Цифровая модель рельефа: описание, типы, виды, построение

Цифровая модель рельефа (ЦМР) - это специализированная база данных, демонстрирующая форму поверхности между точками заданного уровня, составленную путем интерполяции данных высот, полученных из источников наземной съемки и фотограмметрического сбора на основе прямоугольной сетки моделирования. Программное обеспечение ГИС использует цифровые технологии для трехмерной визуализации, создания контуров и выполнения анализа поверхности.

История развития и современность

Термин ЦМР был введен в 1970-х годах с целью отличить простейшую форму моделирования рельефа местности от более сложных типов электронного представления поверхности. Первоначально он использовался исключительно для растровых представлений: значения высот, заданные в узлах пересечения регулярной сетки. На построение цифровой модели рельефа ранее уходило до нескольких месяцев.

Сегодня современные беспилотники способны собирать необходимые данные, анализировать их до мельчайших деталей и строить визуальный макет в более реалистичные и эффективные сроки. Даже самые недоступные обширные территории Земли теперь можно просматривать и преобразовывать в модель с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), оснащенных самым современным оборудованием.

Различные типы радаров, видеокамер и других инструментов могут быть установлены на дронах в целях сбора требуемой информации для конкретной цифровой модели рельефа. Эта передовая технология в сочетании с самым быстрым программным обеспечением обеспечивают наилучшие результаты в кратчайшие сроки.

26 апреля 2016 года глобальная компания по ИТ-решениям NTT DATA и RESTEC (Японский технологический центр дистанционного зондирования) объявили о том, что их сервис глобальных цифровых карт 3D, называемый AW3D, является первым 5-метровым сервисом трехмерной модели рельефа с охватом всего земного шара, включая Антарктиду. Сервис работает на основе трех миллионов изображений, полученных с помощью спутников DAICHI и модернизированных спутников наблюдения Земли (ALOS) из Японского аэрокосмического Exploration агентства (JAXA).

В феврале 2014 года NTT DATA и RESTEC запустили сервис 3D цифровых карт с ограниченным покрытием. Эта услуга представляет собой значительное улучшение по сравнению с существующими службами, которые предлагают разрешения только 30 и 90 метров. Данные NTT DATA, AW3D уже используются более чем в 60 странах.

Термины, определения и сокращения

Цифровая модель рельефа - это трехмерное изображение поверхности местности, созданное на основе данных о высоте и представленное в виде растра - масштабных квадратов или треугольной нерегулярной сетки.

ЦМР USGS - растровые сетки геозначений, которые выстроены в серии профилей "юг-север". Как и другие параметры USGS, матрицы изначально создавались в виде листов, соответствующих топографическим четырехугольникам:

• крупномасштабные -7,5 /15 минут;
• промежуточные - 30 минут;
• мелкомасштабные - 1 градус.

Плитки для построения цифровой модели рельефа доступны для бесплатной загрузки во многих государственных и региональных центрах обмена информацией.

DEM - цифровая карта рельефа, то есть представление поверхности Земли.

DTM - набор методов, используемых для получения или представления матрицы высот.

Фильтрация матрицы высот - набор методов, применяемых для улучшения геоморфологического сходства матриц.

Анализ или параметризация местности - процесс количественной оценки детализации местности.

Анализ цифровых моделей рельефа (DTA) используется в качестве общего термина для определения параметров применения.

Terrain - карты или изображения, полученные из базы данных с применением DTA.

Источники данных DEM

Топография или рельеф - форма или конфигурация местности, представленная на карте контурными линиями, гипсометрическими оттенками и затенением. В настоящее время существует пять основных источников получения данных для создания цифровой модели рельефа:

• наземные исследования;
• бортовой фотограмметрический сбор информации;
• существующие картографические съемки, например, топографические карты;
• воздушное лазерное сканирование;
• стереоскопические или радиолокационные спутниковые снимки.

Эти методы сбора матрицы сравнивают, рассматривая четыре аспекта:

• цена;
• точность;
• плотность отбора проб;
• требования к предварительной обработке.

Традиционно подобная информация собиралась геодезистами из наземных съемок с последующей полуавтоматической оцифровкой стереоплоттерами. Это самый точный, но и самый дорогой метод сбора данных. Последние разработки касаются автоматического сопоставления стереоизображений, использования изображений с лазерным сканированием, дистанционного зондирования либо со стереоскопическим перекрытием (SPOT, ASTER), либо с помощью интерферометрических фото.

Вторым высокоэффективным современным методом является бортовая и космическая интерферометрическая радиолокационная система, которую применяют для точного получения данных как о земном покрове, так и о местности.

Виды цифровых моделей рельефа

Сравнение нескольких поверхностей возвышения можно использовать для сопоставления трех высот или оценки объема объектов. Лазерное сканирование применяется для строительства зданий, линий электропередач, открытых карьеров, текстур местности и даже геометрии волн на море.

Существуют разные способы моделирования высоты: цифровые модели рельефа (ЦМР), цифровые модели поверхности (ЦМП), цифровые модели местности (ЦММ) и треугольные нерегулярные сети (ТНС).

ЦМП фиксирует естественные и встроенные функции на поверхности Земли и полезна в 3D-моделировании для телекоммуникаций, городского планирования и авиации, поскольку объекты исследования демонстрируются с высотой над уровнем Земли.

ЦМР - это чистая растровая сетка, привязанная к вертикальной системе координат. Когда разработчик отфильтровывает точки, такие как мосты и дороги, он получает плавную цифровую модель рельефа местности. Построенные линии электропередач, зданий и виды растительности не включены в ЦМР. Модель контура чистой земли особенно полезна в планировании гидрологии, почв и землепользования.

ЦММ имеет два определения в зависимости от страны применения. В некоторых странах она фактически является синонимом ЦМР и означает поверхность возвышения, представляющая чистую землю, привязанную к общему вертикальному элементу.

В Соединенных Штатах имеется другое определение цифровых моделей рельефа - это векторный набор данных, состоящий из регулярно расположенных точек и природных элементов, таких как гребни и линии разрыва. Она дополняет матрицу высот, включая линейные характеристики поверхности земли.

В России для ЦММ применяется ГОСТ Р 52440-2005, согласно которому она предназначена для создания картографической базы пространственной привязки геоданных, получаемых в ходе выполнения инженерно-изыскательных исследований, земельно-кадастровых работ, межевания, статистических изучений, других специальных работ и обследований.

Эта модель обычно создается с помощью стереофотограмметрии. Точки расположены на регулярной основе и характеризуют форму голой местности. Из этих регулярных и контурных линий можно интерполировать ЦММ в ЦМР. Она представляет отличительные особенности земной поверхности намного лучше из-за трехмерных линий разрыва и регулярно расположенных трехмерных точек массы.

Триангулированная нерегулярная сеть

Для моделирования непрерывной площади на основе измеренных данных точки местности, лежащие между измерениями, должны быть связаны вычислительными методами. Для этого отдельные точки сначала соединяются в треугольную поверхность, что доступно в векторном формате (TIN: триангулированная нерегулярная сеть) путем интерполяции.

При необходимости векторные данные преобразуются в растровый формат, например, сетку с фиксированным размером ячейки. Для этого используются различные математические методы. Важно протестировать моделирование, чтобы решить, какой из наиболее реалистичных выбрать для изучаемой местности. Хотя некоторые программы ГИС, например, Arc GIS могут обрабатывать TIN, другие работают только с растровыми геомоделями. В зависимости от расположения базовых точек измерения изображаются разные макеты.

Инструменты получения данных высот

После выбора метода для реальной поверхности местности выбирают инструмент получения измерений. В настоящее время широко используются:

1. Беспилотный летательный аппарат.
2. LiDAR - измеряет отраженный свет, который отражается от земли и возвращается к датчику, чтобы получить высоту земной поверхности.
3. Стереофотограмметрия от аэрофотосъемки.
4. Мультипредставление стерео для аэрофотосъемки.
5. Настройка блока из оптических спутниковых изображений.
6. Интерферометрия по радиолокационным данным.
7. Кинематический GPS в реальном времени.
8. Топографические карты.
9. Теодолит или тахеометр.
10. Доплеровский радар.

Некоторые методы дистанционного зондирования для получения матрицы высот:

1. Спутниковая интерферометрия - радар с синтезированной апертурой, такой как «Топографическая миссия Shuttle Radar», использует два радиолокационных изображения с антенн, снятых одновременно, для создания цифровой модели рельефа.
2. Фотограмметрия - в аэрофотосъемке в фотограмметрии применяют фотографии, как минимум с двух разных точек обзора. Подобно тому, как работает человеческое зрение, оно способно получить глубину и перспективу благодаря отдельным точкам обозрения.

Интерполяция цифровых контурных карт

Старые методы генерации ЦМР часто включают интерполяцию цифровых контурных карт, которые могли быть получены при непосредственном обследовании поверхности земли. Этот метод все еще используется в горных районах, где интерферометрия не всегда является удовлетворительной.

Данные контурной линии или любые другие выборочные наборы БД с помощью GPS или наземной съемки не являются цифровой моделью рельефа (ЦМР), но могут рассматриваться, как цифровые модели местности. ЦММ подразумевает, что высота постоянно доступна в каждом месте района исследования.

Качество матрицы является мерой того, насколько точна высота каждого пикселя (абсолютная точность) и насколько точно представлена детализация (относительная точность). Несколько факторов играют важную роль для качества продуктов, полученных на основе матрицы:

• неровности местности;
• плотность отбора проб;
• метод сбора данных о высоте;
• разрешение сетки или размер пикселя;
• алгоритм интерполяции;
• вертикальное разрешение;
• алгоритм анализа местности.

Эталонные 3D-продукты включают в себя качественные маски, которые дают информацию о береговой линии, озере, снежном покрове, облаках и корреляции.

Изучение с помощью ГИС Global Mapper

Первый шаг использовать инструмент поиска в Global Mapper, чтобы создать точечный объект по необходимому адресу - это установление проекции для этой области. Затем с помощью онлайн-инструмента данных можно подключиться к снимкам в высоком разрешении. На сайте ГИС есть ряд полезных слоев, которые можно добавить. Векторные данные загружают в виде шейп-файлов с помощью веб-браузера в Global Mapper простым перетаскиванием файлов.

Технология построения цифровых моделей рельефа:

1. Скачивают DEM.zip архив данных. Размер ZIP-архива составляет 2,5 Мб.
2. Распаковывают архив в каталог на жестком диске.
3. Открывают архив DEM.zip.
4. Создают подкаталог с именем «DEM» в каталоге, в котором сохраняются данные.
5. Извлекают все файлы из архива ZIP в новый подкаталог.
6. Конечным результатом будут два подкаталога, один из которых содержит 30-метровую ЦМР, а другой - 10-метровую ЦМР.
7. Эти наборы данных имеют более ранний формат распространения DEM USGS - высот в горизонтальных (пиксельных) единицах и репрезентативных для области, покрытой листом топографической карты 1:24 000.
8. Запускают Global Mapper.
9. Открывают ЦМР, выбрав «Файл» > «Открыть файл», затем переходят в каталог DEM_30m или DEM_10m, открывая файл bushkill_pa.dem.
10. Используют инструменты Zoom и Pan для увеличения и прокрутки по DEM.
11. Кнопка «Полный просмотр» (значок дом) обновляет исходный полный просмотр набора данных.
12. Чтобы увидеть данные матрицы высот с затенением холма, находят кнопку включения/выключения затенения холма, в левом нижнем углу, где есть солнечные лучи.
13. Включают затенение холмов.
14. Можно изменить внешний вид макета, выбрав «Инструменты»> «Настроить», изменив настройки в «Вертикальных параметрах» и «Параметрах шейдера», выбрать цвет из каждой кнопки «Низкий цвет» или «Высокий цвет» в области градиентного шейдера.
15. Нажимают кнопку «Применить».
16. Переходят на вкладку «Вертикальные параметры» и экспериментируют со слайдером «Вертикальное преувеличение», нажимают «Применить».
17. Переходят к инструменту загрузки национальной карты.
18. Убеждаются, что текущий экстент выбран в меню над картой. Это указывает область на карте, для которой нужно найти данные.
19. Разворачивают раздел «Elevation Products (3DEP)» в левом меню и устанавливают флажок рядом с любым набором данных, который нужно загрузить.
20. Нажимают кнопку «Найти продукты» и используют ссылки, представленные в результатах поиска, чтобы отобразить площадь каждого набора данных на карте и загрузить предпочитаемую ЦМР.
21. Будет создан ZIP-архив, который можно сохранить на жестком диске.
22. Запускают Global Mapper и переходят в папку, где сохранен ZIP-архив.
23. Дважды нажимают на имя файла. Данные должны отображаться - программа может читать их даже в сжатом виде.
24. Изображение данных DEM должно появиться в окне Global Mapper.
25. Если DEM Bushkill все еще виден, открывают Центр управления и снимают флажок DEM Bushkill. Нажимают кнопку «Полный вид».
26. Чтобы просмотреть данные DEM из холма затенения, находят Enable/Disable Hill Shading кнопку на панели инструментов в левом нижнем углу.
27. Включают затенение холмов.
28. Можно изменить внешний вид, выбрав «Инструменты»> «Настроить» и изменив настройки в «Вертикальных параметрах» и «Параметрах шейдера».
29. Можно просмотреть метаданные, связанные с данными макета, через меню «Инструменты» > «Центр управления». Размеры PIXEL указаны в градусах, а не в метрах.

Программное обеспечение

Для обработки и интерполяции точек измерения доступны различные компьютерные программы, включая программное обеспечение, специально адаптированное для измерительных приборов от производителей геодезического оборудования (Zeiss, Leica, Wild, Sokkia, Trimble). В археологической практике программа AutoCAD обычно применяется для обработки и перезаписи реальных данных трехмерных измерений. Для создания контурных линий и 3D-моделей можно приобрести дополнительные модули или расширенные версии. Для проектирования 2.5D поверхностей, может быть использована любая ГИС-программа. Помимо прочего, данные геофизических исследований могут быть легко считаны и спроецированы с помощью данных измерений местности.

Контурные планы можно создать в формате DXF. Файлы экспортируются в AutoCAD. Затененные или цветные макеты местности экспортируются в различные графические форматы (TIFF, JPEG, BMP) и интегрируются в AutoCAD. Полученные модели обычно представлены в растровом формате, в котором значение высоты присваивается ячейке, определенной угловой координатой XY с заданной длиной страницы. В принципе, растровые варианты аналогичны данным изображения, за исключением того, что вместо значения цвета сохраняется значение высоты.

Преобразование растровых цифровых моделей рельефа srtm из одного формата в другой в ГИС-программе обычно не является проблемой, поэтому какой-то конкретный формат здесь не обязателен, тем более что они часто уже зафиксированы в предварительных технических условиях. В зависимости от выбранного выходного носителя выбираются разные способы отображения поверхностей местности.

AutoCAD файлы (*.dwg) часто трудно экспортировать в другие векторные программы, например, CorelDraw или Adobe Illustrator для дальнейшего редактирования. Однако для включения в публикации планы и чертежи AutoCAD можно выводить в виде файлов PDF, преобразовывать в файлы JPEG, расширять или изменять с помощью программ редактирования изображений.

Область применения метода

Точная информация о поверхности Земли имеет фундаментальное значение во многих науках. Топография контролирует диапазон процессов земной коры (испарение, поток воды, движение массы, лесные пожары), которые важны для обмена энергией между физической климатической системой в атмосфере и биогеохимическими циклами.

Экология исследует зависимости между формами жизни и окружающей средой, такой как почва, вода, климат и ландшафт. Гидрология опирается на знания о контуре земли для моделирования движения воды, ледников и льда. Геоморфология описывает рельеф, распознавая процессы формообразования. Климатология исследует потоки температуры, влаги и частиц воздуха.

Еще одна область применения ЦМР - глобальная классификация земельного покрова. Точное картирование и классификация земной поверхности в глобальном масштабе является наиболее важной предпосылкой для крупномасштабного моделирования геологических процессов. В ходе многочисленных исследований было продемонстрировано, что радиолокационные изображения пригодны для документирования и классификации естественной растительности и сельскохозяйственных районов.

При дистанционном зондировании матрицы высот используются для коррекции изображений или получения тематической информации относительно геометрии датчика и локального рельефа.

Таким образом, для синергетического применения различных сенсорных систем ГИС использование цифровых моделей рельефа является необходимым условием для кодирования спутниковых изображений и коррекции эффектов местности.