Digitales Höhenmodell - Digital elevation model

3D-Rendering eines DEM von Tithonium Chasma auf dem Mars

Ein digitales Höhenmodell ( DEM ) ist eine 3D-Computergrafikdarstellung von Höhendaten zur Darstellung des Geländes , üblicherweise eines Planeten , Mondes oder Asteroiden . Ein "globales DEM" bezieht sich auf ein diskretes globales Gitter . DEMs werden häufig in geografischen Informationssystemen verwendet und sind die häufigste Grundlage für digital erstellte Reliefkarten .

Während ein digitales Oberflächenmodell (DSM) kann für nützlich seine Landschaftsmodellierung , Stadtmodellierung und Visualisierungsanwendungen, ein digitales Geländemodell (DTM) ist oft erforderlich , für Hochwasser oder Drainage - Modellierung, Landnutzungsstudien , geologische Anwendungen und andere Anwendungen und in der Planetenwissenschaft .

Terminologie

Oberflächen, die durch ein digitales Oberflächenmodell dargestellt werden, umfassen Gebäude und andere Objekte. Digitale Geländemodelle repräsentieren den nackten Boden.

Die Begriffe digitales Höhenmodell (DEM), digitales Geländemodell (DTM) und digitales Oberflächenmodell (DSM) werden in der wissenschaftlichen Literatur nicht allgemein verwendet . In den meisten Fällen repräsentiert der Begriff digitales Oberflächenmodell die Erdoberfläche und umfasst alle darauf befindlichen Objekte. Im Gegensatz zu einem DSM stellt das digitale Geländemodell (DTM) die nackte Bodenoberfläche ohne jegliche Objekte wie Pflanzen und Gebäude dar (siehe Abbildung rechts).

DEM wird oft als Oberbegriff für DSMs und DTMs verwendet und stellt nur Höheninformationen ohne weitere Definition der Oberfläche dar. Andere Definitionen gleichen die Begriffe DEM und DTM aus, gleichen die Begriffe DEM und DSM aus, definieren das DEM als Teilmenge des DTM, die auch andere morphologische Elemente repräsentiert, oder definieren ein DEM als rechteckiges Gitter und ein DTM als dreidimensionales Modell ( ZIN ). Die meisten Datenanbieter ( USGS , ERSDAC , CGIAR , Spot Image ) verwenden den Begriff DEM als Oberbegriff für DSMs und DTMs. Einige Datensätze wie SRTM oder das ASTER GDEM sind ursprünglich DSMs, obwohl SRTM in bewaldeten Gebieten bis in die Baumkronen reicht und Messwerte zwischen einem DSM und einem DTM liefert). Es ist möglich, einen DTM aus hochauflösenden DSM-Datensätzen mit komplexen Algorithmen zu schätzen (Li et al. , 2005). Im Folgenden wird der Begriff DEM als Oberbegriff für DSMs und DTMs verwendet.

Typen

Höhenkarte der Erdoberfläche (einschließlich Wasser und Eis), gerendert als äquirektanguläre Projektion mit Höhen als normalisierte 8-Bit-Graustufen, wobei hellere Werte höhere Höhen anzeigen

Ein DEM kann als Raster (ein Raster aus Quadraten, bei der Darstellung von Höhen auch als Heightmap bezeichnet ) oder als vektorbasiertes Dreiecksnetz (TIN) dargestellt werden. Das TIN-DEM-Dataset wird auch als primäres (gemessenes) DHM bezeichnet, während das Raster-DEM als sekundäres (berechnetes) DHM bezeichnet wird. Die DEM könnte durch Techniken wie Photogrammetrie , Lidar , IfSAR oder InSAR , Landvermessung usw. gewonnen werden (Li et al. 2005).

DEMs werden üblicherweise unter Verwendung von Daten erstellt, die mit Fernerkundungstechniken gesammelt wurden, sie können jedoch auch aus Landvermessungen erstellt werden.

Rendering

Reliefkarte der spanischen Sierra Nevada, die die Verwendung von Schattierungen und Falschfarben als Visualisierungswerkzeuge zur Anzeige der Höhe zeigt

Das digitale Höhenmodell selbst besteht aus einer Zahlenmatrix, aber die Daten eines DEM werden oft in visueller Form wiedergegeben, um sie für den Menschen verständlich zu machen. Diese Visualisierung kann in Form einer konturierten topografischen Karte vorliegen oder könnte Schattierung und Falschfarbenzuweisung (oder "Pseudofarbe") verwenden, um Höhen als Farben darzustellen (z weiß für die höchste Erhebung.).

Visualisierungen werden manchmal auch als Schrägansichten erstellt, die ein synthetisches visuelles Bild des Geländes rekonstruieren, wie es aussehen würde, wenn es schräg nach unten schaut. In diesen schrägen Visualisierungen werden Höhen manchmal mit " vertikaler Übertreibung " skaliert , um subtile Höhenunterschiede besser wahrnehmbar zu machen. Einige Wissenschaftler wenden sich jedoch gegen vertikale Übertreibung als Irreführung des Betrachters über die wahre Landschaft.

Produktion

Kartographen können auf verschiedene Weise digitale Höhenmodelle erstellen, verwenden jedoch häufig eher die Fernerkundung als direkte Vermessungsdaten .

Ältere Verfahren zum Generieren von DEMs beinhalten oft die Interpolation digitaler Höhenlinienkarten , die möglicherweise durch direkte Vermessung der Landoberfläche erstellt wurden. Diese Methode wird immer noch in Berggebieten verwendet, wo die Interferometrie nicht immer zufriedenstellend ist. Beachten Sie, dass Höhenliniendaten oder andere erfasste Höhendatensätze (durch GPS oder Bodenvermessung) keine DEMs sind, sondern als digitale Geländemodelle betrachtet werden können. Ein DEM impliziert, dass an jedem Ort im Untersuchungsgebiet kontinuierlich Höhen verfügbar sind.

Satellitenkartierung

Eine leistungsstarke Technik zur Generierung digitaler Höhenmodelle ist das interferometrische Radar mit synthetischer Apertur, bei dem zwei Durchgänge eines Radarsatelliten (wie RADARSAT-1 oder TerraSAR-X oder Cosmo SkyMed ) oder ein einzelner Durchgang, wenn der Satellit mit zwei Antennen ausgestattet ist (wie der SRTM- Instrumentierung) ausreichend Daten sammeln, um eine digitale Höhenkarte von mehreren Dutzend Kilometern auf einer Seite mit einer Auflösung von etwa zehn Metern zu erstellen. Andere Arten von stereoskopischen Paaren können unter Verwendung der digitalen Bildkorrelationsmethode verwendet werden, bei der zwei optische Bilder mit unterschiedlichen Winkeln aufgenommen werden, die vom selben Flug eines Flugzeugs oder eines Erdbeobachtungssatelliten (wie das HRS-Instrument von SPOT5 oder das VNIR- Band von ASTER ).

Der Satellit SPOT 1 (1986) lieferte die ersten verwertbaren Höhendaten für einen beträchtlichen Teil der Landmasse des Planeten unter Verwendung einer stereoskopischen Korrelation in zwei Durchgängen. Später wurden weitere Daten vom European Remote-Sensing Satellite (ERS, 1991) mit derselben Methode, der Shuttle Radar Topography Mission (SRTM, 2000) mit Single-Pass-SAR und dem Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER, 2000) Instrumentierung auf dem Terra-Satelliten mit Doppelpass-Stereopaaren.

Das HRS-Instrument auf SPOT 5 hat über 100 Millionen Quadratkilometer Stereopaare erfasst.

Planetenkartierung

MOLA digitales Höhenmodell, das die beiden Hemisphären des Mars zeigt. Dieses Bild erschien im Mai 1999 auf dem Cover des Magazins Science .

Ein Werkzeug von zunehmendem Wert in der Planetenforschung ist die Verwendung der Orbitalhöhenmessung, die verwendet wird, um eine digitale Höhenkarte von Planeten zu erstellen. Ein primäres Werkzeug dafür ist die Laseraltimetrie, aber auch die Radaraltimetrie wird verwendet. Planetare digitale Höhenkarten, die mit Laseraltimetrie erstellt wurden, umfassen die Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) Kartierung des Mars, die Lunar Orbital Laser Altimeter (LOLA) und Lunar Altimeter (LALT) Kartierung des Mondes und die Mercury Laser Altimeter (MLA) Kartierung von Quecksilber. Bei der Planetenabbildung hat jeder Planetenkörper eine einzigartige Bezugsfläche.

Methoden zum Abrufen von Höhendaten zum Erstellen von DEMs

Gatewing X100 unbemanntes Fluggerät

Genauigkeit

Die Qualität eines DEM ist ein Maß dafür, wie genau die Höhe bei jedem Pixel (absolute Genauigkeit) und wie genau die dargestellte Morphologie (relative Genauigkeit) ist. Die Qualitätsbewertung von DEM kann durch den Vergleich von DEMs aus verschiedenen Quellen durchgeführt werden. Mehrere Faktoren spielen eine wichtige Rolle für die Qualität von DEM-abgeleiteten Produkten:

  • Geländerauhigkeit;
  • Stichprobendichte (Methode zur Erhebung von Höhendaten);
  • Rasterauflösung oder Pixelgröße ;
  • Interpolationsalgorithmus ;
  • vertikale Auflösung;
  • Geländeanalysealgorithmus;
  • Zu den 3D-Referenzprodukten gehören hochwertige Masken, die Informationen zu Küste, See, Schnee, Wolken, Korrelation usw.

Verwendet

Digitales Höhenmodell - Red Rocks Amphitheatre, Colorado, erhalten mit einem UAV
Flugplatz Bezmiechowa 3D digitales Oberflächenmodell mit Pteryx UAV, das 200 m über dem Hügel fliegt
Digitales Oberflächenmodell der Autobahn Austausch Baustelle . Beachten Sie, dass Tunnel geschlossen sind.
Beispiel DEM geflogen mit dem Gatewing X100 in Assenede
Digitaler Geländemodellgenerator + Texturen (Karten) + Vektoren

Häufige Verwendungen von DEMs sind:

Quellen

Global

Ein kostenloses DEM der ganzen Welt namens GTOPO30 (30 Bogensekunden Auflösung , ca. 1  km entlang des Äquators) ist verfügbar, aber seine Qualität ist variabel und in einigen Gebieten sehr schlecht. Ein viel höherwertiges DEM vom Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) Instrument des Terra-Satelliten ist ebenfalls für 99% der Welt frei verfügbar und repräsentiert die Höhe mit einer Auflösung von 30 Metern . Eine ähnlich hohe Auflösung war bisher nur für das Territorium der Vereinigten Staaten im Rahmen der Shuttle Radar Topography Mission (SRTM)-Daten verfügbar , während der größte Teil des Rests des Planeten nur in einer Auflösung von 3 Bogensekunden abgedeckt wurde (etwa 90 Meter entlang des Äquators). . SRTM deckt nicht die Polarregionen ab und hat Berg- und Wüstengebiete ohne Daten (void). SRTM-Daten, die vom Radar abgeleitet werden, repräsentieren die Höhe der zuerst reflektierten Oberfläche – ziemlich oft Baumkronen. Die Daten sind also nicht unbedingt repräsentativ für die Bodenoberfläche, sondern für die Spitze dessen, was zuerst vom Radar erfasst wird.

U-Boot-Höhendaten (bekannt als Bathymetrie ) werden mit Hilfe von schiffsmontierten Tiefensondierungen erzeugt . Wenn Landtopographie und Bathymetrie kombiniert werden, erhält man ein wirklich globales Reliefmodell . Der SRTM30Plus-Datensatz (verwendet in NASA World Wind ) versucht, GTOPO30-, SRTM- und bathymetrische Daten zu kombinieren, um ein wirklich globales Höhenmodell zu erstellen. Das globale Topografie- und Reliefmodell von Earth2014 bietet geschichtete Topografiegitter mit einer Auflösung von 1 Bogenminute. Anders als SRTM30plus liefert Earth2014 Informationen über die Höhe der Eisschilde und das Grundgestein (d. h. die Topographie unter dem Eis) über der Antarktis und Grönland. Ein weiteres globales Modell sind Global Multi-Resolution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010) mit einer Auflösung von 7,5 Bogensekunden. Es basiert auf SRTM-Daten und kombiniert andere Daten außerhalb der SRTM-Abdeckung. Von der im Juli 2010 gestarteten TanDEM-X- Satellitenmission wird ein neuartiges globales DEM mit Postings unter 12 m und einer Höhengenauigkeit von weniger als 2 m erwartet .

Der gebräuchlichste Rasterabstand (Raster) liegt zwischen 50 und 500 Metern. In der Gravimetrie beispielsweise kann das Primärgitter 50 m betragen, wird aber in Entfernungen von etwa 5 oder 10 Kilometern auf 100 oder 500 Meter umgeschaltet.

Seit 2002 hat das HRS-Instrument auf SPOT 5 über 100 Millionen Quadratkilometer Stereopaare erfasst, die verwendet werden, um ein DEM-Format im DTED2-Format (mit 30-Meter-Posting) im DEM-Format DTED2 über 50 Millionen km 2 zu erzeugen . Der Radarsatellit RADARSAT-2 wurde von MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. verwendet , um DEMs für kommerzielle und militärische Kunden bereitzustellen.

2014 werden die Aufnahmen der Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X in Form einer einheitlichen globalen Abdeckung mit einer Auflösung von 12 Metern verfügbar sein.

ALOS bietet seit 2016 kostenlos ein globales 1-Bogen-Sekunden-DSM und ein kommerzielles 5-Meter-DSM/DTM an.

Lokal

Viele nationale Kartierungsagenturen erstellen ihre eigenen DEMs, oft mit höherer Auflösung und Qualität, aber häufig müssen diese gekauft werden, und die Kosten sind normalerweise für alle außer öffentlichen Behörden und großen Unternehmen unerschwinglich. DEMs sind oft ein Produkt nationaler Lidar-Datensatzprogramme .

Kostenlose DEMs sind auch für den Mars verfügbar : das MEGDR oder Mission Experiment Gridded Data Record vom Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) Instrument von Mars Global Surveyor ; und das Mars Digital Terrain Model (DTM) der NASA.

Webseiten

OpenTopography ist eine webbasierte Community-Ressource für den Zugriff auf hochauflösende, geowissenschaftlich orientierte Topografiedaten (LIDAR- und DEM-Daten) und Verarbeitungstools, die auf handelsüblichen und leistungsstarken Computersystemen laufen, sowie Bildungsressourcen. OpenTopography hat seinen Sitz am San Diego Supercomputer Center der University of California San Diego und wird in Zusammenarbeit mit Kollegen der School of Earth and Space Exploration der Arizona State University und der UNAVCO betrieben. Die operative Kernunterstützung für OpenTopography kommt von der National Science Foundation, Division of Earth Sciences.

Der OpenDemSearcher ist ein Mapclient mit einer Visualisierung von Regionen mit frei verfügbaren mittel- und hochauflösenden DEMs.

STL-3D-Modell des Mondes mit 10-facher Höhenüberhöhung, gerendert mit Daten des Lunar Orbiter Laser Altimeters des Lunar Reconnaissance Orbiter

Siehe auch

DEM-Dateiformate

Verweise

Weiterlesen

Externe Links

Datenprodukte