Цифров модел на релефа: описание, видове, изгледи, конструкция

Цифровият модел на релефа (ЦМР) е специализирана база данни, показваща формата на повърхността между точките с даден клас, съставена чрез интерполация на данни за релефа от източници на наземно заснемане и фотограметрични данни върху модел на правоъгълна мрежа. ГИС софтуерът използва цифрови технологии за 3D визуализация, контуриране и анализ на повърхности.

История и настоящо развитие

Терминът DEM е въведен през 70-те години на миналия век, за да се разграничи най-простата форма на моделиране на терена от по-сложните видове електронно представяне на повърхността. Първоначално тя се е използвала изключително за растерни представяния: стойности на височината, определени в пресечните възли на правилната мрежа. Изграждането на цифров модел на релефа преди отнемаше до няколко месеца.

Днес съвременните безпилотни самолети могат да събират необходимите данни, да ги анализират до най-малкия детайл и да създават визуален план в по-реалистични и ефективни срокове. Дори и най-недостъпните обширни райони на Земята вече могат да бъдат разгледани и превърнати в модел с помощта на безпилотни летателни апарати (БЛА) с най-съвременно оборудване.

На дроновете могат да се монтират различни видове радари, видеокамери и други инструменти, за да се събере необходимата информация за конкретен цифров модел на терена. Тази усъвършенствана технология, съчетана с най-бързия софтуер, осигурява най-добрите резултати за възможно най-кратко време.

На 26 април 2016 г. глобалната компания за ИТ решения NTT DATA и RESTEC (Японският център за технологии за дистанционно наблюдение) обявиха, че тяхната услуга за 3D глобална цифрова карта, наречена AW3D, е първата услуга за 5m 3D модел на релефа, която покрива цялото земно кълбо, включително Антарктида. Услугата се основава на три милиона изображения, направени от DAICHI и Advanced Land Observing Satellite (ALOS) на Японската агенция за аерокосмически изследвания (JAXA).

През февруари 2014 г. NTT DATA и RESTEC стартираха услуга за 3D цифрови карти с ограничено покритие. Услугата представлява значително подобрение в сравнение със съществуващите услуги, които предлагат само разделителна способност 30 и 90 м. NTT DATA, данните AW3D вече се използват в над 60 държави.

Термини, определения и съкращения

Цифровият модел на релефа е триизмерно изображение на повърхността на терена, създадено от данни за релефа и представено като растер - мащабни квадрати или триъгълна неправилна мрежа.

DEM на USGS - растерни геореферирани мрежи, които са разположени в серия от профили "юг-север". Подобно на други параметри на USGS, матриците първоначално са създадени под формата на листове, съответстващи на топографски четириъгълници:

• мащабно -7,5 /15 мин;
• междинно ниво - 30 минути;
• малък мащаб - 1 степен.

DEM плочките са на разположение за безплатно изтегляне от много национални и регионални клирингови центрове.

DEM - цифрова карта на релефа, т.е. изображение на земната повърхност.

DTM - набор от методи, използвани за получаване или представяне на ЦМР.

Филтриране на ЦМР - набор от техники, използвани за подобряване на геоморфологичното сходство на ЦМР.

Анализът на терена или параметризацията е процес на количествено определяне на детайлите на терена.

Анализът на цифровия модел на релефа (DTA) се използва като общ термин за определяне на параметрите на приложението.

Терен - карти или Изображения от база данни, получени от DTA.

Източници на данни за DEM

Топография или надморска височина - Формата или конфигурацията на терена, представена на картата с помощта на контурни линии, хипсометрично защриховане и засенчване. Понастоящем съществуват пет основни източника на данни за създаване на цифров модел на терена:

• наземни проучвания;
• Получаване на фотограметрични данни на борда;
• Съществуващи картографски проучвания, като например топографски карти;
• Въздушно лазерно сканиране;
• Стереоскопични или радарни сателитни изображения.

Тези методи за придобиване се сравняват чрез разглеждане на четири аспекта:

• цена;
• точност;
• плътност на извадката;
• Изисквания за предварителна обработка.

Традиционно тази информация се събира от геодезисти от наземни проучвания, последвани от полуавтоматична цифровизация със стереоплотери. Това е най-точният, но и най-скъпият метод за събиране на данни. Последните разработки се отнасят до автоматичното сравняване на стереоизображения, използването на изображения от лазерно сканиране, дистанционно наблюдение със стереоскопично припокриване (SPOT, ASTER) или интерферометрични снимки.

Вторият е високоефективен съвременен метод е въздушна и космическа интерферометрична радарна система, която се използва за точно получаване на данни за земното покритие и релефа.

Видове цифрови модели на релефа

Сравнението на няколко повърхности на височина може да се използва за сравняване на три височини или за оценка на обема на обекти. Лазерното сканиране се използва за сгради, електропроводи, открити ями, текстури на терена и дори геометрия на морските вълни.

Съществуват различни методи за моделиране на височината: цифрови модели на релефа (DEM), цифрови модели на повърхността (DSM), цифрови модели на терена (DTM) и триъгълни неправилни мрежи (TNN).

DEM отразява природните и застроените характеристики на земната повърхност и е полезен за 3D моделиране в телекомуникациите, градското планиране и авиацията, тъй като обектите са показани на височина над земната повърхност.

ЦМР е чиста растерна мрежа, съотнесена към вертикална координатна система. Когато разработчикът филтрира точки, като мостове и пътища, се получава гладък цифров модел на релефа. Изградените електропроводи, сградите и видовете растителност не са включени в ЦМР. Моделът на чисти земни контури е особено полезен в хидрологията, почвите и планирането на земеползването.

DMM има две определения в зависимост от страната на приложение. В някои страни той всъщност е синоним на DEM и означава височинна повърхност, представяща чистата земя, отнесена към общ вертикален елемент.

В Съединените щати друго определение за цифрови модели на релефа е набор от векторни данни, състоящ се от редовно разположени точки и природни особености като хребети и разломни линии. Тя допълва матрицата на надморската височина, като включва линейните характеристики на земната повърхност.

В Русия за ЦМР се прилага ГОСТ R 52440-2005, според който той е предназначен за създаване на картографска основа за пространствена референция на геоданни, получени по време на инженерни проучвания, геодезически работи, земемерни измервания, статистически изследвания, други специални работи и проучвания.

Този модел обикновено се създава с помощта на стереофотограметрия. Точките са разположени равномерно и характеризират формата на голата земя. От тези правилни и контурни линии е възможно да се интерполира ЦМР в ЦМР. Той представлява отличителни характеристики Повърхността на земята е много по-добра благодарение на триизмерните линии на прекъсване и редовно разположените триизмерни масови точки.

триъгълна неправилна мрежа

За да се моделира непрекъсната област въз основа на измерени данни, точките на терена, разположени между измерванията, трябва да се свържат чрез изчислителни методи. За тази цел отделните точки първо се свързват към триъгълна повърхност, която е налична във векторен формат (TIN: триъгълна неправилна мрежа) чрез интерполация.

Ако е необходимо, векторните данни се преобразуват в растерни формати, например в мрежа с фиксиран размер на клетките. За това се използват различни математически методи. Важно е да се тества симулацията, за да се реши коя от най-реалистичните да се избере за изследвания терен. Въпреки че някои ГИС софтуери, като Arc GIS, могат да обработват TINs, други работят само с растерни геомодели. В зависимост от местоположението на измерените референтни точки могат да се изобразят различни оформления.

Инструменти за получаване на данни за релефа

След като е избран методът за реалната повърхност на терена, се избира инструментът за измерване. В момента се използва често:

1. Безпилотно въздухоплавателно средство.
2. LiDAR - измерва отразената светлина, която се отразява от земята и се връща към сензора, за да се определи височината на земната повърхност.
3. Стереофотограметрия от въздушна фотография.
4. Стерео мултипредставяне за въздушна фотография.
5. Създаване на блок от оптични сателитни изображения.
6. Радарна интерферометрия.
7. Кинематичен GPS в реално време.
8. Топографски карти.
9. Теодолит или тахиметър.
10. Доплеров радар.

Някои техники за дистанционно наблюдение за получаване на матрица на релефа:

1. Спътникова интерферометрия - радар със синтетична апертура, като например Радарната топографска мисия на совалката, използва две радарни изображения, направени едновременно от антени, за да се получи цифров модел на релефа.
2. Фотограметрия - при въздушната фотография фотограметрията използва снимки от поне две различни гледни точки. По същия начин, по който работи човешкото зрение, то може да придобие дълбочина и перспектива чрез отделни гледни точки.

Интерполация на цифрови контурни карти

По-старите методи за генериране на ЦМР често включват интерполация на цифрови контурни карти, които може да са получени чрез пряко заснемане на земната повърхност. Този метод все още се използва в планински райони, където интерферометрията не винаги е задоволителна.

Данните от контурни линии или друг набор от данни от GPS или наземно проучване не са цифров модел на релефа (ЦМР), но могат да се разглеждат като цифров модел на терена. DEM означава, че височината е непрекъснато налична на всяко място в изследвания район.

Качеството на матрицата е мярка за точността на всеки пиксел (абсолютна точност) и за степента на детайлност на изображението (относителна точност). Няколко фактора играят важна роля за качеството на матричните продукти

• Неравности на терена;
• плътност на извадката;
• метода за събиране на данни за надморската височина;
• разделителна способност на мрежата или размер на пикселите;
• алгоритъм за интерполация;
• вертикална разделителна способност;
• алгоритъм за анализ на терена.

3D референтните продукти включват качествени маски, които предоставят информация за бреговата линия, езерото, снежната покривка, облаците и корелацията.

Проучване на Global Mapper GIS

Първата стъпка за използване на инструмента за търсене в Global Mapper за създаване на точкови обекти на желания адрес е да се установи проекция за областта. След това използвайте онлайн инструмента за данни, за да се свържете със снимки с висока резолюция. Уебсайтът на ГИС разполага с редица полезни слоеве, които могат да се добавят. Векторните данни се зареждат в Global Mapper под формата на shapefiles с помощта на уеб браузър чрез просто плъзгане и пускане на файлове.

Технология за цифрово моделиране на релефа:

1. Изтегляне на DEM.zip архив на данните. Размерът на архива ZIP е 2,5 MB.
2. Разопаковайте архива в папка на твърдия диск.
3. Отворете архива на DEM.zip.
4. Създаване на поддиректория с име "DEM" в директорията, в която са записани данните.
5. Извличане на всички файлове от архива ZIP в нова поддиректория.
6. Крайният резултат ще бъде две поддиректории, едната съдържаща 30 м ЦМР, а другата - 10 м ЦМР.
7. Тези набори от данни имат по-ранен формат на разпространение на DEM USGS - височини в хоризонтални единици (пиксели) и са представителни за района, покрит от листа на топографската карта 1:24 000.
8. Стартирайте Global Mapper.
9. Отворете DEM, като изберете "File" > "Отваряне на файл", след което отидете в директория DEM_30m или DEM_10m, като отворите файла bushkill_pa.демо.
10. Използвайте Zoom и Pan, за да увеличите и превъртите DEM.
11. Бутонът "Пълен изглед" (икона на къщичка) актуализира първоначалния пълен изглед на набора от данни.
12. За да видите данните от ЦМР със засенчване на хълма, намерете бутона за включване/изключване на засенчването на хълма в долния ляв ъгъл, където има слънчеви лъчи.
13. Включете засенчването на хълмовете.
14. Променете външния вид на оформлението, като изберете "Инструменти"> "Конфигуриране", като промените настройките във "Вертикални настройки" и "Настройки на шейдера", изберете цвят от всеки бутон "Нисък цвят" или "Висок цвят" в областта на шейдера на градиента.
15. Натиснете бутона "Apply".
16. Отидете в раздела "Вертикални настройки" и експериментирайте с плъзгача "Вертикално преувеличение", щракнете върху "Приложи".
17. Преминете към инструмента за изтегляне на национални карти.
18. Уверете се, че текущите случаи са избрани от менюто над картата. Посочва областта на картата, за която трябва да се намерят данни.
19. Разширете "Elevation Products (3DEP)" в лявото меню и поставете отметка в квадратчето до всеки набор от данни, който искате да изтеглите.
20. Натиснете бутона "Find Products" (Намиране на продукти) и използвайте връзките, предоставени в резултатите от търсенето, за да покажете площта на всеки набор от данни върху картата и да изтеглите предпочитания DEM.
21. Ще бъде създаден ZIP архив, който може да се запази на твърдия диск.
22. Стартирайте Global Mapper и отидете в папката, в която е записан архивът ZIP.
23. Кликнете два пъти върху името на файла. Данните трябва да са видими - софтуерът може да ги прочете дори в компресиран вид.
24. В прозореца на Global Mapper трябва да се появи изображение на данните от ЦМР.
25. Ако DEM Bushkill все още се вижда, отворете Центъра за управление и махнете отметката от DEM Bushkill. Натиснете бутона "Пълен изглед".
26. За да видите данните от ЦМР без засенчване на хълмове, намерете бутона Enable/Disable Hill Shading в лентата с инструменти в долния ляв ъгъл.
27. Включване на засенчването на хълмовете.
28. Можете да промените външния вид, като изберете "Инструменти"> "Конфигуриране" и промяна на настройките във "Вертикални настройки" и "Настройки на шейдъра".
29. Можете да прегледате метаданните, свързани с данните за оформлението, чрез менюто "Инструменти" > "Контролен център". Размерите на пиксела са в градуси, а не в метри.

Софтуер

Налични са различни компютърни програми за обработка на точки и интерполация, включително софтуер, специално адаптиран за измервателни уреди от производители на геодезическо оборудване (Zeiss, Leica, Wild, Sokkia, Trimble). В археологическата практика AutoCAD обикновено се използва за обработка и презапис на реални 3D измервания. За да създавате контурни линии и 3D модели, можете да закупите допълнителни модули или разширени версии. За дизайн 2.5D повърхности, може да се използва всеки ГИС софтуер. Наред с другото, данните от геофизичните проучвания могат лесно да се разчитат и проектират, като се използват данни от наземни проучвания.

Контурните планове могат да се създават във формат DXF. Файловете могат да се експортират в AutoCAD. Засенчените или оцветени модели на терена се експортират в различни графични формати (TIFF, JPEG, BMP) и се интегрират в AutoCAD. Получените модели обикновено се представят в растров формат, в който стойността на надморската височина се приписва на клетка, определена от ъглова координата XY с дадена дължина на страницата. По принцип растерните версии са подобни на данните за изображения, с изключение на това, че вместо стойността на цвета се съхранява стойността на височината.

Конвертирането на растерни цифрови модели на релефа srtm от един формат в друг в софтуера на ГИС обикновено не е проблем, така че не е необходим специфичен формат, особено след като той често вече е фиксиран в техническите спецификации. В зависимост от избраната изходна среда се избират различни методи за изобразяване на повърхностите на терена.

Файлове на AutoCAD (*.dwg) често е трудно да се експортира в други векторни програми, като CorelDraw или Adobe Illustrator, за по-нататъшно редактиране. Въпреки това, за да бъдат включени в публикации, плановете и чертежите на AutoCAD могат да бъдат изведени като PDF файлове, преобразувани в JPEG файлове, разширени или променени с помощта на софтуер за редактиране на изображения.

Обхват на метода

Точната информация за повърхността на Земята е от основно значение за много науки. Топографията контролира редица процеси в земната кора (изпарение, водни потоци, движение на маси, горски пожари), които са важни за обмена на енергия между физическата климатична система в атмосферата и биогеохимичните цикли.

Екологията изследва взаимоотношенията между формите на живот и околна среда, като почва, вода, климат и ландшафт. Хидрологията използва познанията за земния контур, за да моделира движението на водата, ледниците и леда. Геоморфологията описва формите на релефа, като разпознава процесите на оформяне на формата. Климатологията изучава движението на температурата, влагата и въздушните частици.

Друга област на приложение на ЦМР е глобалната класификация на земното покритие. Точното картографиране и класифициране на земната повърхност в глобален мащаб е най-важната предпоставка за широкомащабно моделиране на геоложките процеси. Многобройни проучвания показват пригодността на радарните изображения за документиране и класифициране на естествената растителност и земеделските площи.

В дистанционното наблюдение ЦМР се използват за коригиране на изображения или за получаване на тематична информация за геометрията на сензора и местната топография.

За синергичното използване на различни сензорни системи на ГИС използването на цифрови модели на релефа е от съществено значение за кодирането на сателитните изображения и коригирането на ефектите на терена.