3D жер бейнесі және өлшемдері

Кіріспе

3D компьютерлік графикалық бейнелер және жер бедерінің өлшемдері

Цифрлық биіктік моделі (DEM) немесе цифрлық беткі модель (DSM) – планета, ай немесе астероидтің жер бедерін немесе оның үстіндегі нысандарды бейнелеу үшін қолданылатын биіктік деректерінің 3D компьютерлік графикалық бейнелеуі. "Жалпылама DEM" – дискретті жаһандық торға сілтеме. DEM-дер географиялық ақпараттық жүйелерде (GIS) жиі қолданылады және цифрлық рельефтік карталардың ең көп таралған негізі болып табылады. Цифрлық жер бедері моделі (DTM) нақты жер бетін бейнелейді, ал DEM және DSM ағаштардың бастары немесе ғимараттардың шатырларын бейнелей алады. DSM ландшафтты, қалаларды модельдеу және визуализациялау үшін пайдалы болса, DTM көбінесе су тасқыны немесе дренаждық модельдеу, жерді пайдалану туралы зерттеулер, геологиялық және басқа да қолданыстар үшін, сондай-ақ планеталық ғылымда қажет болады.

Түрлері

DEM растр түрінде (квадраттардың торы, биіктікті бейнелегенде биіктік картасы деп те аталады) немесе векторлық үшбұрышты ретсіз желі (TIN) түрінде көрсетілуі мүмкін. TIN DEM деректер жиынтығы бастапқы (өлшенген) DEM деп аталады, ал растрлық DEM екінші (есептелген) DEM деп аталады. DEM фотограмметрия, лидар, IfSAR немесе InSAR, жер өлшеу және т.б. сияқты техникалар арқылы алынуы мүмкін (Li және басқалар, 2005). DEM әдетте қашықтан сезіктеу техникаларын қолдану арқылы жиналған деректерден жасалады, бірақ олар жер өлшеу деректерінен де құрылуы мүмкін.

Рендеринг

Цифрлық биіктік моделінің өзі сандар матрицасынан тұрады, бірақ DEM деректері көбінесе адамдарға түсінікті болу үшін визуалды түрде көрсетіледі. Бұл визуализация контурлы топографиялық карта түрінде болуы мүмкін, немесе биіктіктерді түстермен көрсету үшін көлеңкелеу және жалған түс тағайындау (немесе "псевдотүс") қолданылуы мүмкін (мысалы, ең төменгі биіктіктер үшін жасыл, ең жоғары биіктіктер үшін ақ түске дейін қызыл түске көлеңкелеу). Визуализация кейде көлбеу көрініс түрінде де жасалады, бұл жердің синтетикалық визуалды бейнесін қайта құру арқылы, көз бұрыштан төмен қарағанда көрінетіндей етіп жасалады. Мұндай көлбеу визуализацияларда биіктіктерді көзге көрінетіндей ету үшін кейде "тік масштабтау" қолданылады, нәзік биіктік айырмашылықтарын анықтауға көмектеседі. Дегенмен, кейбір ғалымдар тік масштабтауды пейзаждың нақты бейнесін бұрмалап көрсететіндіктен сынға алады.

Өндіріс

Карта жасаушылар сандық биіктік модельдерін әртүрлі тәсілдермен дайындауы мүмкін, бірақ олар тікелей өлшеу деректерінің орнына көбінесе қашықтан зондтауды пайдаланады. DEM-дерді жасаудың бұрынғы әдістері жиі жер бетін тікелей өлшеу арқылы жасалған цифрлық контурлық карталарды интерполяциялауды қамтиды. Бұл әдіс әлі де таулы аймақтарда қолданылады, мұнда интерферометрия әрқашан қанағаттанарлық нәтиже бермейді. Контур сызығы деректері немесе GPS немесе жерді зерттеу арқылы алынған кез келген басқа үлгіленген биіктік деректері DEM емес, бірақ оларды цифрлық жер бедері модельдері деп санауға болады. DEM зерттеу аймағындағы әрбір нүктеде биіктік үздіріссіз қолжетімді екенін көрсетеді.

Спутник карталары

Цифрлық биіктік модельдерін жасаудың бір қуатты әдісі – интерферометриялық синтетикалық апертуралы радар, онда радарлық спутниктің екі өтуі (мысалы, RADARSAT 1 немесе TerraSAR X немесе Cosmo SkyMed) немесе егер спутник екі антеннамен жабдықталған болса (SRTM құралдары сияқты), он метрлік ажыратымдылықпен ондаған шақырымдық сандық биіктік картасын жасау үшін жеткілікті деректер жиналады. Басқа стереоскопиялық жұптар цифрлық бейнелерді корреляциялау әдісін қолдана отырып, ұшақтың немесе Жерді бақылау спутнигінің (мысалы, SPOT5-тің HRS құралы немесе ASTER-дің VNIR диапазоны) бір өтуінен алынған екі оптикалық суретті әртүрлі бұрыштармен түсіру арқылы қолданылуы мүмкін. SPOT 1 спутнигі (1986) планетаның құрлық бөлігінің маңызды бөлігі үшін алғашқы пайдалы биіктік деректерін екі өтулі стереоскопиялық корреляцияны пайдалана отырып ұсынды. Кейіннен, осы әдісті қолдана отырып, Еуропалық қашықтықтан зондтау спутнигі (ERS, 1991) қосымша деректер берді, сондай-ақ бір өтулі SAR және екі өтулі стерео жұптарды пайдалана отырып, Terra спутнигіндегі Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER, 2000) құралдары арқылы Shuttle Radar Topography Mission (SRTM, 2000) да қосымша деректер ұсынды. Лазерлік биіктік өлшеу арқылы жасалған планеталық цифрлық карталарға Марстың Марс орбиталық лазерлік биіктік өлшегішімен (MOLA) картасы, Айдың Ай орбиталық лазерлік биіктік өлшегішімен (LOLA) және Ай биіктік өлшегішімен (LALT) картасы, сондай-ақ Меркурийдің Меркурий лазерлік биіктік өлшегішімен (MLA) картасы кіреді. Планеталық карталауда әрбір планеталық денеге тән анықтамалық беті болады.

Әлемдік

2022 жылдың басында жарық көрген FABDEM Жер бетінің 30 доғалық секунд ажыратымдылығымен жер бетінің симуляциясын ұсынады. GLO 30 деректерінен алынған бұл деректерде барлық орман мен ғимараттар жойылған. Деректерді коммерциялық емес мақсатта және әзірлеушінің веб-сайты арқылы коммерциялық мақсатта төлем жасау арқылы жүктеуге болады. Балама ретінде GTOPO30 (30 доғалық секунд ажыратымдылығы, экватор бойында шамамен 1 км) тегін қолжетімді, бірақ оның сапасы әртүрлі және кейбір аймақтарда өте нашар. Terra спутнигіндегі Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) құралынан алынған әлдеқайда жоғары сапалы DEM жер шарының 99%-ы үшін тегін қолжетімді және 30 метрлік ажыратымдылықта биіктікті көрсетеді. Мұндай жоғары ажыратымдылық бұрын тек АҚШ аумағы үшін ғана қолжетімді болған, ал планетаның қалған бөлігі 3 доғалық секундтық ажыратымдылықта (экватор бойында 90 метр) ғана қамтылған. SRTM полярлық аймақтарды қамтымайды және таулы және шөлді аймақтарда деректердің жоқтығын (бос) көрсетеді. Радарға негізделген SRTM деректері, көбінесе ағаштардың бастары сияқты, алғашқы шағылысқан беттің биіктігін көрсетеді. Сондықтан деректер міндетті түрде жер бетін емес, радардың алғаш кездескен нәрсесінің үстін көрсетеді. Су асты биіктігі (батиметрия) кемеге орнатылған тереңдік өлшегіштер арқылы анықталады. Жер беті топографиясы мен батиметрияны біріктіру арқылы нағыз жаһандық рельефтік модель алынады. SRTM30Plus деректер жиынтығы (NASA World Wind-те қолданылады) GTOPO30, SRTM және батиметриялық деректерді біріктіріп, жаһандық биіктік моделін жасауға тырысады. Earth2014 жаһандық топографиялық және рельефтік моделі 1 доғалық минут ажыратымдылығымен қабатталған топографиялық торларды ұсынады. SRTM30plus-тен өзгеше, Earth2014 Антарктида мен Гренландиядағы мұз қабаттарының биіктігі және тау жынысы (яғни мұздың астындағы топография) туралы ақпарат береді. Тағы бір жаһандық модель – 7,5 доғалық секунд ажыратымдылығы бар Global Multi resolution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010). Ол SRTM деректеріне негізделген және SRTM қамтуына жатпайтын басқа деректерді біріктіреді. 2010 жылдың шілдесінде басталған TanDEM X спутнигі миссиясынан 12 метрден төмен ажыратымдылық және 2 метрден төмен биіктік дәлдігі бар жаңа жаһандық DEM күтілуде. Ең көп қолданылатын тор (растр) арақашықтығы 50 мен 500 метр аралығында. Мысалы, гравиметрияда негізгі тор 50 метр болуы мүмкін, бірақ шамамен 5 немесе 10 километр қашықтықта 100 немесе 500 метрге ауыстырылады. 2002 жылдан бері SPOT 5 спутнигіндегі HRS құралы 30 метрлік ажыратымдылығы бар DTED2 форматындағы DEM (DTED2 форматында) жасау үшін 100 миллион шаршы километрден астам стерео жұптарды алды. RADARSAT 2 радарлық спутнигі MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. компаниясымен коммерциялық және әскери клиенттерге DEM ұсыну үшін пайдаланылды. 2014 жылы TerraSAR X және TanDEM X радарлық спутниктерінен алынған деректер 12 метрлік ажыратымдылығы бар бірыңғай жаһандық қамту түрінде қолжетімді болады. ALOS 2016 жылдан бері 1 доғалық секундтық DSM-ді тегін және коммерциялық 5 метрлік DSM/DTM-ді ұсынады.

Released at the beginning of 2022, FABDEM offers a bare earth simulation of the Earth's surface at 30 arc second resolution. Adapted from GLO 30, the data removes all forests and buildings. The data is free to download non commercially and through the developer's website at a cost commercially. An alternative free global DEM is called GTOPO30 (30 arcsecond resolution, c. 1 km along the equator) is available, but its quality is variable and in some areas it is very poor. A much higher quality DEM from the Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) instrument of the Terra satellite is also freely available for 99% of the globe, and represents elevation at 30 meter resolution. A similarly high resolution was previously only available for the United States territory under the Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) data, while most of the rest of the planet was only covered in a 3 arc second resolution (around 90 meters along the equator). SRTM does not cover the polar regions and has mountain and desert no data (void) areas. SRTM data, being derived from radar, represents the elevation of the first reflected surface—quite often tree tops. So, the data are not necessarily representative of the ground surface, but the top of whatever is first encountered by the radar. Submarine elevation (known as bathymetry) data is generated using ship mounted depth soundings. When land topography and bathymetry is combined, a truly global relief model is obtained. The SRTM30Plus dataset (used in NASA World Wind) attempts to combine GTOPO30, SRTM and bathymetric data to produce a truly global elevation model. The Earth2014 global topography and relief model provides layered topography grids at 1 arc minute resolution. Other than SRTM30plus, Earth2014 provides information on ice sheet heights and bedrock (that is, topography below the ice) over Antarctica and Greenland. Another global model is Global Multi resolution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010) with 7.5 arc second resolution. It is based on SRTM data and combines other data outside SRTM coverage. A novel global DEM of postings lower than 12 m and a height accuracy of less than 2 m is expected from the TanDEM X satellite mission which started in July 2010. The most common grid (raster) spacing is between 50 and 500 meters. In gravimetry e. g., the primary grid may be 50 m, but is switched to 100 or 500 meters in distances of about 5 or 10 kilometers. Since 2002, the HRS instrument on SPOT 5 has acquired over 100 million square kilometers of stereo pairs used to produce a DTED2 format DEM (with a 30 meter posting) DEM format DTED2 over 50 million km2. The radar satellite RADARSAT 2 has been used by MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. to provide DEMs for commercial and military customers. In 2014, acquisitions from radar satellites TerraSAR X and TanDEM X will be available in the form of a uniform global coverage with a resolution of 12 meters. ALOS provides since 2016 a global 1 arc second DSM free of charge, and a commercial 5 meter DSM/DTM.

Жергілікті

Көптеген ұлттық картаграфиялық агенттіктер өздерінің DEM-дерін жасайды, көбінесе олар жоғарырақ ажыратымдылыққа және сапаға ие болады, бірақ оларды көбінесе сатып алу қажет, ал бағасы мемлекеттік органдар мен ірі корпорациялардан басқалар үшін тым жоғары болады. DEM-дер көбінесе ұлттық LiDAR деректер жинағы бағдарламаларының нәтижесі болып табылады. Марс үшін тегін DEM-дер де қолжетімді: MEGDR, яғни Миссиялық эксперименттік торлы деректер тізімі, Mars Global Surveyor ғарыш аппаратының Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) құралынан; және NASA-ның Марс цифрлық жер бедері моделі (DTM).

Веб-сайттар

OpenTopography – жоғары ажыратымдылықтағы, Жер ғылымына бағытталған топографиялық деректерге (лидар және DEM деректері) және тауарлық және жоғары өнімділіктегі есептеу жүйелерінде жұмыс істейтін өңдеу құралдарымен қатар білім беру ресурстарын қамтитын, интернет негізіндегі қоғамдық ресурс. OpenTopography Калифорния университетінің Сан-Диего суперкомпьютер орталығында орналасқан және Аризона мемлекеттік университетінің Жер және ғарыш зерттеу мектебінің және UNAVCO әріптестерімен бірлесіп жұмыс істейді. OpenTopography-ді негізгі операциялық қолдау Ұлттық ғылым қорының Жер ғылымдары бөлімінен түседі. OpenDemSearcher – тегін қолжетімді орташа және жоғары ажыратымдылықтағы DEM-дері бар аймақтарды визуализациялайтын карта клиенті.