Digitální model reliéfu (terénu) a analýzy modelů terénu

Transkript

1 Digitální model reliéfu (terénu) a analýzy modelů terénu Digitální modely terénu jsou dnes v geoinformačních systémech hojně využívány pro různé účely. Naměřená terénní data jsou často zpracována do podoby DMT použitím prostorové interpolace. K dispozici máme mnoho interpolačních algoritmů. Digitální model povrchu (DSM) zvláštní případ digitálního modelu reliéfu konstruovaného zpravidla s využitím automatických prostředků (např.obrazové korelace ve fotogrammetrii) tak, že zobrazuje povrch terénu a vrchní plochy všech objektů na něm (střechy, koruny stromů a pod.) Digitální model reliéfu, Digitální model terénu (DMR, DMT) digitální reprezentace zemského povrchu v paměti počítače, složená z dat a interpolačního algoritmu, který umožňuje mj. odvozovat výšky mezilehlých bodů 1

2 Zdroje vektorových dat: Geodetická měření Družicové polohové systémy (GPS) Laserové snímání Zdroje rastrových dat: Letecká a pozemní fotogrammetrie Dálkový průzkum Země Radarová interferometrie Existující digitální a analogová data ZABAGED DMÚ 25 Digitální model reliéfu ČR (DMR 4G, DRM5G) a další... 2

3 Úvod k základním způsobům reprezentace povrchu Pravidelný čtvercový rastr Vrstevnicový model Triangulated irregular networks (TIN) Pravidelný čtvercový rastr Struktura která specifikuje hodnoty v pravidelné čtvercové mřížce. V počítači je uložená jako dvoj-dimenzionální pole. Pro každý čtverec pravidelné mřížky je určena pouze jedna hodnota elevace. Význam rastrové reprezentace Elevace uložená v buňce určuje hodnotu elevace pro každý bod této buňky. Elevace může reprezentovat výšku středu buňky, nebo průměrnou hodnotu elevace celé buňky 3

4 Vrstevnicový model Význam vrstevnicové reprezentace Je dána množina výškových dat, a v modelu je reprezentována každá vrstevnice s jednou z těchto elevací. Vrstevnice je obvykle uložena jako sekvence bodů s x- a y- souřadnicí. 4

5 Triangulated irregular networks (TIN) Universální způsob jak zobrazit povrch je triangulovat vstupní body do podoby TINu. Výsledné trojúhelníky (plošky) TINu se (většinou) považují za rovinné a proto tvoří plně definovaný, spojitý model povrchu. Výhody: Mohou zahrnout vstupní měření (body), na rozdíl od pravidelného rastru, které jsou interpolovány ze vstupních dat a proto jsou náchylnější k chybám. Hustota vzorkování je adaptibilní vzhledem ke vstupním datům. Proto můžeme mít oblast hustě pokrytou body s malými trojúhelníky tam, kde je terén členitý, zatímco jinde je pokrytí vstupními body řídké, s velkými trojúhelníky, v oblastech konstantního sklonu. Triangulated irregular networks (TIN) V datovém modelu TINu je uložena množina bodů spolu se svými výškovými daty. Body nejsou uloženy v mřížce a mají rozdílnou hustotu - na těchto bodech proběhne rovinná triangulace. Pokud bod neleží ve vrcholu, tak je jeho výška získána lineární interpolací (ze dvou bodů, pokud leží na hraně, ze tří, pokud leží uvnitř trojúhelníku) = po částech lineární model, který může být ve 3-d vizualizován jako jednoduše pospojovaná množina trojúhelníků. TIN je spojitý, ale nediferencovatelný po celé oblasti. Konverze mezi typy reprezentací Vstupní výšková data mohou být do GIS zadána v různých formátech. Často se používají vrstevnice digitalizace papírových map. Data ve formě rastru fotogrammetrické zpracování dat. Data ve formě rastru zabírají běžně hodně místa, což vede k velkým nárokům na paměť a kčasové složitosti algoritmů. 5

6 Metody interpolace Thiessenovy (Dirichlet, Voronoi)polygony Natural neighbour interpolation (interpolace z přirozených sousedů) IDW (metoda inverzních vzdáleností) triangulace (s lineární interpolací) Spline (metoda minimální křivosti) Kriging (geostatistické metody) Triangulace z bodů 6

7 Triangulace z vrstevnic Výšková data jsou většinou získána digitalizováním vrstevnicových map. Vrstevnicová mapa je vektorová datová struktura. Převod vrstevnic na TIN = triangulace mezi vrstevnicemi. Při triangulaci se použije takový algoritmus, který produkuje dobře tvarované trojúhelníky, jako např. Delaunayho triangulace. Triangulace z vrstevnic Triangulace z bodů a vrstevnic Pro nejlepší výsledky triangulace použít body a vrstevnice. 7

8 Theissen IDW Kriging Arthur J. Lembo, Jr. Cornell University 8

9 Aplikace DMT plošná interpolace bodových dat spojitý popis jevu (výška, teplota, znečištění,...) získaný měřením v diskrétních bodech Analýzy povrchů (modelů terénu) Sklonitost, směr sklonu - u gridového modelu je výstupem nová rastrová vrstva, u TIN jsou tato data k dispozici v podstatě implicitně Údaje analýzy sklonu a směru sklonu jsou poměrně důležité jako vstup pro další analýzy jako je vážená vzdálenost, analýzy eroze. Morfologické analýzy - nalezení lokálních minim a maxim, konvexnosti a konkávnosti. Výstupem analýzy je bodová vrstva obsahující výše uvedené prvky. Analýza osvětlení terénu - Umožňuje počítat množství dopadajícího světla na danou lokalitu. Její použití je vhodné např. pro analýzy vyhledávání nejlepší lokality pro pěstování vína. Tvorba vrstevnic (izočar) - jedná se o převod mezi reprezentacemi (DMT na vektorové linie). Generování profilů - pomocí DMT je možné počítat profily liniových prvků Počítání objemů DMT- Cut and Fill analýza (změny objemu mezi dvěma DMT), analýzy reálné plochy povrchu, reálné délky na povrchu (reálná vzdálenost na DMT), kde výsledkem je reálná plocha/délka na DMT a ne planimetrická ze 2D. Analýzy viditelnosti (line, point) - umí odpovědět na následující otázky: které oblasti je možné a nemožné vidět z rozhledny na určitém kopci jak často je vidět dané místo z dálnice (vyhledání nejvhodnější lokality pro reklamu) kolik je nutné postavit rozhleden a kde, aby bylo viditelné celé definované území studie nalezení vhodné lokality pro komunikační buňku (u mobilních telefonů) 9

10 Analýzy povrchů - DTM Sklonitost Směr sklonu - expozice 10

11 Analýza osvětlení terénu hillshade - stínování, vhodné pro zvýraznění tvaru reliéfu Analýza viditelnosti Analýza viditelnosti 11

12 Analýza profilu DMT 12