بسم الله الرحمن الرحیم
مدل های رقومی ارتفاعی
(DEM)
مقدمه:
تحلیل های سه بعدی شالوده طرح های کاربردی و توسعه ای GIS می باشد و GIS سه بعدی بر روش های ساخت مدل های ارتفاعی استوار است. کنترل صحت مدل های ارتفاعی کاری دشوار است و تنها از عهدهء ژئومورفولوژیست های حرفه ای در GIS بر می آید لذا مطالعات مقدماتی در انتخاب مدل ها با توجه به شرایط پیکر شناسی ضروری می باشد.
روش های آمار زمین می تواند تا حدودی عدم آگاهی کافی به شرایط ژئومورفولوژیکی را جبران کند. در میان این روشها روندیابی و واریوگرافی اهمیت ویژه ای دارند. همچنین استفاده از الگوریتم های متفاوت مثلث بندی شباهت مدل های ارتفاعی به زمین را بیشتر می کند.
تعریف مدل های رقومی ارتفاعی:
داده های ارتفاعی رقومی مجموعه ای از اندازه گیری های ارتفاعی از سطح زمین می باشد که موقعییت مکانی آنها مشخص است و بر اساس این داده های ارتفاعی مدل های رقومی ارتفاعی ساخته می شوند. به عبارت دیگر هر تبیین رقومی از تغییرات پیوسته مربوط به پستی و بلندی در فضا به عنوان مدل رقومی ارتفاع معروف است.
اهداف ایجاد مدل های ارتفاعی:
مدلهای ارتفاعی با دو هدف نمایش ناهمواری زمین و به کارگیری در تحلیل های سه بعدی تهیه می شوند. و در تمام حالات بهترین شیوه در ساخت رویه زمین مورد نظر است. برای انتخاب بهترین روش و رسیدن به مدل بهینه توجه به شرایط پیکر شناسی ضروری می باشد.
برای مدل های ارتفاعی واژه های زیر به کار می رود:
Digital Elevation Model (DEM)
Digital Terrain Model (DTM)
Digital Terrain Data (DTD)
Digital Terrain Elevation Data (DTED)
توضیح:
واژه تخصصی در این زمینه DEM می باشد که یک لایه ارتفاعی است و فرمت آن رستر می باشد وعمدتا در آنالیز های فضایی مورد استفاده قرار می گیرد. اما واژه DTM برای یک لایه ارتفاعی به کار می رود که به فرمت رستر یا TIN است و به عنوان پایه ای برای مدل ارتفاعی رقومی به کار می رود و سایر عوارض زمین بر روی آن قرار می گیرند. به عبارت دیگراز واژه Terrain زمانی استفاده می شود که نیاز به نمایش عوارض زمین باشد لیکن کارایی واژهElevation برای لایه های رقومی ارتفاعی است که در سایر آنالیز ها مورد نیاز می باشد.
روش های ارائه مدل های رقومی ارتفاعی
الف) روش های ریاضی
1)جهانی :
– سری های فوریه
– معادلات چند مجهولی
2)موضعی :
– قطعه بندی منظم ریاضی
– قطعه بندی نامنظم ریاضی
ب) روش های تصویری
1) با استفاده از داده های نقطه ای :
– منظم و نا منظم
2) با استفاده از داده های خطی :
– برش های افقی (خطوط تراز)
– برش های عمودی
– خطوط حیاتی
کاربرد داده های ارتفاعی رقومی:
1- اساس تهیه نقشه تصویربر پایه مدل های ارتفاعی میباشد.
2- مدل های ارتفاعی برای تهیه نقشه شیب،جهت شیب، وبرش های عمودی شیب به کار میروند.
3- در طرح های نظامی کاربرد گسترده ای دارد.
4- برای محاسبه خاک برداری و خاک ریزی در پروژه های عملیات مهندسی مانند جاده سازی به کار میرود.
5- برای طراحی مسیر راهها و انتخاب محل سدها یا سطوحی که به وسیله سدهای هیدرولیک زیر آب می روند از داده های رقومی ارتفاع استفاده می شود.
6- برای بهینه کردن موقعیت آنتن های رادار یا برج های ماکروویو یا برج های دیده بانی نظامی استفاده می شود.
7- برای نمایش و تفسیر نقشه های موضوعی از جمله کاربری زمین یا پوشش گیاهی مورد استفاده قرار می گیرد.
8- برای تجزیه و تحلیل میدان دید مناطق هموار(همچنین برای اهداف نظامی و طراحی چشم انداز)
9- برای تجزیه و تحلیل آماری و مقایسه انواع مختلف زمین.
10- فراهم نمودن داده ها برای مدل های مربوط به شبیه سازی تصویر چشم اندازها و پردازش آنها
11- با قرار دادن هر خصیصه متغیر دیگر به جای ارتفاع مدل رقومی ارتفاع می تواند معرف لایه های مدت مسافرت، قیمت ،جمعیت ،نشانه ای از زیبایی بصری، اندازه آلودگی و سطح آبهای زیر زمینی و غیره گردد.
روش های جمع آوری و ذخیره داده های ارتفاعی
نمونه برداری: نمونه برداری داده های ارتفاعی سطح زمین معمولا از زوج عکس های هوایی،نقشه های توپوگرافی و یا برداشت های زمینی به وسیله GPS به روش های زیر به دست می آید:
الف- نمونه برداری انتخابی: این نمونه گیری وقتی انجام می شود که نقاط نمونه از قبل مشخص باشند.
ب- نمونه برداری تطبیقی: در این روش نمونه هایی که در مکانهای با اطلاعات کم یا دسترسی محدود قرار دارند در هنگام نمونه برداری کنار گذاشته می شوند و از داده های مشابه استفاده می شود
ج- نمونه برداری تصاعدی: که در آن نمونه برداری و آنالیزهم زمان صورت می گیرد و نتایج تحلیل چگونگی انجام نمونه برداری را مشخص میکند . این روش در چند مرحله انجام می شود در مرحله اول با یک شبکه درشت شروع می شود و به تدریج با شبکه ریزتر و متراکم تر پیش می رود.در هر مرحله شبکه دو برابر می شود.این روش برای مناطقی مناسب است که زمین های هموار یا نیمه هموار با شیب کم بدون ساخت و ساز انسانی باشد.
د- نمونه برداری مرکب: که ترکیبی از روش های فوق می باشد و برای نواحی با تغییرات سریع مناسب است.
ذخیره داده های رقومی: ذخیره داده های رقومی به منظور مدل سازی به 4 روش زیر انجام می شودکه این روشها در ارتباط نزدیکی با روش های نمونه گیری می باشند :
الف- روش شبکه منظم: در این روش داده ها در یک فرمت شبکه ای تهیه می شوند که در آن برای هر کدام از مجموعهء موقعیت زمینی که به طور منظم قرار دارند یک مقدار ارتفاعی ذخیره می شود. هر دادهء ارتفاع سلولی از شبکه را نشان می دهد که نقطه در آن قرار دارد. که از محدودیت های آن این است که از تراکم یکسان نقاط ارتفاعی برای تمام ناحیهء تحت پوشش استفاده می شود در
صورتی که شکل زمین در همه جا یکسان نیست. در مناطقی که شکل زمین پیچیده تر است تراکم نقاط بیشتر و در نواحی که زمین هموار تراست پراکندگی نقاط کمتر است و در واقع روش هایی که برای تهیهء تراکم متغیر به کار می رود مورد نیاز است.
ب- روش منحنی میزان: سطحی را که دائما تغییر می کند با منحنی میزان نشان می دهند این خطوط تراز همگی به هم می پیوندند و چند ضلعی های بسته را تشکیل می دهند. در این روش سطح توپوگرافی به وسیله مجموعه هایی از نقاط ارتفاعی در امتداد منحنی های میزان نمایش داده می شود
این موارد ممکن است از یک نقشه توپوگرافی رقومی شده یا از یک زوج عکس های هوایی تولید شوند. هر چند داده های ارتفاعی می تواند از یک فرمت به فرمتی دیگر تبدیل شوند ولی هر بار که داده ها تبدیل می شوند برخی از اطلاعات از بین می روند.
ج- روش پروفیل ها: یک سطح توپوگرافی ممکن است به وسیله پروفیل هایی که ارتفاع نقاط را درامتداد یک مجموعه خطوط موازی نشان می دهند نمایش داده می شوند . در این خصوص مقادیر ارتفاعی در تمام شکستگی ها در دامنه ها و در نقاط پراکنده در زمین های مسطح باید ثبت شوند و اگر نیمرخ ها از نقشه توپوگرافی تهیه می شوند مقادیر ارتفاعی در جاهایی قرار می گیرند که پروفیل یک منحنی میزان را قطع می کند.
د- شبکه نا منظم مثلثی (TIN): در این روش از نقاط ارتفاعی که به طور نا منظم قرار گرفته اند استفاده می شود. در این شیوه داده های ارتفاعی می توانند با استفاده از یک نمایش برداری ذخیره و اصلاح شوند. شبکه نا منظم مثلثی به وسیله مجموعه ای از نقاط ارتفاعی که به صورت نا منظم قرار گرفته اند تولید می شوند و شبکه ای از اشکال مثلثی به منظور پردازش این نقاط ایجاد می شود. مختصات و ارتفاعات 3 نقطه تشکیل دهندهء رئوس هر مثلث برای محاسبهء پارامترهایی مانند شیب ،جهت شیب و منظر زمین به کار می روند .
فراورده هایی که می توان از مدل های رقومی ارتفاع استخراج کرد
فراورده های مختلفی را می توان از مدل رقومی ارتفاع به دست آورد خواه مدل رقومی ارتفاع به صورت ماتریس ارتفاع باشد،خواه به صورت مجموعه نقاط نا منظم یا به صورت شبکه های مثلث بندی شده.
فراورده های مشتق از DEM:
1- نمودارهای خشتی،مقاطع و افق ها
2- برآورد حجم از طریق انتگرال گیری
3- نقشه خطوط تراز
4-نقشه شیب،کوژی،کاوی،و وجه شیب
5- نقشه سایه روشن نا همواری ها
6- تهیه نیمرخ توپوگرافی
مدل رقومی ارتفاعی از آتشفشان سن هلن
نمودار خشتی یک DEM
نقشه خطوط تراز از آتشفشان سن هلن
نقشه سایه روشن از اتشفشان سن هلن
نقشه شیب
نیمرخ توپوگرافی از آتشفشان سن هلن
نقشه جهت شیب
تطبیق عکس هوایی بر روی مدل رقومی ارتفاعی
مدل رقومی ارتفاع در طیف سیاه سفید
مدل ارتفاعی به همراه نقشه توپوگرافی
TIN در حالت سه بعدی و دو بعدی
با تشکر