Цифрова модель рельєфу: опис, типи, види, побудова

521 0 Новини високих технологій

Цифрова модель рельєфу (ЦМР) - це спеціалізована база даних, що демонструє форму поверхні між точками заданого рівня, складену шляхом інтерполяції даних висот, отриманих з джерел наземної зйомки і фотограмметричного збору на основі прямокутної сітки моделювання. Програмне забезпечення ГІС використовують цифрові технології для тривимірної візуалізації, створення контурів і виконання аналізу поверхні.

Історія розвитку та сучасність

Цифрова модель рельєфу: опис, типи, види, побудова
Термін ЦМР був введений в 1970-х роках з метою відрізнити найпростішу форму моделювання рельєфу місцевості від більш складних типів електронного подання поверхні. Спочатку він використовувався виключно для растрових уявлень: значення висот, задані у вузлах перетину регулярної сітки. На побудова цифрової моделі рельєфу раніше йшло до декількох місяців.


Сьогодні сучасні безпілотники здатні збирати необхідні дані, аналізувати їх до найдрібніших деталей і будувати візуальний макет в більш реалістичні і ефективні терміни. Навіть найнедоступніші великі території Землі тепер можна переглядати і перетворювати в модель з допомогою безпілотних літальних апаратів (БПЛА), оснащених найсучаснішим обладнанням. Різні типи радарів, відеокамер та інших інструментів можуть бути встановлені на дронах метою збору необхідної інформації для конкретної цифрової моделі рельєфу. Ця передова технологія в поєднанні з найшвидшим програмним забезпеченням забезпечують найкращі результати у найкоротші терміни.
Цифрова модель рельєфу: опис, типи, види, побудова
26 квітня 2016 року глобальна компанія з ІТ-рішень NTT DATA і RESTEC (Японський технологічний центр дистанційного зондування) оголосили про те, що їх сервіс глобальних цифрових карт 3D, званий AW3D, є першим 5-метровим сервісом тривимірної моделі рельєфу з охопленням всієї земної кулі, включаючи Антарктиду. Сервіс працює на основі трьох мільйонів зображень, отриманих за допомогою супутників DAICHI і модернізованих супутників спостереження Землі (ALOS) з Японського аерокосмічного Exploration агентства (JAXA).


В лютому 2014 року NTT DATA і RESTEC запустили сервіс 3D цифрових карт з обмеженим покриттям. Ця послуга являє собою значне покращення в порівнянні з існуючими службами, які пропонують дозволу тільки 30 і 90 метрів. Дані NTT DATA, AW3D вже використовуються більш ніж в 60 країнах.

Терміни, визначення та скорочення

Цифрова модель рельєфу - це тривимірне зображення поверхні місцевості, створене на основі даних про висоту і представлене у вигляді растру - масштабних квадратів або нерегулярної трикутної сітки.
Цифрова модель рельєфу: опис, типи, види, побудова
ЦМР USGS - растрові сітки геозначений, які збудовані в серії профілів "південь-північ". Як і інші параметри USGS, матриці спочатку створювалися у вигляді листів, відповідних топографічним четырехугольникам:
  • великомасштабні -75 /15 хвилин;
  • проміжні - 30 хвилин;
  • дрібномасштабні - 1 градус.
  • Плитки для побудови цифрової моделі рельєфу доступні для безкоштовного завантаження у багатьох державних і регіональних центрах обміну інформацією.
    DEM - цифрова карта рельєфу, тобто уявлення поверхні Землі. DTM - набір методів, які використовуються для отримання або подання матриці висот. Фільтрація матриці висот - набір методів, які застосовуються для поліпшення геоморфологічного подібності матриць. Аналіз або параметризація місцевості - процес кількісної оцінки деталізації місцевості. Аналіз цифрових моделей рельєфу (DTA) використовується в якості загального терміна для визначення параметрів застосування. Terrain - карти або зображення, отримані з бази даних із застосуванням DTA.

    Джерела даних DEM

    Цифрова модель рельєфу: опис, типи, види, побудова
    Топографія або рельєф - форма або конфігурація місцевості, представлена на карті контурними лініями, гіпсометричними відтінками і затіненням. В даний час існує п'ять основних джерел отримання даних для створення цифрової моделі рельєфу:
  • наземні дослідження;
  • бортовий фотограмметрический збір інформації;
  • наявні картографічні зйомки, наприклад, топографічні карти;
  • повітряне лазерне сканування;
  • стереоскопічні або радіолокаційні супутникові знімки.
  • Ці методи збору матриці порівнюють, розглядаючи чотири аспекти:
  • ціна;
  • точність;
  • щільність відбору проб;
  • вимоги до попередньої обробки.
  • Традиційно подібна інформація збиралася геодезистами з наземних зйомок з подальшою напівавтоматичного оцифруванням стереоплоттерами. Це найбільш точний, але і найдорожчий метод збору даних. Останні розробки стосуються автоматичного співставлення стереозображень, використання зображень з лазерним скануванням, дистанційного зондування або зі стереоскопічним перекриттям (SPOT, ASTER), або з допомогою интерферометрических фото.
    Другим сучасним високоефективним методом є бортова і космічна интерферометрическая радіолокаційна система, яку застосовують для точного отримання даних як про земне покриві, так і про місцевості.

    Види цифрових моделей рельєфу

    Цифрова модель рельєфу: опис, типи, види, побудова
    Порівняння декількох поверхонь піднесення можна використовувати для зіставлення трьох висот або оцінки обсягу об'єктів. Лазерне сканування застосовується для будівництва будівель, ліній електропередач, відкритих кар'єрів, текстур місцевості і навіть геометрії хвиль на морі. Існують різні способи моделювання висоти: цифрові моделі рельєфу (ЦМР), цифрові моделі поверхні (СМП), цифрові моделі місцевості (ЦММ) і трикутні нерегулярні мережі (ТНС). СМП фіксує природні і вбудовані функції на поверхні Землі і корисна в 3D-моделюванні для телекомунікацій, міського планування та авіації, оскільки об'єкти дослідження демонструються з висотою над рівнем Землі. ЦМР - це чиста растрова сітка, прив'язана до вертикальній системі координат. Коли розробник відфільтровує точки, такі як мости і дороги, він отримує плавну цифрову модель рельєфу місцевості. Побудовані лінії електропередач, будівель та види рослинності не включені в ЦМР. Модель контуру чистої землі особливо корисна в плануванні гідрології, ґрунтів та землекористування. ЦММ має два визначення в залежності від країни застосування. У деяких країнах вона фактично є синонімом ЦМР і означає поверхню піднесення, що представляє чисту землю, прив'язану до загального вертикального елемента.

    У Сполучених Штатах є інше визначення цифрових моделей рельєфу - це векторний набір даних, що складається з регулярно розташованих точок і природних елементів, таких як гребені і лінії розриву. Вона доповнює матрицю висот, включаючи лінійні характеристики поверхні землі. У Росії для ЦММ застосовується ГОСТ Р 52440-2005 згідно з яким вона призначена для створення картографічної бази просторової прив'язки геоданих, одержуваних у ході виконання інженерно-пошукових досліджень, земельно-кадастрових робіт, межування, статистичних вивчень, інших спеціальних робіт і обстежень. Ця модель зазвичай створюється з допомогою стереофотограмметрии. Точки розташовані на регулярній основі і характеризують форму голою місцевості. З цих регулярних і контурних ліній можна інтерполювати ЦММ у ЦМР. Вона являє відмітні особливості земної поверхні набагато краще за тривимірних ліній розриву і регулярно розташованих тривимірних точок маси.

    Триангулированная нерегулярна мережа

    Цифрова модель рельєфу: опис, типи, види, побудова
    Для моделювання безперервної площі на основі виміряних даних точки місцевості, що лежать між вимірами, повинні бути пов'язані обчислювальними методами. Для цього окремі точки спочатку з'єднуються в трикутну поверхню, що доступний у векторному форматі (TIN: триангулированная нерегулярна мережа) шляхом інтерполяції.
    При необхідності векторні дані перетворюються в растровий формат, наприклад, сітку з фіксованим розміром комірки. Для цього використовуються різні математичні методи. Важливо протестувати моделювання, щоб вирішити, який з найбільш реалістичних вибрати для досліджуваної місцевості. Хоча деякі програми ГІС, наприклад, Arc GIS можуть обробляти TIN, інші працюють тільки з растровими геомоделями. В залежності від розташування базових точок вимірювання зображуються різні макети.

    Інструменти отримання даних висот

    Після вибору методу для реальної поверхні місцевості вибирають інструмент отримання вимірювань. В даний час широко використовуються:
  • Безпілотний літальний апарат.
  • LiDAR - вимірює відбите світло, що відбивається від землі і повертається до датчика, щоб отримати висоту земної поверхні.
  • Стереофотограмметрия від аерофотозйомки.
  • Мультипредставление стерео для аерофотозйомки.
  • Налаштування блоку з оптичних супутникових зображень.
  • Інтерферометрія по радіолокаційним даними.
  • Кінематичний GPS у реальному часі.
  • Топографічні карти.
  • Теодоліт або тахеометр.
  • Доплерівський радар.
  • Деякі методи дистанційного зондування для отримання матриці висот:
  • Супутникова інтерферометрія - радар з синтезованою апертурою, такий як «Топографічна місія Shuttle Radar», використовує два радіолокаційних зображень з антен, знятих одночасно, для створення цифрової моделі рельєфу.
  • Фотограмметрія - в аерофотозніманню в фотограмметрії застосовують фотографії, як мінімум з двох різних точок огляду. Подібно до того, як працює людський зір, воно здатне отримати глибину і перспективу завдяки окремих точок огляду.
  • Інтерполяція цифрових контурних карт

    Старі методи генерації ЦМР часто включають інтерполяцію цифрових контурних карт, які могли бути отримані при безпосередньому обстеженні поверхні землі. Цей метод все ще використовується в гірських районах, де інтерферометрія не завжди є задовільною. Дані контурної лінії або будь-які інші вибіркові набори БД за допомогою GPS або наземної зйомки не є цифровою моделлю рельєфу (ЦМР), але можуть розглядатися, як цифрові моделі місцевості. ЦММ увазі, що висота постійно доступна в кожному місці району дослідження. Якість матриці є мірою того, наскільки точна висота кожного пікселя (абсолютна точність) і наскільки точно представлена деталізація (відносна точність). Кілька факторів відіграють важливу роль для якості продуктів, отриманих на основі матриці:
  • нерівності місцевості;
  • щільність відбору проб;
  • метод збору даних про висоту;
  • дозвіл сітки або розмір пікселя;
  • алгоритм інтерполяції;
  • вертикальне дозвіл;
  • алгоритм аналізу місцевості.
  • Еталонні 3D-продукти включають в себе якісні маски, які дають інформацію про берегової лінії, озері, сніжному покриві, хмарах і кореляції.

    Вивчення за допомогою ГІС Global Mapper

    Цифрова модель рельєфу: опис, типи, види, побудова
    Перший крок використовувати інструмент пошуку Global Mapper, щоб створити точковий об'єкт по необхідному адресою - це встановлення проекції для цієї області. Потім за допомогою онлайн-інструменту даних можна підключитися до знімків у високій роздільній здатності. На сайті ГІС є ряд корисних верств, які можна додати. Векторні дані завантажують у вигляді шейп-файлів з допомогою веб-браузера в Global Mapper простим перетягуванням файлів. Технологія побудови цифрових моделей рельєфу:
  • Скачують DEM.zip архів даних. Розмір ZIP-архіву становить 25 Мб.
  • Розпаковують архів в каталог на жорсткому диску.
  • Відкривають архів DEM.zip.
  • Створюють підкаталог з ім'ям «DEM» в каталозі, у якому зберігаються дані.
  • Витягають всі файли з архіву в ZIP новий підкаталог.
  • Кінцевим результатом будуть два підкаталогу, один з яких містить 30-метрову ЦМР, а інший - 10-метрову ЦМР.
  • Ці набори даних мають більш ранній формат розповсюдження DEM USGS - висот у горизонтальних (піксельних) одиницях і репрезентативних для області, покритій листком топографічної карти 1:24000.
  • Запускають Global Mapper.
  • Відкривають ЦМР, виберіть «Файл» > «Відкрити файл», потім переходять в каталог DEM_30m або DEM_10m, відкриваючи файл bushkill_pa.dem.
  • Використовують інструменти Zoom і Pan для збільшення і прокручування DEM.
  • Кнопка «Повний перегляд» (значок будинок) оновлює вихідний повний перегляд набору даних.
  • Щоб побачити дані матриці висот з затіненням пагорба, знаходять кнопку включення/вимикання затінення пагорба, в лівому нижньому куті, де є сонячні промені.
  • Включають затінення пагорбів.
  • Можна змінити зовнішній вигляд макета, вибравши «Інструменти»> «Налаштувати», змінивши налаштування «Вертикальних параметрах» і «Параметрах шейдера», вибрати колір з кожної кнопки «Низький колір» або «Високий колір» в області градієнтного шейдера.
  • Натискають кнопку «Застосувати».
  • Переходять на вкладку «Вертикальні параметри» і експериментують зі слайдером «Вертикальне перебільшення», натискають «Застосувати».
  • Переходять до інструменту завантаження національної карти.
  • Переконуються, що поточний экстент вибраний у меню над картою. Це вказує область на карті, для якої потрібно знайти дані.
  • Розгортають розділ «Elevation Products (3DEP)» в лівому меню і встановлюють прапорець поруч з будь-яким набором даних, який потрібно завантажити.
  • Натискають кнопку «Знайти продукти» і використовують посилання, представлені в результатах пошуку, щоб відобразити площа кожного набору даних на карті і завантажити бажану ЦМР.
  • Буде створено ZIP-архів, який можна зберегти на жорсткому диску.
  • Запускають Global Mapper і переходять в папку, де зберігається ZIP-архів.
  • Двічі натискають на ім'я файлу. Дані повинні відображатися - програма може читати їх навіть у стислому вигляді.
  • Зображення даних DEM має з'явитися у вікні Global Mapper.
  • Якщо DEM Bushkill всі ще видно, відкривають Центр управління і знімають прапорець DEM Bushkill. Натискають кнопку «Повний вигляд».
  • Щоб переглянути дані DEM з пагорба затінення, знаходять Enable/Disable Hill Shading кнопку на панелі інструментів у лівому нижньому куті.
  • Включають затінення пагорбів.
  • Можна змінити зовнішній вигляд, вибравши «Інструменти»> «Налаштувати» і змінивши налаштування «Вертикальних параметрах» і «Параметрах шейдера».
  • Можна переглядати метадані, пов'язані з даними макета, через меню «Інструменти» > «Центр управління». Розміри PIXEL вказані в градусах, а не в метрах.
  • Програмне забезпечення

    Цифрова модель рельєфу: опис, типи, види, побудова
    Для обробки та інтерполяції точок вимірювання доступні різні комп'ютерні програми, включаючи програмне забезпечення, спеціально адаптоване для вимірювальних приладів від виробників геодезичного обладнання (Zeiss, Leica, Wild, Sokkia, Trimble). В археологічній практиці програма AutoCAD зазвичай застосовується для обробки і перезапису реальних тривимірних даних вимірювань. Для створення контурних ліній і 3D-моделей можна придбати додаткові модулі або розширені версії. Для проектування 2.5 D поверхонь, може бути використана будь-яка ГІС-програма. Крім іншого, дані геофізичних досліджень можуть бути легко прочитані і спроектовані з допомогою даних вимірювань місцевості. Контурні плани можна створити у форматі DXF. Файли експортуються в AutoCAD. Затінені або кольорові макети місцевості експортуються в різні графічні формати (TIFF, JPEG, BMP) і інтегруються в AutoCAD. Отримані моделі зазвичай представлені в растровому форматі, в якому значення висоти присвоюється комірці, певною кутовою координатою XY із заданою довжиною сторінки. В принципі, растрові варіанти аналогічні зображення, за винятком того, що замість значення кольору зберігається значення висоти. Перетворення растрових цифрових моделей рельєфу srtm з одного формату в інший в ГІС-програми зазвичай не є проблемою, тому якийсь конкретний формат тут не обов'язковий, тим більше, що вони часто вже зафіксовані в попередніх технічних умовах. В залежності від обраного вихідного носія вибираються різні способи відображення поверхонь місцевості. AutoCAD файли (*.dwg) часто важко експортувати в інші векторні програми, наприклад, corel draw або Adobe Illustrator для подальшого редагування. Проте для включення до публікації плани і креслення AutoCAD можна виводити у вигляді файлів PDF, перетворювати у файли JPEG, розширювати чи змінювати за допомогою програм редагування зображень.

    Область застосування методу

    Цифрова модель рельєфу: опис, типи, види, побудова
    Точна інформація про поверхні Землі має фундаментальне значення в багатьох науках. Топографія контролює діапазон процесів земної кори (випаровування, потік води, рух маси, лісові пожежі), які важливі для обміну енергією між фізичною кліматичною системою в атмосфері і биогеохимическими циклами. Екологія досліджує залежності між формами життя і навколишнім середовищем, такий ґрунт, вода, клімат і ландшафт. Гідрологія спирається на знання про контурі землі для моделювання руху води, льодовиків і льоду. Геоморфологія описує рельєф, розпізнаючи процеси формоутворення. Кліматологія досліджує потоки температури, вологи і частинок повітря. Ще одна область застосування ЦМР - глобальна класифікація земельного покриву. Точне картування та класифікація земної поверхні в глобальному масштабі є найбільш важливою передумовою для великомасштабного моделювання геологічних процесів. В ході численних досліджень було продемонстровано, що радіолокаційні зображення придатні для документування та класифікації природної рослинності та сільськогосподарських районів. При дистанційному зондуванні матриці висот використовуються для корекції зображень або отримання тематичної інформації щодо геометрії датчика і локального рельєфу. Таким чином, для синергетичного застосування різних сенсорних систем ГІС використання цифрових моделей рельєфу є необхідною умовою для кодування супутникових зображень і корекції ефектів місцевості.

    Популярі новини
    Загрузка...