Введение

3D компьютерная графика и измерения рельефа

Цифровая модель рельефа (DEM) или цифровая модель поверхности (DSM) — это трехмерное компьютерное графическое представление данных о высотах, используемое для отображения рельефа или объектов, наложенных на него, как правило, планеты, луны или астероида. "Глобальный DEM" относится к дискретной глобальной сетке. DEM широко используются в географических информационных системах (ГИС) и являются наиболее распространенной основой для создания цифровых карт рельефа. Цифровая модель местности (DTM) представляет собой исключительно земную поверхность, в то время как DEM и DSM могут включать в себя вершины деревьев или крыши зданий. DSM может быть полезна для моделирования ландшафта, городского моделирования и визуализации, тогда как DTM часто необходима для моделирования наводнений и дренажа, изучения землепользования, геологических исследований и других приложений, а также в планетарной науке.

Типы

DEM может быть представлен в виде растра (сетки квадратов, также известной как карта высот при отображении рельефа) или в виде векторной треугольной нерегулярной сети (TIN). Набор данных DEM на основе TIN также называют первичным (непосредственно измеренным) DEM, а растровый DEM – вторичным (вычисленным) DEM. DEM может быть получен с использованием таких методов, как фотограмметрия, лидар, IfSAR или InSAR, наземная съемка и другие (Li et al. 2005). DEM обычно создаются на основе данных, собранных с помощью методов дистанционного зондирования, но также могут быть построены на основе результатов наземной съемки.

Рендаринг

Сама модель цифровой высоты представляет собой матрицу чисел, но данные из ЦМВ (DEM) часто визуализируются, чтобы сделать их понятными для человека. Эта визуализация может быть представлена в виде контурной топографической карты или может использовать затенение и псевдоцвет для отображения высот в виде цветов (например, зеленый для самых низких высот, переход к красному, с белым для самых высоких). Визуализации также могут выполняться в виде перспективных видов, реконструируя синтетическое визуальное изображение местности, как если бы на нее смотрели под углом. В этих перспективных визуализациях высоты иногда масштабируются с использованием "вертикального преувеличения", чтобы сделать незначительные различия в высоте более заметными. Однако некоторые ученые возражают против вертикального преувеличения, считая, что оно может ввести зрителя в заблуждение относительно реального рельефа.

Производство

Картографы могут создавать цифровые модели рельефа различными способами, но часто используют дистанционное зондирование вместо данных непосредственной съемки. Более старые методы создания ЦМР часто включают интерполяцию цифровых карт горизонталей, которые могли быть созданы путем непосредственной съемки земной поверхности. Этот метод до сих пор применяется в горных районах, где интерферометрия не всегда дает удовлетворительные результаты. Важно отметить, что данные по линиям горизонта или любые другие дискретные наборы данных высот (полученные с помощью GPS или наземной съемки) не являются ЦМР, но могут рассматриваться как цифровые модели местности. ЦМР подразумевает, что значения высот доступны непрерывно в каждой точке исследуемой области.

Спутниковая картография

Одним из мощных методов создания цифровых моделей высот является интерферометрический синтетический апертурный радар, при котором два прохода радиолокационного спутника (таких как RADARSAT 1 или TerraSAR X или Cosmo SkyMed), или один проход, если спутник оснащен двумя антеннами (как в приборах SRTM), собирают достаточно данных для создания цифровой карты высот размером в десятки километров с разрешением около десяти метров. Другие типы стереоскопических пар могут быть использованы с применением метода цифровой корреляции изображений, где два оптических изображения получаются под разными углами с одного и того же прохода самолета или спутника наблюдения Земли (например, инструмент HRS спутника SPOT5 или VNIR-диапазон ASTER). Спутник SPOT 1 (1986) предоставил первые полезные данные о высоте для значительной части суши планеты, используя стереоскопическую корреляцию двух проходов. Впоследствии дополнительные данные были получены с помощью Европейского спутника дистанционного зондирования (ERS, 1991) тем же методом, миссии Shuttle Radar Topography Mission (SRTM, 2000) с использованием однопроходного SAR и прибора Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER, 2000) на спутнике Terra, использующего двойные стереопары. Планетарные цифровые модели высот, созданные с использованием лазерной альтиметрии, включают в себя картирование Марса с помощью лазерного высотомера Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA), картирование Луны с помощью лунного орбитального лазерного высотомера (LOLA) и лунного высотомера (LALT), а также картирование Меркурия с помощью лазерного высотомера Mercury Laser Altimeter (MLA). В планетарном картографировании каждое небесное тело имеет свою уникальную опорную поверхность.

Глобальный

Выпущенный в начале 2022 года, FABDEM предлагает симуляцию голой поверхности Земли с разрешением 30 угловых секунд. Данные адаптированы из GLO 30 и лишены лесов и зданий. Данные можно свободно скачивать для некоммерческого использования и приобретать через веб-сайт разработчика для коммерческого использования. Альтернативный бесплатный глобальный DEM – GTOPO30 (разрешение 30 угловых секунд, около 1 км вдоль экватора), однако его качество непостоянно и в некоторых областях очень низкое. Значительно более качественный DEM, полученный с помощью инструмента Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) спутника Terra, также свободно доступен для 99% земного шара и представляет высоты с разрешением 30 метров. Ранее аналогичное высокое разрешение было доступно только для территории Соединенных Штатов на основе данных миссии радиолокационной топографии шаттлов (SRTM), в то время как большая часть остальной планеты была покрыта разрешением в 3 угловые секунды (около 90 метров вдоль экватора). SRTM не охватывает полярные регионы и содержит области без данных (пустоты) в горных и пустынных районах. Данные SRTM, полученные с помощью радара, отражают высоту первой отраженной поверхности – часто верхушек деревьев. Таким образом, данные не обязательно представляют собой поверхность земли, а скорее верхнюю точку, которую первым обнаружил радар. Данные о подводной топографии (известные как батиметрия) генерируются с использованием глубинных измерений, выполненных с судов. Комбинирование наземной топографии и батиметрии позволяет получить истинно глобальную рельефную модель. Набор данных SRTM30Plus (используемый в NASA World Wind) объединяет GTOPO30, SRTM и батиметрические данные для создания глобальной модели высот. Глобальная топография и рельефная модель Earth2014 предоставляет слоистые топографические сетки с разрешением 1 угловая минута. Помимо SRTM30plus, Earth2014 предоставляет информацию о высоте ледяных щитов и о скальной основе (то есть топографии под льдом) над Антарктидой и Гренландией. Другая глобальная модель – Global Multi resolution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010) с разрешением 7,5 угловых секунд. Она основана на данных SRTM и объединяет другие данные, не охваченные SRTM. Ожидается, что миссия спутника TanDEM X, начавшаяся в июле 2010 года, предоставит глобальный DEM с шагом сетки менее 12 м и точностью по высоте менее 2 м. Наиболее распространенное расстояние между ячейками сетки (растра) составляет от 50 до 500 метров. В гравиметрии, например, основная сетка может быть 50 м, но переключается на 100 или 500 метров на расстояниях около 5 или 10 километров. С 2002 года прибор HRS на SPOT 5 получил более 100 миллионов квадратных километров стереопар, используемых для создания DEM формата DTED2 (с шагом 30 метров). Радарный спутник RADARSAT 2 использовался компанией MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. для предоставления DEM коммерческим и военным заказчикам. В 2014 году данные, полученные с радиолокационных спутников TerraSAR X и TanDEM X, будут доступны в виде единого глобального покрытия с разрешением 12 метров. ALOS предоставляет с 2016 года глобальный DSM с разрешением 1 угловая секунда бесплатно, а также коммерческий DSM/DTM с разрешением 5 метров.

Местные

Многие национальные картографические агентства создают собственные ЦМР, часто с более высоким разрешением и качеством, но их часто приходится приобретать, и стоимость обычно является непомерно высокой для всех, кроме государственных учреждений и крупных корпораций. ЦМР часто являются результатом национальных программ сбора данных лидаров. Бесплатные ЦМР также доступны для Марса: MEGDR (Mission Experiment Gridded Data Record) от прибора Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) аппарата Mars Global Surveyor, а также цифровая модель рельефа Марса (DTM) от NASA.

Сайты

OpenTopography – это веб-ресурс для сообщества, обеспечивающий доступ к топографическим данным высокого разрешения, ориентированным на геонауки (лидар и DEM-данные), а также к инструментам обработки, работающим на стандартном и высокопроизводительном вычислительном оборудовании, наряду с образовательными материалами. OpenTopography расположен в Центре суперкомпьютерных вычислений Сан-Диего при Калифорнийском университете Сан-Диего и функционирует в сотрудничестве с коллегами из Школы исследования Земли и космоса Университета штата Аризона и UNAVCO. Основная операционная поддержка OpenTopography осуществляется Национальным научным фондом, Отделением наук о Земле. OpenDemSearcher – это Mapclient с визуализацией регионов, где доступны бесплатные DEM-данные среднего и высокого разрешения.