آشنایی با مدل رقومی زمین (DTM)
گردآوری و ترجمه: حانیه گرشاسبی دانشجوی کارشناسی رشته مهندسی نقشه برداری موسسه آموزش عالی دارالفنون
پیش گفتار
نمایش بعد سوم یا مؤلفه سوم مختصات برای بسیاری از کاربردها اهمیت اساسی دارد. اما نمایش بعد سوم سطح زمین یعنی z بر روی سطح مسطح کاغذ یا صفحه نمایش دشوار است. از اواسط قرن بیستم روش های مختلفی برای نمایش رقومی سطح زمین همراه با پیشرفت محاسبات ریاضیات مدرن و گرافیک به وجود آمد. به طوری که نقشه برداران و نقشه کشان و جغرافیدانان تلاش کرده اند روشهایی را برای نمایش ارتفاعات روی نقشه ارائه نمایند.استفاده از هاشور و سایه روشن و گام های رنگی و اعداد ارتفاعی و منحنی میزان از جمله این روش ها محسوب می شوند.
کامپیوتر به یکی از مهم ترین ابزارها برای نمایش رقومی سطح زمین تبدیل شده است. امکانات و قابلیت های کامپیوتری اجازه می دهند تا سطح پیوسته زمین به شکل رقومی نمایش داده شود به گونه ای که برای کاربران به خوبی ملموس و محسوس باشد. سطح زمین یک سطح پیوسته است که راه های متعددی برای به ترسیم کشیدن آن ممکن است وجود داشته باشد.
مدل رقومی زمین DTM
در نمایش سطح زمین، مدل رقومی زمین DTM یکی از ابزارهای مهم محسوب می گردد که حاصل تلاش برای به ترسیم کشیدن زمین است. به گونه ای که به طور رقومی در سه بعد قابل نمایش باشد. در حقیقت DTM سطحی است که تغییرات ارتفاع (z) نسبت به سطح زمین (x,y) در آن تعریف می شود. در واقع DTM فقط یک نمایش آماری از سطح پیوسته ای از زمین به وسیله تعداد زیادی از نقاط با مختصات x,y,z معلوم در سیستم مختصات دلخواه است.
Digital terrain Model=DTM
سه مشخصه عمده DTM
- سطح زمین (earth surface) را نمایش می دهد
- سه بعدی (۳D) است
- رقومی (digital) است
خصوصیات DTM
- اشکال متفاوتی از نمایش را به آسانی می توان تولید کرد. مثل: نقشه های توپوگرافی- برش عرضی/عمودی و انیمیشن سه بعدی.
- با گذشت زمان از دقت داده ها کاسته نمی شود. (به واسطه رقومی بودن)
- به روز کردن آن دارای مشکلات کمتر و راحت تر است.
- DTM ها می توانند بر اساس مقیاس های متفاوت کیفیت خود را حفظ کنند.
به طور معمول DTM می تواند شامل چهار دسته از اطلاعات (توپوگرافی و غیر توپوگرافی) به صورت زیر باشد:
۱٫اشکال ناهمواری: مثل ارتفاع-شیب-جهت شیب و دیگر عوارض ژئوفولوژیکی پیچیده تر که برای نمایش برجستگی سطح زمین مورد استفاده قرار می گیرند.
۲٫عوارض زمینی: مثل عوارض هیدرولوژیکی (رودخانه، دریاچه،خطوط ساحلی)، شبکه های انتقال (جاده ها، بزرگراه ها، پیاده روها)، زیستگاه ها و همسایگی ها و…
۳٫منابع طبیعی و محیط زیست: مثل خاک، فضای سبز، انواع سنگ، اقلیم و…
۴٫داده های اجتماعی-اقتصادی: مثل توزیع جمعیت در یک منطقه، صنعت و کشاورزی و جریان سرمایه و…
حال می توان تعریفی از DTM به صورت زیر ارائه داد:
یک مجموعه منظم از نقاط نمونه برداری شده است که توزیع فضایی انواع مختلف اطلاعات را بر روی زمین نمایش می دهد.که بیان ریاضی آن به صورت زیر است:
Kp=f(Up,Vp) K=1,2,3,…,m P=1,2,3,…,n
Kp=یک ارزش توصیفی از kامین نوع از عارضه زمینی در نقطه p
Up و Vp=مختصات دو بعدی نقطه p
m=انواع اطلاعات زمینی
n=تعداد کل نقاط نمونه برداری شده
وقتی m=1 و اطلاعات زمینی ما ارتفاع باشد آنگاه نتیجه یک بیان ریاضی از DEM مدل رقومی ارتفاع بالای سطح افق باشد. بدیهی است که DEM بخشی از DTM و مهمترین جزء آن می باشد. چون terrain کمی پیچیده تر است و بقیه مفاهیم را دربر می گیرد و ممکن است شامل مفاهیمی مثل (elevation/height) نیز باشد و همچنین ممکن است شامل عناصر جغرافیایی دیگر و عوارض طبیعی نیز باشد بنابراین DTM معنی وسیع تری از DTM/DHM را در بر می گیرد.
DEM=Digital Elevation Model
درواقع terrain و DTM برای متخصصین مختلف معنای متفاوتی دارد. نقشه برداران DTM را از نقطه نظر نمایش زمین مطالعه می کنند و به خصوص علاقه مند به توپوگرافی زمین و عوارض موجود در آن می باشند. امروزه متخصصین رشته های مختلف مرتبط با زمین کاربردهای مختلفی از DTM را مورد استفاده قرارمی دهند. بنابراین مدل رقومی زمین دارای چهار جزء اصلی است که عبارتند از:
٫۱جمع آوری داده ٫۲مدل سازی ٫۳مدیریت داده ٫۴کاربر اگرچه آنها ارتباط خطی باهم ندارند.
اصطلاحات DTM
DEM=Digital Elevation Model
این مدل برای نقشه های ۳G/4G- نقشه های ریز سلول ناحیه جغرافیایی – موقعیت عمودی از سنجش زمین – خطی از محاسبه جزیی – الگوریتم های پایه پراش – تجربی و نیمه قطعی و مدل های منشاء پرتو مناسب است.
DHM=Digital Height Model
مدل ارتفاعی زمین که مظهر ارتفاعات ساختمان – طرح های بیرون ساختمان است و این مدل دارای ارزش باطل و صفر است.
تفاوت DTM با اصطلاحات دیگر
برای مدل رقومی زمین DTM عبارت دیگری نظیر (DEM (Digital Elevation Model) ،DHM (Digital Height Model) ،DGM (Digital Ground Model و (DTED (Digital Terrain Elavation Data نیز به کار می رود. اما (DSM (Digital Surface Model محصولی است که در آن به سطح خارجی یا رویه زمین با تمامی عوارض موجود در آن اهمیت داده می شود، در حالیکه در DTM فقط به سطح یا کف زمین توجه می شود بدون آنکه عوارض مصنوعی یا دست ساز بشر مثل ساختمان ها در نظر گرفته شوند. روش و تکنولوژی نمایش DTM را علاوه بر ارتفاعات می توان برای سایر اطلاعات با خصوصیات مشابه مانند فشار، جاذبه، حرارت، تراکم جمعیت، جذر و مد، آلودگی هوا و … بسط و تعمیم داد.
DSM=Digital Surface Model
DEM زیرمجموعه ای از DTM است که بیشترین بخش اساسی از DTM است. در اجرا اغلب فرض می شود که این اصطلاحات هم معنا می باشند و در واقع گاهی اوقات این وضعیت است.اما بعضی وقت ها در واقع آنها به تولیدات متفاوت اشاره دارند. شاید آن تفاوت ناچیزی بین این اصطلاحات است.
اجزای DTM
از آنجا که سطح زمین یک سطح پیوسته است برای داشتن یک مدل کامل از این سطح تعداد نامحدودی نقطه لازم است، که در عمل ممکن نیست. بنابراین اطلاعات مورد نیاز باید از طریق نمونه برداری نقاط زمینی به دست آیند. نقاط نمونه (Sample Points) در حقیقت مجموعه ای از نقاط هستند که با دقت مشخص نمونه برداری شده اند. DTM به وسیله تابعی فاصله بین این نقاط را پر می کند و تغییرات ارتفاع برروی سطح زمین را از این حالت گسسته به صورت پیوسته و با دقت مشخص نمایش می دهد. در واقع نقاط نمونه و تابع نمایش دهنده سطح، اجزای تشکیل دهنده DTM هستند.
در مورد مدل یا تابع نمایش دهنده باید گفت که فضای DTM یک فضای سه بعدی است اما به طور مشروط؛ یعنی نقاط به شرطی پذیرفته شده اند که بر روی سطح به دست آمده از تابع باشند. بنابر این بر خلاف زمین که در آن ارتفاع نقاط از هم مستقل است، ارتفاع نقاط در DTM به هم وابسته است Z = f(X,Y) . پس از آنجا که Z مقداری مستقل نیست، محیط DTM یک محیط سه بعدی کامل نیست. از این رو فضای DTM را ۲٫۵ بعدی یا ۲٫۵D می گویند. در بعضی از نرم افزار ها که فضا دو بعدی در نظر گرفته شده است ارتفاع (Z) به صورت یک المان توصیفی (attribute) معرفی می شود.
تفسیر DTM
تفسیر DTM به معنای درک خصوصیات زمین از طریق استخراج و یا محاسبه پارامترها و بررسی کیفیت DTM و به کارگیری آن در کارهای طراحی و مهندسی، به کار می رود. که ممکن است به صورت عددی یعنی تحلیل کمی داده های رقومی زمین باشد و یا به صورت بصری یعنی تحلیل بصری نمایش گرافیکی. نام دیگر آن آنالیز سطح زمین بر مبنای DTM است.
نمایش DTM
نمایش دارای نقش حیاتی در فهم و درک مدل رقومی زمین DTM است که به مرحله تفسیر DTM بسیار وابسته است. نتایج مراحل تفسیر DTM نیاز به نمایش دارند و از سوی دیگر عملیات تفسیر به بهبود نمایش کمک می کند. نمایش DTM می تواند مستقیماً از طریق تفسیر بصری به تصمیم گیری ها کمک کند بدون آنکه هیچ تحلیل کمی ارائه کند.
نمایش DTM از دو جنبه مطرح می شود: یکی نمایش خود DTM و دیگری نمایش محصولات آن. نمایش DTM در دو فضا قابل انجام است. یکی در فضای دو بعدی که به صورت static (منحنی میزان ها، Hill Shading ،Hypsometric و ترکیب با داده های دو بعدی و اورتوفتو) و دینامیک (به صورت نمایش Perspective) است و دیگری فضای سه بعدی که به صورت محیط های بصری سه بعدی و مدل های سه بعدی فیزیکی است.
در فضای دو بعدی استاتیک برای ارتباط مستقیم با نتایج سطح از یک وجه دیده می شود ولی در حالت دینامیک زاویه دید در حال تغییر است و برای جستجو در محیط DTM مدل از جهات مختلف دیده می شود.
نمایش محصولات DTM شامل نمایش نقشه های شیب، پروفیل انحنای شیب و پروفیل انحنا در جهت عمود بر شیب است.
۱- روش های دوبعدی
- منحنی میزان: ساده – مایل (Inclined) – سایه دار (Shaded)
- Hill Shading
- Hypsometric Tints
- ترکیب با داده های دوبعدی
۲- روش های سه بعدی
- نمایش دینامیک (دید پرسپکتیو)
- دید پانورامیک
- مدل های بافت دار
۳- مدل های سه بعدی واقعی، مدل های سه بعدی فیزیکی
کاربردهای مدل رقومی زمین در علوم مختلف
DTM در علوم مختلف دارای کاربردهای متعددی است که با هدف استخراج این اطلاعات مورد استفاده قرار می گیرد:
- تعیین مقدار Z با استفاده از X و Y مشخص
- برازش یک سطح جهت تعیین Z به عنوان تابعی از X و Y با استفاده از مختصات X,Y,Z نقاط معلوم
- تعیین مقدار Z در فواصل ثابت از طریق درونیابی با استفاده از مختصات X,Y,Z نقاط معلوم
- تعیین سطح مقطع خط یا صفحه با سطح (تولید پروفیل)
- برآورد و ارزیابی منحنی های تراز و تولید پروفیل
- تعیین خط دید یا تعیین مناطقی که از سایر نقاط قابل دید هستند
- محاسبه حجم بین سطوح مشخص
- محاسبه شیب
- محاسبه منظر یا جهت شیب
- تامین اطلاعات ارتفاعی از سطح زمین
مثال های شاخص از کاربرد های DTM عبارتند از: مهندسی عمران، علوم زمین، برنامه ریزی و مدیریت منابع، کاربردهای نظامی، نقشه برداری و فتوگرامتری و GIS.
- مهندسی عمران: محاسبات مربوط به خاکبرداری و خاکریزی، نقشه برداری زمین، محاسبات حجم در ساخت سد هوا مخازن آب و مانند آنها از کاربردهای DTM در مهندسی عمران است.
- علوم زمین: کاربرد های DTM در علوم زمین اساسا بر روی توابع خاصی جهت مدل کردن، تحلیل و تفسیر مورفولوژی عوارض متمرکز شده است. به عنوان مثال توصیف و توسعه شبکه های زهکشی و مدل کردن جریان های آبی (هیدرولوژی)، شبیه سازی و طبقه بندی ژئومورفولوژیکی و مدل سازی زمین شناسی تهیه نقشه های شیب و منظر و پروفیلهای شیب برای تولید نقشه های ارتفاعی از کاربرد هایی است که در آنها معمولا از DTM استفاده می شود.
- برنامه ریزی و مدیریت منابع آب: این بخش شامل رشته های مختلفی مثل سنجش از دور، کشاورزی، علوم خاک، هواشناسی، اقلیم شناسی، برنامه ریزی محیطی و شهری و جنگلداری است که همگی آنها روی مدیریتمنابع طبیعی تمرکز دارند. کاربرد های DTM این بخش شامل مکانیابی نقاط، کمک به طبقه بندی تصاویر سنجش از دور به وسیله مشتقات DTM، تصحیحات هندسی و رادیومتریکی تصاویر سنجش از دور، مدل های پتانسیل فرسایش خاک، مطالعات شرایط محصولات کشاورزی، مدل های انتشار جریان باد و آلودگی می باشد. همانطور که واضح است این گروه دامنه وسیعی از کاربرد ها را پوشش می دهد و شامل روش هایی برای تغییر و ویرایش اطلاعات، تحلیل های قووی، مدلسازی و ابزار تجسم سازی یا نمایش است.
- شبیه سازی و تجسم: بیشتر کاربران ترجیح می دهند که عوارض زمین را به طور شبیه سازی شده مورد بررسی قرار دهند. معمولا شبیه سازی به صورت پرواز بر فراز منطقه انجام می شود به طوریکه با تنظیم ارتفاع و زاویه دید می توان عوارض را از جنبه های گوناگون مورد بررسی قرار داد.
- نقشه برداری و فتوگرامتری: از کاربردهای DTM در نقشه برداری و فتوگرامتری می توان تولید منحنی میزان ها با کیفیت بالا، تولید اورتوفتو، ارزیابی کیفیت داده ها و نفشه برداری توپوگرافی را نام برد.
- کاربردهای نظامی: بخش نظامی نه تنها یک مصرف کننده عمده DTM می باشد بلکه تولید کننده مهم آن نیز هست. تقریبا همه جنبه های محیط نظامی وابسته است به یک درک صحیح و قابل اطمینان از عوارض، ارتفاع و شیب سطح زمین. مثال هایی از این گونه استفاده ها شامل تحلیل دید برای مدیریت میدان جنگ، نمایش سه بعدی برای سیستم های هدایت سلاح و شبیه سازی پرواز و تحلیل مسیر دید رادار می باشد.
منابع:
۱٫کتاب مدل رقومی سازی زمین (اصول ها و روش ها)
نویسندگان: ژیلین لی-کینگ ژو-کریستوفرگلد
مترجمین: حسین عزیزی-سید محمود حاجی میررحیمی-محمدعلی تاروردی
۲٫کتاب مبانی تئوری GIS
نویسنده: الیاس خضری
۳٫جزوه (مدل رقومی زمین)
نویسنده: دکتر ورشوساز (دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی)
۴٫وبسایت (GEOBIS INTERNATIONAL)
