Цифровая модель местности доклад

Обновлено: 05.07.2024

Начать проектировочные работы невозможно без точных сведений о территории будущей застройки. Для детального анализа поверхности рельефа и объектов при разработке масштабных проектов применяется цифровая модель местности (ЦММ). Ее построение осуществляется с помощью топографических карт.

Фактически, ЦММ — изображение плановых координат и высот конкретного участка местности, имеющее математическое представление. С ее помощью проектные организации анализируют поверхность рельефа. Проводят мониторинг состояния территории и расположенных на ней объектов. Контролируют объем проводимых работ, решают прочие задачи в рамках аналитических проектных задач. Также 3D-модель местности часто используется для BIM-проектирования.

Для чего нужна ЦММ?

Невозможно исследовать каждый сантиметр территории при больших масштабах. Поэтому приходится определять значения неизведанного пространства по соседствующим дискретным данным с помощью применения математических методов. ЦММ отражает гипотетические сведения о том или ином участке поверхности. Также учитываются его геопространственные координаты, характеристики и возможные реакции на то или иное воздействие.

Кроме анализа поверхности рельефа, цифровое представление может использоваться для:

Быстрого построения карт (крутизны, экспозиции склонов, др.);

Вертикальной планировки участка по заданным параметрам;

Разработки рациональных вариантов строительства здания, сооружения;

Осуществления расчета площадей и объемов земляных работ;

Детального анализа экспозиции и уклонов склонов;

Представления, анализа полученных данных в 3-х измерениях;

Анализа зон видимости и т.д.

Инженерная цифровая модель местности может понадобится для картографирования и обустройства площадки при проектировании ландшафтного дизайна. Также применяться при проектировании зданий, автомобильных дорог, магистралей, развязок. Для решения задач по охране территории, проведения научных исследований.

Виды цифровых моделей местности

Информация об участке, представленная в цифровом виде, удобна для представления, хранения, обработки.

В зависимости от целей, совокупность данных может быть представлена в формате:

Модели рельефа цифровой (ЦМР). Содержит информацию о рельефе территории. Она представлена набором точек с известными координатами, высотами. Также отображаются связи между ними, способы определения высот новых точек по заданным плановым отметкам.

Цифровой модели контуров (ЦМК). Содержит данные о характеристиках и плановом положении объектов, связях между ними.

Цифровая модель рельефа местности одновременно содержит плановые координаты и высоты Н, а во втором случае задействованы только плановые высотные координаты Х, Y.

Построение цифровой модели местности

При проектных аналитических работах эффективно использовать ЦММ. В этом случае моделирование осуществляется на базе топографических карт.

С целью прогнозирования информации о рельефе на исследуемом участке и построения модели используют математические методы:

Принципы триангуляции Делоне;

Метод обратных взвешенных расстояний;

Тренд-интерполяция, а также различные формулы, закономерности.

Для быстрого получения цифровой модели местности, а также её обработки применяют специальное программное обеспечение.

Формирование ЦММ для задач проектирования производят на базе топографических карт. Здесь важна точность первичных данных.

С нами ЦММ местности (по фотоснимкам, цены на нее начинаются от 17 000 руб. за 1 га), будет построена в соответствии с нормативными документами.

5 причин сотрудничать с нами:

Команда инженеров-геодезистов с опытом работы от 5 лет;

Высокоточные тахеометры с 3-х, 1-но секундной точностью, нивелиры, GPS-оборудование, квадрокоптеры;

Наличие ПО для обработки данных: Топоматик Robur, AutoCAD Civil 3D, ПО CREDO ТОПОПЛАН, CREDO_DOS;

Ускоренное согласование топоплана с эксплуатирующими организациями. За счет понимания их требований, нюансов;

Материальная и юридическая ответственность за результаты испытаний.

Свяжитесь с нами и получите бесплатную консультацию эксперта прямо сейчас!

- множеством природных и антропогенных объектов, представленных их
семантическими свойствами и сочетаниями линий и точек на топографической поверхности, являющимися следами ее сечения объектами.

Таким образом, при цифровом моделировании земная поверхность должна быть представлена моделями ситуации и моделями рельефа, на основе растровой и векторной моделей данных, каждая из которых имеет преимущества, недостатки и область целесообразного использования.

Цифровая модель местности (ЦММ) – цифровая картографическая модель, содержащая данные об объектах местности и ее характеристиках.

Цифровая модель местности (ЦММ) - совокупность информации о положении, характеристиках объектов местности, связях между ними и топографической поверхности, представленные в форме, доступной для обработки на ЭВМ.

ГОСТ - Цифровое представление пространственных объектов, соответствующих объектовому составу топографических карт и планов, используемое для производства цифровых топографических карт; \"множество, элементами которого являются топографо-геодезическая информация о местности и правила обращения с ней\".

При решении тех или иных задач достаточно часто используют либо плановую часть соответствующей карты, либо высотную. Аналогично в составе цифровой модели местности можно выделить цифровую модель объектов (ситуации, контуров) и цифровую модель рельефа.

Цифровая модель объектов (ЦМО) - совокупность информации о плановом положении, характеристиках объектов и связях между ними.

Иногда в технической литературе ее называют также цифровой моделью ситуации (ЦМС) или контуров (ЦМК).

1. Цифровая модель рельефа (ЦМР) - информация о рельефе местности, представленная совокупностью точек с известными координатами и высотами, связей между ними и способа определения высот новых точек по их известным плановым координатам. Под термином цифровая модель рельефа (ЦМР) понимают математическое представление участка земной поверхности, полученное путем обработки материалов топографической съемки.

Таким образом, цифровая модель местности:

- представляет собой упорядоченную по определенным правилам информацию об объектах местности;

- обладает рядом свойств (точность, адекватность, однозначность и др.);

- характеризуется набором параметров;

- создается путем сбора и преобразования топографической информации по определенным математическим правилам.

На основе ЦММ Вы сможете:

- вести дежурные планы застраиваемой территории;

- формировать данные для кадастровых (землеустроительных, градостроительных и других) систем;

- проводить работ по проектированию и мониторингу состояния объектов и местности

- использовать в качестве основы для построения карт и планов.

Цифровые модели местности могут быть: растровые, векторные, гибридные.

- Растровая модель данных основана на использовании регулярной решетки, элементы которой отображают определенные участки исходного объекта (в частности - местности), называются пикселами и характеризуются цветом и яркостью.

Построение автоматизированных систем крупномасштабного картографирования или проектирования на основе растровой модели данных затруднено, так гак не допускает выделения конкретных объектов (дорог, зданий, иных элементов или объектов). Поэтому такая модель используется для представления аналоговых карт и планов с целью последующего преобразования и создания на их основе цифровой модели местности или рельефа, либо в качестве обзорного материала.

- Векторная модель данных ориентирована на описание пространственного положения объектов с помощью примитивов первых четырех типов: точек, линий, контуров и поверхностей и содержит как координаты соответствующих элементов, так и некоторые другие параметры.

- Регулярная модель данных также основана на использовании регулярной решетки, но ее элементы представляют собой формализованные описания свойств соответствующих им фрагментов территории или содержат ссылки на эти описания.

1. Понятие цифровой модели местности (ЦММ).

В общем случае местность, как объект топографической съемки, можно рассматривать как совокупность двух компонентов:

- поверхности Земли, представленной в трехмерном пространстве и обладающей только геометрическими свойствами;

Иногда в технической литературе ее называют также цифровой моделью ситуации (ЦМС) или контуров (ЦМК).

Таким образом, цифровая модель местности:

- представляет собой упорядоченную по определенным правилам информацию об объектах местности;

- обладает рядом свойств (точность, адекватность, однозначность и др.);

- характеризуется набором параметров;

На основе ЦММ Вы сможете:

- вести дежурные планы застраиваемой территории;

- формировать данные для кадастровых (землеустроительных, градостроительных и других) систем;

- проводить работ по проектированию и мониторингу состояния объектов и местности

- использовать в качестве основы для построения карт и планов.

Цифровые модели местности могут быть: растровые, векторные, гибридные.

В статье рассматривается технология хранения и обработки цифровых карт в современных геоинформационных системах. Обсуждаются проблемы, связанные с использованием существующих подходов при создании сложных информационных систем, оперирующих с картографической информацией.

Одновременно предлагаются принципиально новый подход организации цифровой карты, основанный на объединении топологической, объектной и атрибутивной информации, а также методика хранения полученной таким образом цифровой модели местности в реляционных базах данных.

Несмотря на эволюцию подходов и идеологии построения ГИС, понятие электронной карты почему-то оказалось слабо трансформировано. Карта как совокупность объектов каким-либо образом сгруппированных по слоям, вместе с присоединенными базами данных об атрибутике объектов остается неизменной достаточно долго. В то же время именно такая структура цифровых карт порождает множество проблем.

Современные ГИС: проблемы создания цифровых основ

Другой интересный аспект создания современных цифровых карт связан с хранением атрибутивной информации об объектах. Естественно, что атрибутивная информация в силу сложившейся системы управления территориальными инфраструктурами требуется более часто, чем пространственная. Здесь следует упомянуть различные формы, отчеты, сводные ведомости, строящиеся на основе атрибутивной информации. Фактически все управленческие задачи так или иначе опираются на СУБД. Именно по этой причине атрибутивная информация сосредоточена, как правило, в интенсивно используемой базе данных. А связь с пространственной информацией реализована посредством назначения индекса каждому из объектов карты.

Представим ситуацию, когда нескольким городским службам необходимо привязать к одному объекту карты свои базы данных. Какая из служб должна назначить индекс объекту? В соответствии с какими правилами должен быть назначен этот идентификатор, если каждая из служб имеет, как правило, собственную систему классификации и кодирования объектов? Кроме того, в каком из тематических слоев карты должен располагаться объект? Ведь практически каждая служба группирует объекты по-своему, зачастую используя не послойную, а более общую, иерархическую модель группировки.

Карта как модель территориальной инфраструктуры

Взглянув несколько критически на общепринятые в области цифровой картографии модели, можно подвести следующие итоги. Любая служба или отрасль работает в первую очередь с совокупностью каким-либо образом классифицируемых и проиндексированных объектов (к которым добавляются атрибутивные и пространственные характеристики). Пространственное расположение объекта должно в идеале представляться совокупностью его границ, взятых из дуго-узловой модели местности. Это приводит к тому, что для каждой конкретной области возможно и, более того, необходимо расщепление цифровой карты на объектную и пространственную модели местности. Объектная модель местности может быть представлена в виде иерархии, которая продуцирует способы кодирования объектов. Конечно, можно было бы говорить о более общей форме иерархии – многосвязном графе, но в силу, вероятнее всего, ограниченности человеческого мышления такое представление лишь усложнит манипулирование информацией и сделает невозможным построение столь удобных в обращении иерархических цифровых кодов объектов. Кроме того, применяемые на практике отраслевые классификаторы всегда однозначны. Объектная модель местности должна быть тесно связана с пространственной моделью, определяя этими связями четкое расположение объектов в пространстве. Схематически такую тополого-объектную цифровую карту можно представить в следующем виде (рис. 1.).

Однако мы совершенно упустили из виду атрибутивные характеристики объектов. А ведь именно они несут отраслевую специфику. Несложно представить, что таблица обычной реляционной базы данных может быть введена в эту схему совершенно безболезненно и логично (рис. 2).

По сути дела, то, что изображено на рис. 2, отражает необходимую и достаточную информационную схему для успешного управления находящейся в распоряжении какой-либо службы территориальной инфраструктурой. Естественно, что такая схема является упрощенной, поскольку она получается путем абстрагирования от тех характеристик объектов, которые с точки зрения данного вида профессиональной деятельности просто не рассматриваются, то есть эта схема представляет собой модель, а точнее, цифровую модель местности, с точки зрения определенной службы, отрасли, предприятия.

Предпосылки хранения цифровой модели местности в реляционных базах данных

После того как мы представили все компоненты и структурные взаимодействия внутри цифровой модели местности, возникает резонный вопрос о том, каким образом осуществить техническую реализацию такого подхода? Каким образом хранить объектные иерархии, связанные с ними атрибутивные данные и пространственную модель территории? Ответ на этот вопрос не вполне однозначен. В классическом подходе ГИС отвечает за хранение пространственной и объектной модели, присоединенные базы данных – за хранение атрибутивной информации.

Представим на мгновение, что мы при решении своих задач отказались от карты. Естественно, что этот шаг ограничит спектр решаемых задач, но в то же время большинство задач можно будет решить, опираясь только на объектную модель и атрибутивную информацию. Множество предприятий и организаций в своей ежедневной работе просто не используют карту и ГИС-подход. Таким образом, если анализировать, что является основой для построения треугольника объектная модель – атрибутивные характеристики – пространственная модель (рис. 3), следует признать, что именно объектная модель, явно или неявно, является основой функционирования любой системы. Но такой выбор приводит к другому важному вопросу: чем отличается пространственная модель от атрибутивных характеристик объектов? Мы изначально разделили эти модели, более того, мы разделили средства хранения и обработки атрибутивной и пространственной информации. Все атрибутивные характеристики объектов лежат, как правило, в таблицах реляционных баз данных, в то время как пространственные характеристики – внутри геоинформационной системы, которая традиционно для их хранения использует обычные файлы. Существующее расщепление моделей не отличается особой логикой, в гораздо большей степени оно обусловлено историческими причинами развития ГИС. Это приводит, в свою очередь, к тому, что при обращении к атрибутивным данным обычно поддерживается механизм блокировок и транзакций – то есть многопользовательский доступ, в то время как для пространственных характеристик используются гораздо менее мощные механизмы обработки данных.

Все это не может не приводить к серьезным проблемам. Во-первых, существенно усложняется программное обеспечение для совместной обработки и анализа пространственных и атрибутивных характеристик объектов. Во-вторых, множество ГИС используют совершенно разные форматы хранения пространственных данных, зачастую принципиально несовместимые друг с другом. В-третьих, осложняется проблема многопользовательского доступа к пространственной информации, то есть сетевая многопользовательская ГИС за невысокую цену остается мифом.

Для решения проблемы достаточно взглянуть на пространственную модель местности немного с иной точки зрения. По сути дела, пространственная модель содержит границы объектов. Каждый объект имеет атрибутивные характеристики. Вполне разумным кажется интерпретация набора границ как дополнительных атрибутивных характеристик объекта. В этом случае представленная выше схема (рис. 2, 3) может существенно упроститься. Каждый объект характеризуется некоторым набором атрибутивных характеристик, в том числе и своими пространственными границами, которые также хранятся в таблицах реляционной базы данных.

Подобное объединение имеет ряд преимуществ, в том числе может решить проблему многопользовательского доступа, причем как для пространственных, так и для атрибутивных данных; появляется возможность создания единых средств пространственного анализа с привлечением атрибутики объектов; наконец, появляется возможность создания единой системы безопасности, регламентация прав доступа пользователей к данным цифровой модели местности. Также решается проблема совмещения форматов (в случае, если для представления цифровой модели местности в реляционных базах данных используются одинаковые правила). Более того, возможен переход к объемной модели, поскольку ничто не запрещает топологической (пространственной) модели представлять трехмерные границы объектов. В то же время при создании цифровой карты появляется возможность внесения в базу огромного количества характеристик, причем то, что окажется несущественным для решения каких-либо специальных задач, может быть отброшено тривиальным запросом.

Представление данных о цифровой модели местности в рамках реляционных СУБД

ID	Attr1	Attr2	Attr3
0101	12	11.12.1999	Comment
0104	15	25.11.1987	Comment

HOI	HDC	DATA	VAL
0104	050723	11.12.1999	27
0104	050721	08.11.1999	45.5
0104	096782	21.10.1999	Текст
0105	050723	15.10.1999	97

HOI – Hierarchy Object Identification (иерархический идентификатор объекта)

HDC – Hierarchy Data Classification (иерархический классификатор данных)

DATA – дата/время внесения характеристики

Единственной технической сложностью реализации такого представления данных является хранение значения атрибута, поскольку разные атрибуты могут быть представлены различными типами данных. Можно предложить несколько возможных вариантов решения проблемы. Например, использовать в качестве типа данных поля [VAL] тип BINARY или создать в таблице поля, соответствующие всем возможным используемым типам данных (фактически расщепление поля [VAL] на [VAL_INTEGER], [VAL_DOUBLE], [VAL_STRING], [VAL_DATA], [VAL_BINARY] и т.д.). Корректность информации, помещаемой в базу данных, может в этом случае обеспечиваться программным обеспечением.

Ответить на поставленный вопрос достаточно просто, если использовать обменные базы данных. Экспортируя информацию из первой таблицы в обменную, можно простым импортом из обменной таблицы заполнить вторую базу необходимыми данными. Непременным условием такого обмена информацией является одинаковая классификация типов данных. Таким образом, мы приходим к тому, что для успешного обмена межотраслевой информацией необходима одинаковая классификация типов данных. Наличие единого классификатора типов данных не является с практической точки зрения серьезным ограничением, особенно в силу того, что такого рода классификатор должен иметь иерархическую структуру. Всегда существует возможность кроме введения различных общих типов данных, например, геометрических характеристик объектов, вводить в этот классификатор специализированные отраслевые ветви, не нарушая при этом целостности системы.

Для решения проблемы достаточно завести таблицу уравнивания объектов, которая содержала бы всего две колонки, в первой из которых был бы первый идентификатор объекта, а во второй – второй идентификатор. Такая таблица позволила бы в случае операции импорта из обменной таблицы производить межотраслевой обмен информации. Необходимым условием индексации объектов в этом случае является уникальность отраслевых идентификаторов объектов. Этого несложно добиться, вводя в первых разрядах идентификатора объекта код отрасли.

Следует отметить, что если отраслевые классификаторы типов данных велись изолировано и как следствие одна и та же характеристика имеет разные коды в разных областях, можно ввести таблицу уравнивания и для классификационных кодов типов данных. Однако это решение не является лучшим, поскольку в дальнейшем будет показано, как именно межотраслевая таблица классификаторов данных может быть использована для разрешения проблемы параллелизма информации.

Таким образом, обменная таблица и таблица уравнивания объектов, а в худшем случае и таблица уравнивания типов данных, могут являться основой обмена и интеграции информации между любыми отраслями; более того, они являются уникальным способом разрешения коллизий, порожденных несовершенством способов ведения хозяйственной деятельности и существующей системой межотраслевого документооборота.

Представление пространственной модели в рамках реляционной СУБД

Последняя проблема, решение которой приводит нас к возможности реализации полноценной цифровой модели местности, заключается в способе приведения топологической пространственной модели местности к предлагаемой выше структуре баз данных. Основой формирования любой карты являются точки. Но что такое точки в контексте проведенной выше формализации? Точки создают топографы, геодезисты, которые представляют отрасль, по сути дела, вводящую в единую цифровую модель местности новые объекты. Эти объекты имеют свои отраслевые идентификаторы и, естественно, свойства, которые выражаются координатами X, Y, Z. Геометрические характеристики точки, конечно же, являются типами данных, которые, в свою очередь, имеют классификационный код. Таким образом, цифровая модель местности фактически поглощает точки как совершенно обычные объекты. Более того, зачастую нет необходимости вводить объекты-точки, а можно сразу назначить свойства X, Y и Z для любого объекта, например трубы, моста, столба и т.д. Механизмы синхронизации, которые детально обсуждались выше, позволят избежать дублирования или недостоверности информации внутри базы данных, содержащей модель местности. Можно даже предусмотреть механизм приоритетов в случае, если, например, координата X появилась у объекта дважды со стороны разных служб. Если различным службам назначить коды, которые появляются как в идентификаторе объекта, так и в идентификаторе типа данных, то координаты объекта разумно ввести как тип данных, принадлежащих, например, геодезической службе. Если какая-либо другая организация продублирует координату в своей базе с ошибкой, то выбор правильных данных допустимо произвести автоматически, следуя правилу, что наиболее достоверные данные поставляет та служба, код которой в идентификаторе объекта и идентификаторе класса данных совпадает. Это автоматически позволит избежать возникающего параллелизма в сборе информации.

Однако конечная цель – ввод в таблицы, хранящие информацию о цифровой модели местности, топологической пространственной структуры. В этом случае точки являются только средством построения межобъектных границ. Сами границы, в свою очередь, являются атрибутами объектов. В этом случае границу можно также интерпретировать как объект, свойствами которого являются идентификаторы точек.

В результате мы приходим к простейшей структуре базы данных, когда полная информация о цифровой модели местности может храниться в таблице, состоящей всего из пяти обязательных полей, причем при добавлении таблицы уравнивания объектов цифровая модель может служить централизованным хранилищем для обмена межотраслевыми данными. Благодаря обязательному полю дата/время появляется возможность хранения и накопления архивной информации и, что особенно важно, архивной картографической информации. В этом случае, используя фильтр по дате, мы можем увидеть, каким образом изменялась местность, когда появлялись новые дома, объекты инженерной инфраструктуры, а при необходимости можно отследить даже сезонные изменения границ объектов, например рек и болот.

Таким образом, единая цифровая модель местности является принципиально новым подходом к хранению данных в геоинформационных системах, открывающим возможность построения распределенных многопользовательских хранилищ и архивов данных, с возможностью обеспечения целостности, непротиворечивости и корректности как топологической структуры модели, так и атрибутивных данных объектов.

Исследовать каждый сантиметр заданной территории невозможно. Поэтому исследователям приходится интерполировать значения неизведанного пространства по соседствующим дискретным данным, координатам. Для таких целей и требуется цифровое моделирование рельефа местности. Это позволяет предоставить гипотетические сведения о том или ином участке поверхности, его геопространственных координатах, характеристиках и возможных реакциях на то или иное воздействие.

Такой инструмент необходим не только геологам и географам, но и строителям, архитекторам. Без точных сведений о рельефе на участке строительства невозможно начать проектирование.

Обычно такая подготовительная работа поручается специалистам, которые затем передают данные в другие руки.

Трехмерные 3D цифровые модели рельефа и местности (ЦМР и ЦММ): что это такое

Англоязычный термин – Digital Elevation Model (DEM) или Digital Terrain Model (DTM). Моделирование представляет собой создание растрового образца или топографической карты местности, выполненной в виде мелких ячеек – сети. Она образована массой дискретных чисел, координат, которые определяют местонахождение важных объектов, в том числе рек, возвышенностей и пр.

Такой метод используется в картографии. Он позволяет восстанавливать порядок чисел на тех участках, которые не были досконально исследованы. Это делается с помощью двух процедур:

интерполирование – величины ищутся по уже известным показателям;

экстраполирование – значение находится не в заданном интервале, а в определенной точке.

Во втором случае применяется также формула, которая обуславливает построение цифровой модели рельефа (ЦМР) и местности (ЦММ).

Для работы с такими растрами используется технология ГИС. Это требуется как для природно-охранительных мероприятий, так и для сельскохозяйственных нужд. Кроме того, с появлением и развитием электронных онлайн-карт, навигаторов, способами DEM заполняются неизведанные пустоты на территории.

Топографическая информация об уже известных точках получается путем исследований на местности, а также благодаря спутникам. На участке проводятся следующие инженерные изыскания:

Все они проводятся с занесением всех данных в предпроектную документацию. Исследователи-геодезисты предпочитают использовать для работы компьютерную программу Geonium. Она автоматизирует все изыскательные работы, делает выпуск всех чертежей в соответствии с регулярно обновляющимися нормами. Софт содержит 6 модулей, которые в комплексе позволяют создать подробную топографическую карту с нанесением сечений, размеров.

Цифровая модель рельефа местности представляет собой результат сложения всех работ на местности и дистанционного зондирования. Он их достоверности зависит правильность выстраиваемого объекта.

Расположение точек на сетке

Модель обычно представлена в двух или трех координатах. Классические карты содержат только две линии, они определяются соответственно по функциям: Z=f(X, Y), где координаты X, Y – это горизонтальное и вертикальное расположение единиц. Им характерны различные значения, их может быть настолько много, насколько качественно проведены исследования – температура в различные периоды, влажность, давление, расположение над уровнем моря, почвенные показатели, уровень грунтовых вод и многое другое.

Когда появляется третья величина, говорят о создании объемной цифровой модели местности – 3D ЦММ. Такое моделирование можно проводить исключительно на компьютерной платформе, которая поддерживает трехмерное проектирование, например, ZWCAD.

Расположение координат зависит от способа получения данных – более подробные и менее. Как могут располагаться точки:

Регулярно, часто на квадратных, треугольных или шестиугольных ячейках – если были проведены исследования с помощью тахеометрической съемки или нивелирования.

Линейно, когда значения могут распределяться по одной прямой – если были проведены картометрические изыскания.

Разбросано (изолинейно). Такие узоры получаются при особенностях рельефа.

В зависимости от этого используются такие типы интерполяции цифровых моделей рельефа:

способ порций Кунса;

применение ортогональных и неортогональных полиномов, рядов Фурье;

скользящее взвешенное осреднение и пр.

Подробность и адекватность результатов зависят не только от способа построения формул, но и от размера ячеек. Если берутся крупные шестигранники или четырехугольники, то вероятность достоверности минимальна.

Если есть возможности укрупнить изображение и взять за единицу минимальный отрезок, то точность ЦМР повысится. Но для сверки обычно используют реальный взгляд на топографию местности.

Проектирование наружных инженерных сетей : водоснабжения, канализации, газоснабжения, теплоснабжения.

Виды структур для представления поверхности цифровой модели рельефа местности

TriangulatedIrregularNetwork – это неровность, которая состоит из непрерывающих связь треугольников. Так ребро каждого элемента – это часть соседствующей фигуры. Вершины каждого пазла – точки координат с известным значением. Они соединяются не линейно, а по принципу триангуляции Делоне. Для этого через вершины проходят окружности, а ребра ставятся по соответствующим точкам пересекающихся кругов.

Минусом является возможная погрешность из-за неполных данных. Но несомненный плюс такой модели в том, что исследования не содержат изменений исходных значений. Также это самый быстрый способ интерполирования. Раньше все ГИС работали по такому принципу, сейчас более популярным становится следующий.

Дословный перевод с английского – сетка. Она действительно представляет собой сеть со значением высот. Матрица преобразует, интерполирует исходные значения, заполняя полученными результатами ячейки. Особенность системы в том, что показатели могут бесконечно преобразовываться и уточняться, в зависимости от приближения.

Выбор интервала между точками зависит от местности. На территории с низким уровнем пересеченности (равнины) работа с цифровой моделью рельефа имеет укрупненный шаг. В то время как для показателя неровности – холмы,овраги, водоемы – используются частотные полосы с минимальным отступом координат друг от друга.

TGRID

Triangulatedgrid – сетка сочетает принципы двух предыдущих программ. Основное преимущество в том, что такая технология идеально подходит для описания сложных топографических карт, мест с трудным рельефом. Математические вычисления помогают предугадывать, на первый взгляд неожиданные, изменения поверхности, такие как валуны и небольшие впадины. Используется не один, а несколько методов интерполяции:

метод обратных взвешенных расстояний;

Так, кроме формул и закономерностей, появляются статистические данные, которые учитывают возможность непредвиденного появления неровностей.

Этапы создания цифровой модели рельефа по данным топографических карт

В электронные системы ГИС до настоящего момента еще заносят данные, которые представлены в многообразных топографических картотеках. Это делается следующим образом:

Сканирование. При этом процессе должно учитываться оптимальное разрешение. Оно определяется исходя из нужд ЦММ. Слишком детальная информация может не пригодиться, зато основа будет долго загружаться, а ее проработка потребует длительного времени.

Стыковка и наложение. Этот этап позволяет склеить все элементы будущей модели, сделать швы незаметными, дополнить имеющиеся погрешности в данных, например, если на одном источнике не было что-либо отмечено, а на втором было.

Векторизация. Чтобы отметить горизонтальные линии, необходимо программное обеспечение, которое сделает это в автоматическом режиме. Если самостоятельно, вручную к этому приступать, то потребуется много времени.

Интерполяция растрового изображения по одному из выше представленных методов. Этот момент и делает из электронной карты полноценную ЦМР.

Для чего нужно создание модели местности – область применения

В совокупности значений такая технология необходима для детального изучения рельефа на любой территории. Его можно познавать как на плоскости, так и в объеме. Кроме того, при желании можно спрогнозировать разрез почвы, определить уровень грунтовых вод и прочее. Так что, правильнее всего будет сказать, что ЦММ необходимы для изучения местности буквально вдоль и поперек. Такими широкими возможностями пользуются во многих отраслях:

В целях картографирования. Это направление положило истоки оцифровки данных, а также дало множество исходного материала. Теперь уже оно само пользуется возможностями топографических моделей.

Ландшафтный дизайн. Для обустройства обширной местности потребуется узнать обо всех особенностях грунта и рельефа – где будет скапливаться вода, в каком месте лучше посадить растения.

Проектирование зданий и сооружений. Эта цель сейчас одна из основных, которые обслуживают ЦММ. Растровые изображения переносятся в системы CAD, а могут там и создаваться. На такой подложке создаются модели будущих строений. Учитываются не только координаты тех или иных точек, но и характеристики строительной площадки.

Строение автомобильных дорог, магистралей и развязок. Перед тем как приступить к ремонтным работам, а тем более до начала масштабного строительства, необходимо подробно изучить ту основу, на которой будет стоять дорога. Исследуется не только рельеф, но и уровень возможной просадки, нахождение грунтовых вод, которые могут размыть основания и пр.

Природоохранительные задачи. Особые точки на сетке ставятся в тех местах, где располагаются водоемы. Когда перед глазами сотрудника растровая картинка, намного легче ориентироваться на местности, отмечать все достопримечательные или особые места.

Научные изыскания: биологи, экологи, географы, геологи и многие другие ученые в качестве исследований выбирают ЦММ.

Бытовое использование цифрового моделирования в ГИС – электронные карты, навигаторы. Без карты в гаджете многие пользователи не смогут ориентироваться в городе, не говоря уже о незнакомых местах.

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:

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

Некоторые методы дистанционного зондирования для получения матрицы высот:

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:

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.

Читайте также: