منبع : وب سایت جام

مقاله کوتاه از مدل رقومی سطح زمین DTM

مقدمه ای به DTM :

مدل های رقومی سطح زمین که تحت عنوان DIGITAL TERRAIN MODEL نامگذاری شده اند از سال 1950 در علوم کاربردی زمین مورد استفاده قرار گرفته اند و از آن تاریخ به بعد برای پردازش های اطلاعات جغرافیائی به عنوان جزء اصلی محسوب می شوند ، DTM در علوم زمین و مهندسی کاربردهای فراوان دارد در یک سیستم GIS DTM امکان انجام آنالیز در سطح زمین را فراهم می کند و قابلیت نمایش پدیده های مرتبط با توپوگرافی و دیگر سطوح را دارند یک DTM به عنوان نمایش رقومی قسمتی از سطح زمین شناخته می شود...

روش های نمونه برداری داده های ارتفاعی :

روش های مختلفی برای نمونه برداری یا SAMPLING وجود دارد از مهمترین تکنیک های داده های ارتفاعی می توان به روش های زیر اشاره نمود.

1-   روش منظم REGULAR  SAMPLING

2-    روش مرحله ای  PROGRESSIVE SAMPLING

3-    روش انتخابی ( نامنظم ) SELECTIVE SAMPLING

روش نقشه برداری زمینی :

داده های نقشه برداری زمین خیلی دقیق هستند و نقشه برداران از خصوصیات زمین به دقت بهره برداری می کنند نهایتا دقت DTM تولیده شده با این روش بسیار بالا خواهد بود.

لیکن تکنیک جمع آوری داده ها در این روش نسبتا هزینه بر و زمانبر است.

لذا معمولا از این روش در مناطق کوچک استفاده می شود.

ضمنا در مواردی که روش های دگیر محدودیت دارند ( مثل جمع آوری اطلاعات در مناطق جنگلی توسط فتوگرامتری) ناگزیر به استفاده از این روش می باشیم.

روش نقشه برداری هوایی ( فتوگرامتری )

جمع آوری اطلاعات به روش فتوگرامتری بر اساس تغییر استرئوسکوپی عکس های هوایی است.

بر اساس تجهیزات مورد استفاده روش فتوگراتری به سه دسته آنالوگ ، تحلیلی و رقومی تقسیم می شوند فتوگراتری رقومی بر اساس تکنیک STEREO MATCHING عمل می نماید.

این روش با شناسایی نفاط مشترک در یک روج تصویر چپ و راست. با همپوشانی عرض عمل توجیه مطلق و توجیه نسبی عکس های هوایی را به طور کاملا اتوماتیک به انجام می رساند و بدین ترتیب مدل رقومی سه بعدی را تشکیل می دهد و از این مدل می توان داده های سه بعدی را استخراج نمود و از آنها در تهیه DTM و ارتوفتوها استفاده کرد.

روش فتوگرامتری برای مناطق وسیع کاربرد دارد.

استفاده از نقشه های کارتوگرافی دیجیتایز شده گاهی نقشه های کاغذی منطقه ای وجود دارد و در آن منحنی های میزان نیز ترسیم شده است به دلیل محدودیت بودجه و یا زمان می توان از این روش بهره جست به این ترتیب که ابتدا نقشه های کاغذی و یا لایه های مورد نظر باید به صورت سه بعدی رقومی شوند.

از آنجائیکه یک منحنی میزان نقاط هم ارتفاع را به هم متصل می نماید لذا هر نقطه بر روی منحنی میزان رقومی شده می تواند به عنوان داده ای در تولید DTM استفاده گردد.

روش های نمونه برداری داده های ارتفاعی :

روش های مختلفی برای نمونه برداری یا SAMPLING وجود دارد از مهمترین تکنیک های داده های ارتفاعی می توان به روش های زیر اشاره نمود.

1-   روش منظم REGULAR  SAMPLING

2-    روش مرحله ای  PROGRESSIVE SAMPLING

3-    روش انتخابی ( نامنظم ) SELECTIVE SAMPLING

1-  در این روش فواصل برداشت نقاط همانند یک GRID ثابت است نکته حائز اهمیت در این روش یافتن بهترین فواصل در نمونه برداری است. روش های بسیاری برای حل این نکته وجود دارد که شامل تکنیک هایی بر اساس آنالیزهای طیفی ، اینترپولاسیون خطی ، تخمین VARIOGRAM

در روش نمونه برداری منظم بر اساس اینکه فاصله GRID ها مشخص و ثابت است از یک قانون منظم  و زمین هموژن طبیعت می کند.این روش برای زمین هایی که دارای ناهمواری زیاد است مناسب نمی باشد .

2-  در این روش نوع تراکم نقاط نمونه به پیچیدگی و ناهمواری های سطح زمین وابسته است از مزایای این روش می توان به بالاتر بردن دقت نمونه برداری اشاره نمود و از معایب آن این است که ممکن است در مناطقی ، نقاط اضافی برداشت شوند در این روش ابتدا منطقه به چهار بخش تقسیم بندی می شود سپس هر مربع که دارای پیچیدگی است مجددا به 4 مربع تقسیم می شود و در مناطقی که یکنواخت می باشند تقسیم بندی ادامه پیدا نمی کند سپس مجددا تقسیم بندی شروع می شود تا در هر مربع منطقه کاملا هموار وجود داشته باشد روش نمونه برداری انتخابی یا

در این روش نقاط نمونه به طور کاملا نامنظم و در جاهائیکه تغییر ارتفاعی وجود دارد گرفته می شود از مهمترین این عمل ها خط القعر و خط الراس هاست.

از مزایای این روش به حداقل رسانیدن تعداد نقاط نمونه و عدم وجود نقاط اضافه است و از معایب آن این است که نمونه برداری وابسته به نظر عامل می باشد و لذا خطاهای انسانی را نیز به همراه دارد.

نمون برداری ترکیب ( COMPOSITE SAMPLING )

این روش ترکیب از روش های مرحله ای و روش انتخابی است با این روش نقاط نمونه حداقل است و در مناطق با شیب های تند مشکل وجود GAP  مرتفع گردیده است. دقت این روش خیلی بالاست.

درون یابی ( INTERPOLATION )

همانطور که قبلا ذکر شد DTM شامل دو بخش داده و مدل است درون یابی ( INTERPOLATION ) فرآیند یافتن مقادیر نقاط نامعلوم با استفاده از نقاط نمونه برداری شده ( نقاط معلوم ) است.

درون یابی تخمین ازتفاع در صفحه  ( منطقه ای ) که دارای هیچ داده ای نیست می باشد.

بطور کلی عمل درون یابی یا INTERPOLATION جهت عملیات زیر استفاده می شود.

1-   محاسبه ارتفاع ( Z ) در یک نقطه منفرد نامعلوم

2-   محاسبه ارتفاع (Z ) از یک GRID منظم مربعی از نقاط نمونه برداری مرجع

3-   محاسبه موقعیت مسطحاتی (  X,Y)  بین دو منحنی میزان با استفاده از روش (CONTOUR INTERPOLATION )

4-   شناسایی تراکم ( ضخامت ) مربوط به GRID های مربعی ( RESAMPLING ) انواع انترپولاسیون  GLOBAL- LOCAL- POINTWISE

کیفیت DTM نهایی به روش انترپولاسیون بستگی دارد

عوامل اتخاذ نوع روش انترپولاسیون :

به دو عامل ساختار عوارض و سازگاری خصوصیات زمین با تابع انترپولاسیون وابسته است.

تابع انترپولاسیون باید سازگار با خاصیت اجزای داده ( نوع – دقت – اهمیت و…  باشد)

دقت مورد نیاز و روش محاسباتی ( نزدیکترین همسایگی ، SPLINE  و …) در اتخاز روش انترپولاسیون اهمیت دارد.

ساختارهای DTM

پس از جمع آوری داده های و انجام عملیات درون یابی به مرحله ساخت مدل می رسیم مدل رقومی سطح زمین دارای ساختارهای متعددی می باشد که این ساختار ها به نوع نمونه بردارد نقاط وابسته هستند دو نوع ساختار مهم برای DTM وجود دارد.

1-   شبکه منظم( GRID ) 2- شبکه نامنظم مثلثی ( TIN)

ساختار شبکه منظم یا GRID MODEL STRUCTURE

GRID یک ساختار  ماتریسی است که ارتباطات توپولوژیکی ما بین نقاط داده ها را ذخیره کرد و نمایش می دهد از آنجائیکه این ساختار رقومی است نمایش ارتفاعات بصورت ماتریس ارتفاعی را به راحتی حمایت می کند و از الگوریتم های ( مدل سازی شبکه منظم زمین ) استفاده می نماید.

این ساختار را به نام DTM رستری نیز می شناسد در این ساختار افزایش RESOLUTION GIRID ها توسط کاهش فواصل نقاط نمونه انجام پذیر است که منجر به افزایش دقت خواهد شد لیکن کاهش فواصل نقاط می تواند منجر به افزایش هزینه ها گردد. اگر زمین نسبتا مسطح باشد این روش مناسب است.

ساختار شبکه نامنظم مثلثی (TIN)

TRIONGULATE IRREGULAR NETWORK MODEL STRUCTURE

به شبکه نامنظم مثلثی TIN گفته می شود . این شبکه دارای ارتباطات توپولوژیکی است هنگامی که از روش نمونه برداری انتخابی یا نامنظم مرحله ای و یا ترکیبی استفاده می گردد پس از انجام عملیات درون یابی یا ( INTER POLATION ) لازم است عملیات مثلث بندی یا TRIARGULATION انجام پذیرد.

در این صورت در خروجی TIN بدست خواهد آمد. عوارض پایه می توانند به راحتی در داخل ساختار داده وارد شود نتیجتا TIN ها قادر هستند باز تاب کافی و مناسبی از چگالی و تراکم نقاط و نقاط ناهموار زمین را عرضه نمایند.

ساختار TIN نسبت به ساختار GRID دارای نقاط کمتری است لیکن ارتباطات توپولوژی برداری بایستی به طور صحیح و واضح محاسبه و ذخیره شود بنابر این TIN ها دارای ساختار پیچیده تری هستند و اغلب جهت HANDLE نمودن مشکل تر می باشند با استفاده از مثلث های TIN که توسط روش TRIARGULATION ساخته می شوند ما مطمئن هستیم که به هر سه نقطه یک مثلث یا صفحه FIT خواهد شد.

در GIS های برداری TIN می تواند در حکم پلی گونهایی باشد که حاوی اطلاعات شیب ، جهت و مساحت است از لحاظ مفهومی مدل تین در مناطقی مناسب است که در شیب دارای شکستگی های عمده ای نظیر خط الراس ها، کانال ها ، خط القعر ها و غیره باشیم بر خلاف مدلGRID در TIN       می توان با توجه به تغییر شیب زمین نقاط نمونه بردای را افزایش یا کاهش داد اجزای یک TIN عبارتند از :

NODE ها – لبه ها ( EDGE ) – مثلثها ( TRIANGLES ) و ساختار توپولوژی ساختارهای GRID , TIN  وابسته به کاربردهایی می توانند به یکدیگر تبدیل گردند.

اگر دو ساختار بخواهند با یکدیگر JOIN  شوند و پیوسته گردند لازم است هر دو دارای یک ساختار واحد باشند.

  TIN                GRID   غلط