Множество моделей рельефа — в чем разница?

Данные о рельефе играют важную роль во многих аспектах современного геопространственного мира. Независимо от проекта, будь то моделирование рисков наводнений, планирование ветроэлектростанций, проектирование инфраструктуры или 3D-визуализация городов, цифровая модель рельефа необходима. Эти наборы данных служат для представления поверхности Земли. За аббревиатурами DEM, DTM и DSM скрывается история технологических инноваций, точности и перспективности.

Почему данные о высоте важны

Каждый процесс, взаимодействующий с рельефом, — от потоков воды и эрозии до расширения городов и выбора места для строительства объектов возобновляемой энергетики — зависит от точных данных о высоте. Гидрологам они помогают определить водоразделы и направление потока. Инженерам они помогают планировать дороги и трубопроводы. Экологам они показывают, как экосистемы реагируют на изменения рельефа. В эпоху цифровых двойников, беспилотных автомобилей и спутникового мониторинга климата высота — это уже не просто фоновый слой. Это активное измерение данных, влияющее на прогнозы, решения и проектирование.

История ЦМР

Концепция цифровой модели рельефа (ЦМР) возникла в конце 1950-х годов, когда картографы Геологической службы США (USGS) начали оцифровывать контурные карты для автоматического расчета высот рельефа. Первые ЦМР были грубыми и ограниченными по площади, но основа была заложена: рельеф можно было представить в виде чисел.

Настоящий прорыв произошел с появлением спутниковых радиолокационных миссий. В 2000 году НАСА и Германский аэрокосмический центр (DLR) запустили программу «Radar Topography Mission» (SRTM) на борту космического челнока «Endeavour», которая составила карту 80% поверхности Земли с разрешением 30 метров. Впервые данные о высотах практически в глобальном масштабе стали общедоступными — настоящая революция для ГИС и наук об окружающей среде.

В последующие десятилетия такие миссии, как ALOS PALSAR (Япония), TanDEM-X (Германия) и Copernicus DEM (Европа), снизили пространственное разрешение до метров или даже дециметров, что позволило реализовать приложения, которые ранее были немыслимы в континентальных масштабах.

Понимание терминологии: DEM, DTM, DSM

Рассмотрим наиболее распространенные сокращения, с которыми можем столкнуться:

DEM - это обобщающий термин, но различие между DTM и DSM имеет решающее значение.

DTM удаляет растительность и строения, обнажая истинную поверхность земли. Он идеально подходит для анализа рельефа.

DSM, с другой стороны, включает кроны деревьев, здания и инфраструктуру; идеально подходит для моделирования, городского проектирования и 3D-визуализации на основе LiDAR.

Стоит упомянуть и другие производные модели:

REM (Модель относительных высот) — отображает высоту относительно близлежащих водоемов, широко используется в исследованиях пойменных зон и заболоченных территорий.

nDSM (Нормализованная DSM) — разница между DSM и DTM, представляющая высоту объектов, таких как деревья или здания.

CHM (Модель высоты крон) — используется в лесном хозяйстве для оценки высоты крон на основе данных LiDAR.

Батиметрические DEM — расширяют область ниже уровня моря интегрируя гидролокационную или лидарную батиметрию для картографирования прибрежных и морских районов.

Эти вариации подчеркивают, что DEM — это не просто «один набор данных», а семейство представлений рельефа, адаптированных для конкретных вопросов о поверхности Земли.

Как создаются DEM

DEM могут быть получены из разнообразных источников, каждый из которых имеет свои сильные стороны и компромиссы:

·         Фотограмметрия — высота извлекается из перекрывающихся аэрофотоснимков или спутниковых изображений. Точный и экономически эффективный метод для локального картографирования, но ограниченный из-за растительности.

·         LiDAR (Light Detection and Ranging) — лазерные системы, обеспечивающие точность на уровне субметра, идеально подходят для DTM и моделей крон. Воздушный LiDAR, такой как USGS 3DEP, устанавливает стандарт для высокоточного определения высоты в США.

·         InSAR (Интерферометрическая радиолокационная система с синтезированной апертурой) — использует разность фаз радарных сигналов от спутников (например, Sentinel-1 или TanDEM-X) для определения высоты поверхности и даже для обнаружения деформации грунта со временем.

·         Радарная альтиметрия — измеряет высоту вдоль спутниковых трасс, часто используется над океанами, ледниками или удаленными регионами.Глобальные продукты DEM, такие как Copernicus DEM (полученный из TanDEM-X) или NASADEM (усовершенствованная версия SRTM), объединяют радарные данные и оптические изображения для обеспечения согласованного покрытия и повышения точности.
Частные компании, такие как NTT Data (AW3D), Airbus (WorldDEM) и Maxar Technologies (Precision3D), теперь предоставляют глобальные данные о высоте с разрешением до 0,5 метра, поддерживая отрасли от инфраструктуры до автономной навигации.

Где взять данные о высотах

Сегодня нет недостатка в источниках DEM — главное — знать, где искать.
Открытые и бесплатные наборы данных:

• SRTM – 30 метровое глобальное покрытие, основополагающий для исследований глобального масштаба.
• ALOS PALSAR DEM – разрешение 12,5–30 м, глобальное.
• Copernicus DEM – разрешение 30 м и 90 м, на основе TanDEM-X.
• NASADEM — обновлены данные SRTM с улучшенным заполнением пустот и калибровкой.
• ArcticDEM и REMA – полярные ЦМР высокого разрешения на основе стереоспутниковых снимков.

Коммерческие варианты и варианты с высоким разрешением:

• AW3D (NTT Data) – глобальный охват 0,5–2 м.
• WorldDEM (Airbus) – точность 12 м от TanDEM-X.
• Шестиугольные данные рельефа – подробные топографические и батиметрические модели рельефа.
• Maxar Precision3D – данные о рельефе города на основе стереоснимков, полученных со спутника..

Порталы данных и браузеры:

• USGS EarthExplorer – загрузка ЦМР по AOI и временному диапазону.
• Copernicus Browser — онлайн-просмотр ЦМР и наборов данных Sentinel.
• Google Earth Engine – программная обработка и визуализация данных о высотах.
• OpenTopography — отлично подходит для ЦМР на основе LiDAR, с инструментами обработки по требованию.
• Terrascope — европейский цент анализа данных Sentinel и DEM в облаке.

Каждая из этих платформ обеспечивает быструю визуализацию, загрузку и интеграцию данных высот в программное обеспечение ГИС.

Как визуализировать и анализировать ЦМР

После того, как у вас есть ЦМР, визуализация и анализ — вот где рождаются настоящие идеи.

В QGIS вы можете легко:
Создавать отмывку рельефа для реалистичной визуализации местности.

Постройте карты уклонов и экспозиции для определения топографической ориентации.

Создание контуров и профилей для отображения структуры рельефа.

Другие платформы, ArcGIS Pro или Global Mapper, предоставляют аналогичную функциональность с расширенной коррекцией рельефа, растровой геометрией и созданием 3D-сцен.

Рельеф на 3D-картах в Интернете

Следующим рубежом для DEM является интерактивная 3D-визуализация. Вместо статичных карт пользователи теперь могут динамически исследовать местность в браузере.

• CesiumJS обеспечивает потоковую передачу и рендеринг глобальных наборов данных местности, обеспечивая работу цифровых двойников и 3D-городских платформ.
• Deck.gl интегрирует данные о высотах с 3D-визуальной аналитикой, которая часто используется при составлении отчетов о данных.
• Potree идеально подходит для визуализации облака точек — идеально подходит для DSM, производных от LiDAR.
• Mapbox Terrain и TerriaJS также предоставляют API для веб-картографирования на основе высоты.

Эти фреймворки позволяют создавать иммерсивные информационные панели, от мониторинга ледников до планирования инфраструктуры, без специализированного программного обеспечения для настольных компьютеров.

Будущее данных о рельефе

Следующее поколение ЦМР будет более интеллектуальным и динамичным. Методы улучшения на основе ИИ уже повышают точность вертикальной съемки, подавление шумов и фильтрацию растительности. Такие проекты, как проект NASA Surface Topography and Vegetation (STV) и предстоящие миссии TanDEM-L, обещают обновление данных о рельефе практически в режиме реального времени.
Тем временем, открытые инициативы, такие как программа сообщества LiDAR OpenTopography и инициативы ESA Open Science, делают доступ к высококачественным данным о рельефе доступным. В сочетании с машинным обучением эти усилия приближают нас к будущему непрерывно обновляемых глобальных моделей рельефа с точностью до метра.

В основе каждой карты лежит рельеф. Будь то уклон холма, подъем поймы или горизонт растущего города, ЦМР определяют, как мы воспринимаем и моделируем физический мир. Понимание их различий и умение их находить и применять — ключ к раскрытию потенциала пространственных данных.