Digitální výškový model - Digital elevation model

A digitální výškový model (DEM) je 3D počítačová grafika zastoupení nadmořská výška údaje představovat terén, běžně a planeta (např. Země ), měsíc nebo asteroid. „Globální DEM“ označuje a diskrétní globální síť. DEM se často používají v geografické informační systémy, a jsou nejběžnějším základem pro digitálně vyráběné reliéfní mapy.
Zatímco digitální povrchový model (DSM) může být užitečný pro modelování krajiny, městské modelování a vizualizační aplikace je pro modelování záplav nebo odvodnění často vyžadován digitální model terénu (DTM), územní studie,[1] geologické aplikace a další aplikace,[2] a v planetární věda.
Terminologie

Termíny neexistují univerzálně digitální výškový model (DEM), digitální model terénu (DTM) a digitální povrchový model (DSM) ve vědecké literatuře. Ve většině případů termín digitální povrchový model představuje zemský povrch a zahrnuje na něm všechny objekty. Na rozdíl od DSM, digitální model terénu (DTM) představuje holý povrch země bez jakýchkoli objektů, jako jsou rostliny a budovy (viz obrázek vpravo).[3][4]
DEM se často používá jako obecný termín pro DSM a DTM,[5] představují pouze informace o výšce bez jakékoli další definice povrchu.[6] Další definice vyrovnávají pojmy DEM a DTM,[7] vyrovnat podmínky DEM a DSM,[8] definovat DEM jako podmnožinu DTM, která také představuje další morfologické prvky,[9] nebo definujte DEM jako obdélníkový mřížka a DTM jako trojrozměrný model (CÍN ).[10] Většina poskytovatelů údajů (USGS, ERSDAC, CGIAR, Přímý obrázek ) používají výraz DEM jako obecný výraz pro DSM a DTM. Všechny datové sady zachycené pomocí satelitů, letadel nebo jiných létajících platforem jsou původně DSM SRTM nebo ASTER GDEM, i když v zalesněných oblastech SRTM sáhne do koruny stromů a dává hodnoty někde mezi DSM a DTM). Je možné odhadnout DTM z datových sad DSM s vysokým rozlišením pomocí složitých algoritmů (Li et al.V následujícím textu se termín DEM používá jako obecný termín pro DSM a DTM.
Typy

DEM může být reprezentován jako a rastr (mřížka čtverců, známá také jako a výšková mapa když představuje elevaci) nebo jako vektorový trojúhelníková nepravidelná síť (CÍN). Datová sada TIN DEM se také označuje jako primární (měřený) DEM, zatímco Raster DEM se označuje jako sekundární (vypočítaný) DEM.[11] DEM lze získat pomocí technik, jako jsou fotogrammetrie, lidar, IfSAR nebo InSAR, zeměměřičství atd. (Li et al. 2005).
DEM jsou běžně vytvářeny pomocí dat shromážděných pomocí technik dálkového průzkumu Země, ale mohou být také vytvořeny z geodetických průzkumů.
Vykreslování

Samotný digitální výškový model se skládá z matice čísel, ale data z DEM se často vykreslují ve vizuální podobě, aby byla lidem srozumitelná. Tato vizualizace může mít podobu kontury topografická mapa, nebo může použít stínování a falešná barva přiřazení (nebo „pseudobarva“) k vykreslení výšek jako barev (například použití zelené pro nejnižší výšky, stínování na červenou a bílé pro nejvyšší výšku.).
Vizualizace se někdy také provádějí jako šikmé pohledy, rekonstruující syntetický vizuální obraz terénu, jak by vypadal při pohledu dolů pod úhlem. V těchto šikmých vizualizacích jsou výšky někdy zmenšeny pomocí „vertikální přehánění „aby byly patrné jemné výškové rozdíly.[12] Někteří vědci,[13][14] namítejte však proti vertikálnímu přehánění, protože diváka zavádí o skutečné krajině.
Výroba
Mapovače mohou připravovat modely digitálních výšek mnoha způsoby, ale často je používají dálkový průzkum Země spíše než přímé průzkum data.
Starší metody generování DEM často zahrnují interpolovat digitální obrysové mapy, které mohly být vytvořeny přímým průzkumem povrchu země. Tato metoda se stále používá v hora oblasti, kde interferometrie není vždy uspokojivé. Všimněte si, že vrstevnice data ani žádné jiné vzorkované datové soubory nadmořské výšky (pomocí GPS nebo pozemního průzkumu) nejsou DEM, ale lze je považovat za digitální modely terénu. DEM znamená, že nadmořská výška je k dispozici nepřetržitě v každém místě ve studované oblasti.
Satelitní mapování
Jednou výkonnou technikou pro generování digitálních výškových modelů je interferometrický radar se syntetickou clonou kde dva průchody radarového satelitu (např RADARSAT-1 nebo TerraSAR-X nebo Cosmo SkyMed ), nebo jeden průchod, pokud je satelit vybaven dvěma anténami (například SRTM shromáždit dostatek dat k vygenerování digitální výškové mapy desítky kilometrů na straně s rozlišením kolem deseti metrů.[15] Jiné druhy stereoskopický páry lze použít pomocí digitální korelace obrazu metoda, při které jsou získávány dva optické obrazy s různými úhly pořízenými ze stejného průletu letounu nebo Družice pro pozorování Země (jako je nástroj HRS z SPOT5 nebo VNIR pásmo ASTRA ).[16]
The SPOT 1 satelit (1986) poskytli první použitelná data o nadmořské výšce pro značnou část zemské masy planety pomocí dvouprůchodové stereoskopické korelace. Později poskytla další údaje Evropský satelit dálkového průzkumu Země (ERS, 1991) používající stejnou metodu, Topografická mise raketoplánu (SRTM, 2000) využívající jednoprůchodové SAR a Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER, 2000) přístrojové vybavení na Satelitní Terra pomocí dvojpásmových stereofonních párů.[16]
Nástroj HRS na SPOT 5 získal více než 100 milionů kilometrů čtverečních stereofonních párů.
Planetární mapování

Nástroj zvyšování hodnoty v planetární věda bylo použití orbitální altimetrie používané k vytvoření digitální výškové mapy planet. Primárním nástrojem je toto laserová výškoměr ale používá se také radarová výškoměr.[17] Planetární digitální výškové mapy vyrobené pomocí laserové altimetrie zahrnují Laserový výškoměr Mars Orbiter (MOLA) mapování Marsu,[18] the Lunární orbitální laserový výškoměr (LOLA)[19] a Lunar Altimeter (LALT) mapování Měsíce a Mercury Laser Altimeter (MLA) mapování Merkura.[20] Při planetárním mapování má každé planetární těleso jedinečnou referenční plochu.[21]
Metody pro získání dat o nadmořské výšce použité k vytvoření DEM

- Lidar[22]
- Radar
- Stereo fotogrammetrie z letecké průzkumy
- Struktura z pohybu / Multi-view stereo aplikováno na letecké snímkování[23]
- Nastavení blokování z optických satelitních snímků
- Interferometrie z radarových dat
- Kinematika v reálném čase GPS
- Topografické mapy
- Teodolit nebo totální stanice
- Dopplerův radar
- Varianta ostření
- Inerciální průzkumy
- Geodetické práce a mapování drony
- Zobrazování dosahu
Přesnost
Kvalita DEM je měřítkem toho, jak přesná je výška u každého pixelu (absolutní přesnost) a jak přesně je prezentována morfologie (relativní přesnost). Pro kvalitu produktů odvozených od DEM hraje důležitou roli několik faktorů:
- drsnost terénu;
- hustota vzorkování (metoda sběru dat o nadmořské výšce);
- rozlišení mřížky nebo pixel velikost;
- interpolace algoritmus;
- vertikální rozlišení;
- algoritmus analýzy terénu;
- Mezi referenční 3D produkty patří kvalitní masky, které poskytují informace o pobřeží, jezeře, sněhu, oblacích, korelaci atd.
Použití




Mezi běžné použití DEM patří:
- Extrahování parametrů terénu pro geomorfologie
- Modelování průtok vody pro hydrologie nebo hromadný pohyb (například laviny a sesuvy půdy )
- Modelování vlhkosti půdy pomocí kartografických indexů hloubky vody (index DTW)[22]
- Tvorba reliéfních map
- Vykreslování 3D vizualizace.
- 3D plánování letu a TERCOM
- Tvorba fyzických modelů (včetně vyvýšené reliéfní mapy )
- Oprava letecké snímkování nebo satelitní snímky
- Snížení (oprava terénu) o gravitace Měření (gravimetrie, fyzická geodézie )
- Analýza terénu v geomorfologie a fyzická geografie
- Geografické informační systémy (GIS)
- Inženýrství a infrastruktura design
- Satelitní navigace (například GPS a GLONASS )
- Analýza přímého pohledu
- Základní mapování
- Simulace letu
- Simulace vlaku
- Přesné zemědělství a lesnictví[24]
- Analýza povrchu
- Inteligentní dopravní systémy (SVÉ)
- Bezpečnost vozidla / pokročilé asistenční systémy pro řidiče (ADAS)
- Archeologie
Zdroje
Volá se bezplatná DEM celého světa GTOPO30 (30 arcsecond rozlišení, c. 1km podél rovníku) je k dispozici, ale jeho kvalita je proměnlivá a v některých oblastech je velmi špatná. Mnohem kvalitnější DEM z nástroje Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) přístroje Satelitní Terra je také volně dostupný pro 99% světa a představuje nadmořskou výšku 30 Metr rozlišení. Podobně vysoké rozlišení bylo dříve k dispozici pouze pro Území Spojených států pod daty Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), zatímco většina zbytku planety byla pokryta pouze v rozlišení 3 úhlové sekundy (přibližně 90 metrů podél rovníku). SRTM nepokrývá polární oblasti a neobsahuje horské a pouštní oblasti (neplatné). Data SRTM, odvozená z radaru, představují nadmořskou výšku povrchu prvního odrazu - často vrcholů stromů. Data tedy nemusí nutně reprezentovat povrch země, ale vrchol všeho, na co se radar poprvé setká.
Nadmořská výška ponorky (známá jako batymetrie ) data jsou generována pomocí namontovaného na lodi hloubkové sondování. Když se spojí topografie země a batymetrie, opravdu globální model úlevy je získáno. Datová sada SRTM30Plus (použitá v Světový vítr NASA ) se pokouší zkombinovat GTOPO30, SRTM a batymetrická data a vytvořit tak skutečně globální výškový model.[25] Globální topografický a reliéfní model Earth2014[26] poskytuje vrstvené topografické mřížky v rozlišení 1 obloukové minuty. Kromě SRTM30plus poskytuje Earth2014 informace o výškách ledových štítů 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 úhlové sekundy. Je založen na datech SRTM a kombinuje další data mimo pokrytí SRTM. Očekává se nový globální DEM příspěvků nižších než 12 ma výškové přesnosti menší než 2 m TanDEM-X satelitní mise, která byla zahájena v červenci 2010.
Nejběžnější rastrový (rastrový) rozestup je mezi 50 a 500 metry. V gravimetrii může být například primární mřížka 50 m, ale je přepnuta na 100 nebo 500 metrů ve vzdálenostech asi 5 nebo 10 kilometrů.
Od roku 2002 nástroj HRS na SPOT 5 získal více než 100 milionů kilometrů čtverečních stereofonních párů používaných k výrobě DEM formátu DTED2 (s vysíláním 30 metrů) formátu DEM DTED2 přes 50 milionů km2.[27] Radarový satelit RADARSAT-2 byl použit uživatelem MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. poskytovat DEM pro komerční a vojenské zákazníky.[28]
V roce 2014 budou akvizice z radarových satelitů TerraSAR-X a TanDEM-X k dispozici v podobě jednotného globálního pokrytí s rozlišením 12 metrů.[29]
ALOS poskytuje od roku 2016 globální DSM s 1 obloukem zdarma,[30] a komerční 5metrový DSM / DTM.[31]
Mnoho národních mapovacích agentur produkuje své vlastní DEM, často s vyšším rozlišením a kvalitou, ale často je nutné je zakoupit a cena je obvykle neúnosná pro všechny kromě veřejných orgánů a velkých korporací. DEM jsou často produktem národní datový soubor lidar programy.
Zdarma jsou k dispozici také DEM Mars: MEGDR neboli Mission Experiment Gridded Data Record, z Mars Global Surveyor přístroj Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA); a NASA Mars Digital Terrain Model (DTM).[32]
OpenTopografie[33] je webový komunitní zdroj pro přístup k topografickým datům (data lidar a DEM) orientovaným na vědu o Zemi a zpracovatelským nástrojům běžícím na komoditním a vysoce výkonném výpočetním systému spolu se vzdělávacími zdroji.[34] OpenTopography je založen na superpočítačovém centru v San Diegu[35] 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.[36] Základní provozní podpora OpenTopography pochází od National Science Foundation, Division of Earth Sciences.
OpenDemSearcher je Mapclient s vizualizací oblastí s volnými dostupnými DEM ve středním a vysokém rozlišení.[37]

Spojené státy
The Americký geologický průzkum vyrábí Datová sada národní nadmořské výšky, bezproblémový DEM pro USA, Havaj a Portoriko založený na 7,5 'topografickém mapování. Od začátku roku 2006 nahrazuje dřívější kachlový formát DEM (jeden DEM za USGS topografická mapa ).[38][39]
OpenTopografie[33] je americký komunitní zdroj přístupu k velkému množství topografických dat s vysokým rozlišením pro USA[34]
Viz také
- Digitální model výchozu
- Globální model pomoci
- Fyzický model terénu
- Terénní kartografie
- Vykreslování terénu
Formáty souborů DEM
- Batymetrická přiřazená mřížka (TAŠKA)
- DTED
- Databáze ESA DIMAP Sentinel 1
- SDTS DEM
- USGS DEM
Reference
- ^ I. Balenovic, H. Marjanovic, D. Vuletic atd. Hodnocení kvality digitálního modelu povrchu s vysokou hustotou v různých třídách krajinného pokryvu. PERIODICUM BIOLOGORUM. VOL. 117, č. 4, 459–470, 2015.
- ^ „Příloha A - Glosář a zkratky“ (PDF). Plán povodňových povodí přílivových přílivů - fáze stanovení rozsahu. SPOJENÉ KRÁLOVSTVÍ: Agentura pro životní prostředí. Archivovány od originál (PDF) dne 10.7.2007.
- ^ „Intermap Digital Surface Model: přesné, plynulé, velkoplošné povrchové modely“. Archivovány od originál dne 28. 9. 2011.
- ^ Li, Z., Zhu, Q. and Gold, C. (2005), Digitální modelování terénu: principy a metodologie, CRC Press, Boca Raton, FL.
- ^ Hirt, C. (2014). „Digitální modely terénu“. Encyklopedie geodézie: 1–6. doi:10.1007/978-3-319-02370-0_31-1. ISBN 978-3-319-01868-3. Citováno 10. února 2016.
- ^ Peckham, Robert Joseph; Jordan, Gyozo (Eds.) (2007): Development and Applications in a Policy Support Environment Series: Lecture Notes in Geoinformation and Cartography. Heidelberg.
- ^ Podobnikar, Tomaz (2008). „Metody pro hodnocení vizuální kvality digitálního modelu terénu“. S.A.P.I.EN.S. 1 (2).
- ^ Adrian W. Graham, Nicholas C. Kirkman, Peter M. Paul (2007): Návrh mobilní rádiové sítě v pásmech VHF a UHF: praktický přístup. West Sussex.
- ^ „DIN Standard 18709-1“. Archivovány od originál dne 11.01.2011.
- ^ "Glosář sesuvů půdy USGS". Archivovány od originál dne 16. 05. 2011.
- ^ RONALD TOPPE (1987): Terénní modely - nástroj pro mapování přírodních rizik. In: Formace, pohyb a účinky laviny (Proceedings of the Davos Symposium, září 1986). IAHS Publ. Ne. 162,1987
- ^ Vytváření 3D terénních map, Stínovaná úleva. Vyvolány 11 March 2019.
- ^ David Morrison, “„Flat-Venus Society“ organizuje ", EOS, svazek 73, Vydání 9, Americká geofyzikální unie, 3. března 1992, s. 99. https://doi.org/10.1029/91EO00076. Vyvolány 11 March 2019.
- ^ Robert Simmon. "Elegantní postavy, co nedělat: Vertikální přehánění," NASA Earth Observatory, 5. listopadu 2010. Citováno 11. března 2019.
- ^ „WorldDEM (TM): Airbus Defence and Space“. www.inteligence-airbusds.com.
- ^ A b Nikolakopoulos, K. G .; Kamaratakis, E. K.; Chrysoulakis, N. (10. listopadu 2006). "Produkty SRTM vs ASTER. Porovnání pro dva regiony na Krétě v Řecku" (PDF). International Journal of Remote Sensing. 27 (21): 4819–4838. doi:10.1080/01431160600835853. ISSN 0143-1161. S2CID 1939968. Archivovány od originál (PDF) 21. července 2011. Citováno 22. června 2010.
- ^ Hargitai, Henrik; Willner, Konrad; Buchroithner, Manfred (2019), Hargitai, Henrik (ed.), „Methods in Planetary Topographic Mapping: A Review“, Planetární kartografie a GIS, Springer International Publishing, s. 147–174, doi:10.1007/978-3-319-62849-3_6, ISBN 978-3-319-62848-6
- ^ Bruce Banerdt, Orbitální laserový výškoměr, Marťanská kronika, svazek 1„, Č. 3, NASA. Vyvolány 11 March 2019.
- ^ NASA, LOLA. Vyvolány 11 March 2019.
- ^ John F. Cavanaugh, a kol., "Merkurový laserový výškoměr pro misi MESSENGER ", Space Sci Rev, DOI 10.1007 / s11214-007-9273-4, 24. srpna 2007. Citováno 11. března 2019.
- ^ Hargitai, Henrik; Willner, Konrad; Hare, Trent (2019), Hargitai, Henrik (ed.), „Fundamental Frameworks in Planetary Mapping: A Review“, Planetární kartografie a GIS, Springer International Publishing, s. 75–101, doi:10.1007/978-3-319-62849-3_4, ISBN 978-3-319-62848-6
- ^ A b Campbell, D. M. H .; White, B .; Arp, P. A. (2013-11-01). „Modelování a mapování odolnosti půdy proti pronikání a říje pomocí digitálních údajů o nadmořské výšce odvozených z LiDAR“. Věstník ochrany půdy a vody. 68 (6): 460–473. doi:10,2489 / jswc.68.6.460. ISSN 0022-4561.
- ^ James, M. R.; Robson, S. (2012). „Přímá rekonstrukce 3D povrchů a topografie pomocí kamery: Přesnost a geovědní aplikace“ (PDF). Journal of Geophysical Research: Earth Surface. 117: n / a. doi:10.1029 / 2011JF002289.
- ^ "I. Balenović, A. Seletković, R. Pernar, A. Jazbec. Odhad střední výšky stromů lesních porostů fotogrammetrickým měřením pomocí digitálních leteckých snímků s vysokým prostorovým rozlišením. VÝROČNÍ ZPRÁVY V OBLASTI LESU. 58 (1), P. 125–143, 2015 “.
- ^ „Dokument Martina Gamache o bezplatných zdrojích globálních dat“ (PDF).
- ^ Hirt, C .; Rexer, M. (2015). „Earth2014: 1 obloukový tvar, topografie, modely skalního podloží a ledového štítu - k dispozici jako mřížková data a sférické harmonické stupně -10 800“ (PDF). International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation. 39: 103–112. doi:10.1016 / j.jag.2015.03.001. hdl:20.500.11937/25468. Citováno 20. února 2016.
- ^ „Služby GEO Elevation: Airbus Defence and Space“. www.astrium-geo.com.
- ^ „International - Geospatial“. gs.mdacorporation.com.
- ^ „TerraSAR-X: Airbus Defence and Space“. www.astrium-geo.com.
- ^ „ALOS World 3D - 30 m“. www.eorc.jaxa.jp.
- ^ „ALOS World 3D“. www.aw3d.jp.
- ^ „Základní průvodce používáním modelů s digitální elevací s Terragenem“. Archivovány od originál dne 19. 05. 2007.
- ^ A b „OpenTopography“. www.opentopography.org.
- ^ A b „O OpenTopography“.
- ^ „Superpočítačové centrum v San Diegu“. www.sdsc.edu. Citováno 2018-08-16.
- ^ "Domů | UNAVCO". www.unavco.org. Citováno 2018-08-16.
- ^ Opendreamsearcher
- ^ „Archivovaná kopie“. Archivovány od originál dne 2006-09-23. Citováno 2006-12-07.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
- ^ "Chyba 404 - stránka nenalezena". herbert.gandraxa.com. Citovat používá obecný název (Pomoc)
Další čtení
- Wilson, J.P .; Gallant, J. C. (2000). "Kapitola 1" (PDF). In Wilson, J.P .; Gallant, J.C. (eds.). Analýza terénu: Principy a aplikace. New York: Wiley. s. 1–27. ISBN 978-0-471-32188-0. Citováno 2007-02-16.
- Hirt, C .; Filmer, M.S .; Featherstone, W.E. (2010). „Srovnání a ověření nedávných volně dostupných modelů digitálních elevací ASTER-GDEM ver1, SRTM ver4.1 a GEODATA DEM-9S ver3 nad Austrálií“. Australian Journal of Earth Sciences. 57 (3): 337–347. doi:10.1080/08120091003677553. hdl:20.500.11937/43846. S2CID 140651372. Citováno 5. května 2012.
- Rexer, M .; Hirt, C. (2014). „Porovnání bezplatných digitálních datových souborů s vysokým rozlišením s vysokým rozlišením (ASTER GDEM2, SRTM v2.1 / v4.1) a ověření proti přesné výšce z australské národní gravitační databáze“ (PDF). Australian Journal of Earth Sciences. 61 (2): 213–226. doi:10.1080/08120099.2014.884983. hdl:20.500.11937/38264. S2CID 3783826. Archivovány od originál (PDF) 7. června 2016. Citováno 24. dubna 2014.
externí odkazy
- Srovnání kvality DEM
- Terrainmap.com
- Maps-for-free.com
- Získávání geoprostorových dat
- Výškový mapovač, vytváření georeferenčních výškových map
- Datové produkty
- Satelitní geodézie podle Scripps Institution of Oceanography
- Topografická mise raketoplánu podle NASA / JPL
- Globální výška 30 obloukových vteřin (GTOPO30) podle amerického geologického průzkumu
- Globální údaje o výšce terénu s více rozlišeními 2010 (GMTED2010) podle amerického geologického průzkumu
- Země 2014 podle Technische Universität München