRS на SPOT 5 приобрел более 100 миллионов квадратных километров стереопар, используемых для создания DTED2 формата DTED2 (с 30-метровой разводкой) DTED2 формата более 50 миллионов км.2.[27] Радарный спутник РАДАРСАТ-2 использовался MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. для предоставления ЦМР коммерческим и военным заказчикам.[28]

В 2014 году данные с радиолокационных спутников TerraSAR-X и TanDEM-X будут доступны в виде единого глобального покрытия с разрешением 12 метров.[29]

С 2016 года ALOS бесплатно предоставляет глобальную DSM с 1 угловой секундой,[30] и коммерческий 5-метровый DSM / DTM.[31]

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 набор национальных лидарных данных программы.

Бесплатные DEM также доступны для Марс: MEGDR, или запись экспериментальных данных в сетке, из Mars Global Surveyor прибор Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA); и Цифровая модель местности (DTM) Марса НАСА.[32]

OpenTopography[33] - это сетевой ресурс сообщества для доступа к топографическим данным с высоким разрешением, ориентированным на науку о Земле (данные лидара и ЦМР), а также к инструментам обработки, работающим на бытовой и высокопроизводительной вычислительной системе, а также к образовательным ресурсам.[34] OpenTopography базируется в Суперкомпьютерном центре Сан-Диего.[35] в Калифорнийском университете в Сан-Диего и работает в сотрудничестве с коллегами из Школы исследования Земли и космоса Университета штата Аризона и UNAVCO.[36] Основная оперативная поддержка OpenTopography поступает от Национального научного фонда, отдела наук о Земле.

OpenDemSearcher - это Mapclient с визуализацией регионов с бесплатными доступными ЦМР среднего и высокого разрешения.[37]

STL 3D модель из Луна с 10-кратным увеличением высоты на основе данных Лазерный высотомер лунного орбитального аппарата из Лунный разведывательный орбитальный аппарат

Соединенные Штаты

В Геологическая служба США производит Национальный набор данных о высоте, бесшовная ЦМР для США, Гавайев и Пуэрто-Рико на основе топографической карты 7,5 футов. С начала 2006 г. он заменяет более ранний мозаичный формат DEM (одна DEM на каждую USGS топографическая карта ).[38][39]

OpenTopography[33] - это находящийся в США источник общественного доступа к большому количеству данных топографии высокого разрешения для США.[34]

Смотрите также

Форматы файлов DEM

использованная литература

  1. ^ И. Баленович, Х. Марьянович, Д. Вулетич и др. Оценка качества цифровой модели поверхности высокой плотности по разным классам земного покрова. PERIODICUM BIOLOGORUM. VOL. 117, № 4, 459–470, 2015.
  2. ^ «Приложение A - Глоссарий и сокращения» (PDF). План управления водосборными бассейнами приливных притоков Северн - этап оценки. ВЕЛИКОБРИТАНИЯ: Агентство окружающей среды. Архивировано из оригинал (PDF) на 2007-07-10.
  3. ^ «Цифровая модель поверхности Intermap: точные, бесшовные модели поверхности с большой площадью». Архивировано из оригинал 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: 1–6. Дои:10.1007/978-3-319-02370-0_31-1. ISBN  978-3-319-01868-3. Получено 10 февраля, 2016.
  6. ^ Пекхэм, Роберт Джозеф; Джордан, Гёдзо (ред.) (2007): «Разработка и приложения в среде поддержки политики»: конспект лекций по геоинформации и картографии. Гейдельберг.
  7. ^ Подобникар, Томаз (2008). «Методы визуальной оценки качества цифровой модели местности». S.A.P.I.EN.S. 1 (2).
  8. ^ Адриан В. Грэм, Николас К. Киркман, Питер М. Пол (2007): Проектирование сети мобильной радиосвязи в диапазонах VHF и UHF: практический подход. Западный Сассекс.
  9. ^ «Стандарт DIN 18709-1». Архивировано из оригинал на 2011-01-11.
  10. ^ «Глоссарий по оползням USGS». Архивировано из оригинал на 2011-05-16.
  11. ^ РОНАЛЬД ТОПП (1987): Модели местности - инструмент для картирования природных опасностей. В: Формирование, движение и эффекты лавины (Материалы симпозиума в Давосе, сентябрь 1986 г.). IAHS Publ. нет. 162,1987
  12. ^ Создание трехмерных карт местности, Затененный рельеф. Проверено 11 марта 2019.
  13. ^ 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. Проверено 11 марта 2019.
  14. ^ Роберт Симмон. "Элегантные фигуры Чего не делать: вертикальное преувеличение," Земная обсерватория НАСА, 5 ноября 2010 г. Проверено 11 марта 2019 г.
  15. ^ "WorldDEM (TM): Airbus Defense and Space". www.intelligence-airbusds.com.
  16. ^ а б Николакопулос, К. Г .; Камаратакис, Э.К .; Хрисулакис, Н. (10 ноября 2006 г.). «SRTM и ASTER Elevation Products. Сравнение двух регионов Крита, Греция» (PDF). Международный журнал дистанционного зондирования. 27 (21): 4819–4838. Дои:10.1080/01431160600835853. ISSN  0143-1161. S2CID  1939968. Архивировано из оригинал (PDF) 21 июля 2011 г.. Получено 22 июня, 2010.
  17. ^ Харгитай, Хенрик; Виллнер, Конрад; Бухройтнер, Манфред (2019), Харгитай, Хенрик (ред.), «Методы планетарного топографического картирования: обзор», Планетарная картография и ГИС, Springer International Publishing, стр. 147–174, Дои:10.1007/978-3-319-62849-3_6, ISBN  978-3-319-62848-6
  18. ^ Брюс Банердт, Орбитальный лазерный высотомер, Марсианские хроники, том 1, № 3, НАСА. Проверено 11 марта 2019.
  19. ^ НАСА, ЛОЛА. Проверено 11 марта 2019.
  20. ^ Джон Ф. Кавано, и другие., "Лазерный высотомер Mercury для миссии MESSENGER ", Космическая наука Rev, DOI 10.1007 / s11214-007-9273-4, 24 августа 2007 г. Дата обращения 11 марта 2019 г.
  21. ^ Харгитай, Хенрик; Виллнер, Конрад; Hare, Trent (2019), Hargitai, Henrik (ed.), "Fundamental Frameworks in Planetary Mapping: A Review", Планетарная картография и ГИС, Springer International Publishing, стр. 75–101, Дои:10.1007/978-3-319-62849-3_4, ISBN  978-3-319-62848-6
  22. ^ а б Кэмпбелл, Д. М. Х .; Белый, В .; Арп, П. А. (1 ноября 2013 г.). «Моделирование и картографирование устойчивости почвы к проникновению и колейности с использованием цифровых данных высот, полученных с помощью LiDAR». Журнал охраны почв и воды. 68 (6): 460–473. Дои:10.2489 / jswc.68.6.460. ISSN  0022-4561.
  23. ^ Джеймс, М. Р .; Робсон, С. (2012). «Прямая реконструкция трехмерных поверхностей и топографии с помощью камеры: приложение для измерения точности и геолого-геофизических исследований» (PDF). Журнал геофизических исследований: поверхность Земли. 117: н / д. Дои:10.1029 / 2011JF002289.
  24. ^ "И. Баленович, А. Селеткович, Р. Пернар, А. Язбек. Оценка средней высоты древостоев путем фотограмметрических измерений с использованием цифровых аэрофотоснимков с высоким пространственным разрешением. АНАЛИЗЫ ЛЕСНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. 58 (1), P. 125-143, 2015 ».
  25. ^ «Статья Мартина Гамаша о свободных источниках глобальных данных» (PDF).
  26. ^ Hirt, C .; Рексер, М. (2015). «Земля 2014: 1 минимальная угловая форма, топография, модели коренных пород и ледяного покрова - доступны в виде данных с координатной привязкой и сферических гармоник со степенью 10800» (PDF). Международный журнал прикладных наблюдений Земли и геоинформации. 39: 103–112. Дои:10.1016 / j.jag.2015.03.001. HDL:20.500.11937/25468. Получено 20 февраля, 2016.
  27. ^ "GEO Elevation Services: Airbus Defense and Space". www.astrium-geo.com.
  28. ^ "Международный - Геопространственный". gs.mdacorporation.com.
  29. ^ "TerraSAR-X: Airbus Defence and Space". www.astrium-geo.com.
  30. ^ "Мир ALOS 3D - 30м". www.eorc.jaxa.jp.
  31. ^ «Мир ALOS 3D». www.aw3d.jp.
  32. ^ «Базовое руководство по использованию цифровых моделей рельефа с Terragen». Архивировано из оригинал 19 мая 2007 г.
  33. ^ а б «OpenTopography». www.opentopography.org.
  34. ^ а б «Об OpenTopography».
  35. ^ "Суперкомпьютерный центр Сан-Диего". www.sdsc.edu. Получено 2018-08-16.
  36. ^ "Главная | UNAVCO". www.unavco.org. Получено 2018-08-16.
  37. ^ Opendreamsearcher
  38. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2006-09-23. Получено 2006-12-07.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  39. ^ "Ошибка 404 - Страница Не Найдена". herbert.gandraxa.com. Cite использует общий заголовок (Помогите)

дальнейшее чтение

внешние ссылки

Информационные продукты