Digital höjdmodell - Digital elevation model

3D -rendering av en DEM av Tithonium Chasma på Mars

En digital höjdmodell ( DEM ) är en 3D datorgrafik representation av höjddata för att representera terräng , vanligen av en planet , månen , eller asteroiden . En "global DEM" avser ett diskret globalt nät . DEM används ofta i geografiska informationssystem och är den vanligaste grunden för digitalt producerade reliefkartor .

Även om en digital ytmodell (DSM) kan vara användbar för liggande modellering , stadsmodellering och visualiseringsapplikationer, krävs ofta en digital terrängmodell (DTM) för översvämnings- eller dräneringsmodellering, markanvändningsstudier , geologiska applikationer och andra applikationer, och inom planetvetenskap .

Terminologi

Ytor som representeras av en digital ytemodell inkluderar byggnader och andra föremål. Digitala terrängmodeller representerar barmarken.

Det finns ingen universell användning av termerna digital elevation model (DEM), digital terrain model (DTM) och digital surface model (DSM) i vetenskaplig litteratur. I de flesta fall representerar termen digital ytmodell jordens yta och inkluderar alla objekt på den. I motsats till en DSM representerar den digitala terrängmodellen (DTM) den tomma markytan utan föremål som växter och byggnader (se figuren till höger).

DEM används ofta som en generisk term för DSM och DTM, som endast representerar höjdinformation utan någon ytterligare definition av ytan. Andra definitioner utjämnar termerna DEM och DTM, utjämnar termerna DEM och DSM, definierar DEM som en delmängd av DTM, som också representerar andra morfologiska element, eller definierar en DEM som ett rektangulärt rutnät och en DTM som en tredimensionell modell ( TIN ). De flesta av dataleverantörerna ( USGS , ERSDAC , CGIAR , Spot Image ) använder termen DEM som en generisk term för DSM och DTM. Vissa datamängder som SRTM eller ASTER GDEM är ursprungligen DSM, men i skogsområden når SRTM in i trädkronan och avläser någonstans mellan en DSM och en DTM). Det är möjligt att uppskatta en DTM från högupplösta DSM -datamängder med komplexa algoritmer (Li et al. , 2005). I det följande används termen DEM som en generisk term för DSM och DTM.

Typer

Höjdkarta över jordens yta (inklusive vatten och is), gjord som ett ekvektangulärt projektion med höjder indikerade som normaliserad 8-bitars gråskala, där ljusare värden indikerar högre höjd

En DEM kan representeras som en raster (ett rutnät med rutor, även känt som en höjdkarta när den representerar höjd) eller som ett vektorbaserat triangulärt oregelbundet nätverk (TIN). TIN DEM -datasetet kallas också en primär (uppmätt) DEM, medan Raster DEM kallas en sekundär (beräknad) DEM. DEM kan förvärvas genom tekniker som fotogrammetri , lidar , IfSAR eller InSAR , landmätning , etc. (Li et al. 2005).

DEM byggs vanligtvis med data som samlats in med hjälp av fjärranalystekniker, men de kan också byggas från landmätning.

Tolkning

Reliefkarta över Spaniens Sierra Nevada, som visar användning av både skuggning och falsk färg som visualiseringsverktyg för att indikera höjd

Själva den digitala höjdmodellen består av en matris med tal, men data från en DEM återges ofta i visuell form för att göra den begriplig för människor. Denna visualisering kan vara i form av en konturerad topografisk karta , eller kan använda skuggning och falsk färgtilldelning (eller "pseudofärg") för att göra höjder som färger (till exempel med grönt för de lägsta höjderna, skuggning till rött, med vit för högsta höjden.).

Visualiseringar görs ibland också som snedställda vyer och rekonstruerar en syntetisk visuell bild av terrängen som den ser ut att se ner i en vinkel. I dessa sneda visualiseringar skalas höjder ibland med hjälp av " vertikal överdrift " för att göra subtila höjdskillnader mer märkbara. Vissa forskare invänder dock mot vertikal överdrift som vilseleder betraktaren om det sanna landskapet.

Produktion

Kartläggare kan förbereda digitala höjdmodeller på ett antal sätt, men de använder ofta fjärranalys snarare än direkt undersökningsdata .

Äldre metoder för att generera DEM innebär ofta interpolering av digitala konturkartor som kan ha tagits fram genom direkt undersökning av markytan. Denna metod används fortfarande i bergsområden, där interferometri är inte alltid tillfredsställande. Observera att konturlinjedata eller andra samplade höjddatauppsättningar (med GPS eller markundersökning) inte är DEM, utan kan betraktas som digitala terrängmodeller. En DEM innebär att höjden är tillgänglig kontinuerligt på varje plats i studieområdet.

Satellitkartläggning

En kraftfull teknik för att generera digitala höjdmodeller är interferometrisk syntetisk bländarradar där två passager av en radarsatellit (som RADARSAT-1 eller TerraSAR-X eller Cosmo SkyMed ), eller ett enda pass om satelliten är utrustad med två antenner (som SRTM -instrumentering), samla in tillräckligt med data för att generera en digital höjdkarta tiotals kilometer på en sida med en upplösning på cirka tio meter. Andra typer av stereoskopiska par kan användas med den digitala bildkorrelationsmetoden , där två optiska bilder förvärvas med olika vinklar tagna från samma pass av ett flygplan eller en jordobservationssatellit (t.ex. HRS -instrumentet för SPOT5 eller VNIR -bandet av ASTER ).

Den SPOT en satellit (1986) gav de första användbara höjddata för en ansenlig del av planetens landmassa, med användning av två-pass stereoskopisk korrelation. Senare tillhandahölls ytterligare data av den europeiska fjärrsensorerande satelliten (ERS, 1991) med samma metod, Shuttle Radar Topography Mission (SRTM, 2000) med hjälp av enkelpass SAR och Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER, 2000) instrumentering på Terra-satelliten med hjälp av dubbelpassade stereopar.

HRS -instrumentet på SPOT 5 har förvärvat över 100 miljoner kvadratkilometer stereopar.

Planetkartläggning

MOLA digital höjdmodell som visar de två halvklotet på Mars. Denna bild dök upp på omslaget till Science magazine i maj 1999.

Ett verktyg för att öka värdet inom planetvetenskap har varit användning av orbital altimetri som används för att göra digital höjdkarta över planeter. Ett primärt verktyg för detta är laser altimetri men radar altimetri används också. Planetära digitala höjdkartor gjorda med laserhöjdmätning inkluderar Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) kartläggning av Mars, Lunar Orbital Laser Altimeter (LOLA) och Lunar Altimeter (LALT) kartläggning av månen och Mercury Laser Altimeter (MLA) kartläggning av månen Kvicksilver. Vid planetkartläggning har varje planetkropp en unik referensyta.

Metoder för att erhålla höjddata som används för att skapa DEM

Gatewing X100 obemannat flygbil

Noggrannhet

Kvaliteten på en DEM är ett mått på hur exakt höjd är vid varje pixel (absolut noggrannhet) och hur exakt presenteras morfologin (relativ noggrannhet). Kvalitetsbedömning av DEM kan utföras genom jämförelse av DEM från olika källor. Flera faktorer spelar en viktig roll för kvaliteten på DEM-härledda produkter:

  • terrängråhet;
  • provtagningstäthet (metod för insamling av höjddata);
  • nätupplösning eller pixelstorlek ;
  • interpoleringsalgoritm ;
  • vertikal upplösning;
  • terränganalysalgoritm;
  • Referens 3D -produkter inkluderar kvalitetsmasker som ger information om kusten, sjön, snön, molnen, korrelation etc.

Användningsområden

Digital höjdmodell - Red Rocks Amphitheatre, Colorado erhållet med hjälp av en UAV
Bezmiechowa flygfält 3D Digital Surface Model erhållen med Pteryx UAV som flyger 200 m ovanför kulle
Digital Surface Modell av motorvägs utbyte byggarbetsplats . Observera att tunnlar är stängda.
Exempel DEM flög med Gatewing X100 i Assenede
Generator för digital terrängmodell + texturer (kartor) + vektorer

Vanliga användningsområden för DEM inkluderar:

Källor

Global

Ett gratis DEM för hela världen som kallas GTOPO30 (30 bågsekunders upplösning , ca 1  km längs ekvatorn) är tillgängligt, men dess kvalitet är variabel och i vissa områden är den mycket dålig. En mycket högre kvalitet DEM från Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) -instrumentet från Terra -satelliten är också fritt tillgängligt för 99% av jordklotet och representerar höjd vid 30 meters upplösning. En liknande hög upplösning var tidigare endast tillgänglig för USA: s territorium under data från Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), medan merparten av resten av planeten endast täcktes i en upplösning på 3 bågsekunder (cirka 90 meter längs ekvatorn) . SRTM täcker inte polarregionerna och har inga data (ogiltiga) berg och öken. SRTM-data, som härrör från radar, representerar höjden av den första reflekterade ytan-ganska ofta trädtoppar. Så data är inte nödvändigtvis representativa för markytan, utan toppen av allt som först möts av radarn.

Ubåtens höjddata (känd som badymetri ) genereras med hjälp av skeppsmonterade djupundersökningar . När landtopografi och batymetri kombineras erhålls en verkligt global lättnadsmodell . SRTM30Plus -datamängden (används i NASA World Wind ) försöker kombinera GTOPO30-, SRTM- och batymetriska data för att producera en verkligt global höjdmodell. Earth2014: s globala topografi- och reliefmodell tillhandahåller skiktade topografiska nät med en bågminutupplösning. Annat än SRTM30plus, Earth2014 ger information om ishöjd och berggrund (det vill säga topografi under isen) över Antarktis och Grönland. En annan global modell är Global Multi-resolution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010) med en upplösning på 7,5 bågsekunder. Den är baserad på SRTM -data och kombinerar andra data utanför SRTM -täckning. En ny global DEM för utläggningar lägre än 12 m och en höjdnoggrannhet på mindre än 2 m förväntas från TanDEM-X- satellituppdraget som startade i juli 2010.

Det vanligaste avståndet mellan raster (raster) är mellan 50 och 500 meter. I gravimetri kan till exempel primärnätet vara 50 m, men byts till 100 eller 500 meter på avstånd på cirka 5 eller 10 kilometer.

Sedan 2002 har HRS-instrumentet på SPOT 5 förvärvat över 100 miljoner kvadratkilometer stereopar som används för att producera ett DED2-format DEM (med en 30-meters postning) DEM-format DTED2 över 50 miljoner km 2 . Radarsatellit RADARSAT-2 har använts av MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. att ge DEM för kommersiella och militära kunder.

Under 2014 kommer förvärv från radarsatelliter TerraSAR-X och TanDEM-X att finnas tillgängliga i form av en enhetlig global täckning med en upplösning på 12 meter.

ALOS tillhandahåller sedan 2016 en global 1-bågs andra DSM utan kostnad och en kommersiell 5 meter DSM/DTM.

Lokal

Många nationella kartorgan producerar egna DEM, ofta av högre upplösning och kvalitet, men ofta måste dessa köpas, och kostnaden är vanligtvis oöverkomlig för alla utom offentliga myndigheter och stora företag. DEM är ofta en produkt av nationella lidar -dataprogram .

Gratis DEM är också tillgängliga för Mars : MEGDR, eller Mission Experiment Gridded Data Record, från Mars Global Surveyors Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) instrument; och NASA: s Mars Digital Terrain Model (DTM).

Webbplatser

OpenTopography är en webbaserad samhällsresurs för tillgång till högupplösta, jordvetenskapsorienterade, topografiska data (lidar- och DEM-data) och bearbetningsverktyg som körs på varor och högpresterande beräkningssystem tillsammans med utbildningsresurser. OpenTopography är baserat på San Diego Supercomputer Center vid University of California San Diego och drivs i samarbete med kollegor i School of Earth and Space Exploration vid Arizona State University och UNAVCO. Operativt kärnstöd för OpenTopography kommer från National Science Foundation, Division of Earth Sciences.

OpenDemSearcher är en Mapclient med en visualisering av regioner med gratis tillgängliga mellan- och högupplösta DEM.

STL 3D -modell av månen med 10 × höjdöverdrift gjord med data från Lunar Orbiter Laser Altimeter på Lunar Reconnaissance Orbiter

Se även

DEM -filformat

Referenser

Vidare läsning

externa länkar

Dataprodukter