Что такое цифровая модель рельефа
Что такое цифровая модель рельефа
Цифровая модель рельефа
Моделирование рельефа местности
При автоматизированном проектировании дорог основным источником информации о местности служит ее цифровая модель. Использование цифровых моделей значительно сокращает затраты времени и труда по сравнению с традиционной технологией получения отметок с топографических планов.
Выбор положения трассы автомобильной дороги зависит от рельефа, геологических и гидрологических условий местности. При вариантном проектировании сравниваются объемы работ, трудозатраты, факторы безопасности и комфортности движения. Для этого необходима полная информация о местности в широкой полосе варьирования возможного положения трассы, что может быть достигнуто применением цифровых моделей.
<>bКлассификация моделей рельефа и местности
Цифровая модель местности состоит из цифровой модели рельефа и цифровой модели ситуации.
Под термином цифровая модель рельефа (ЦМР) понимают математическое представление участка земной поверхности, полученное путем обработки материалов топографической съемки. ЦМР состоит из двух категорий данных: геометрической и семантической.
Семантические данные характеризуют принадлежность точек поверхности к различным типам топографических объектов (поле, луг, дорога, река и т.д.). Эти данные имеют вид специальных семантических кодов, приписываемых дискретным элементам цифровой модели.
Исходными данными для построения ЦМР являются съемочные точки. Каждая точка должна быть задана, как минимум, пятью параметрами:
Точки могут быть получены как непосредственно от изыскателей, так и при помощи оцифровки сканированных карт. Чем больше точек на единицу площади, тем лучше цифровая модель описывает реальную поверхность.
Известные цифровые модели рельефа, широко используемые на практике, подразделяются на три группы: регулярные, структурные и нерегулярные.
В регулярных моделях точки с известными пространственными координатами располагаются в вершинах сетки либо квадратов, либо прямоугольников, либо равносторонних треугольников. Существуют также цифровые модели в виде системы поперечных профилей, проведенных через определенные расстояния вдоль заданной линии (например, оси трассы). По регулярным моделям высотное положение в любой точке местности, как правило, определяется линейной интерполяцией высот внутри заданного квадрата, прямоугольника или треугольника. Основными недостатками таких моделей являются неэффективное расположение точек, так как не на всех участках требуется одинаковая плотность сетки, и повышенные трудозатраты при разбивке узловых точек на местности. Регулярные модели находят применение в тех случаях, когда требуется повышенная точность съемки, например, при проектировании аэродромов.
В структурных цифровых моделях точки с известными пространственными координатами располагаются на структурных линиях рельефа, местах изменения углов наклона склонов, на характерных линиях дороги, урезах рек. Изменение отметок вдоль структурной линии описывается полиномиальной зависимостью. По сравнению с регулярной структурная цифровая модель требует меньшую плотность исходных точек и при линейной интерполяции является весьма эффективной для описания поверхности городских дорог.
В нерегулярных цифровых моделях точки могут располагаться без какой-либо системы, но с заданной плотностью. Эти модели являются самыми универсальными и получили в настоящее время наиболее широкое распространение.
В современных программных продуктах цифровые модели рельефа создаются на основе съемочных точек и структурных линий, описывающих изломы естественного (овраги, урезы рек) или искусственного происхождения. При этом образуется сеть, состоящая из треугольников, вершинами которых являются съемочные точки. Это позволяет вычислять высотные отметки точек с известными координатами в плане, строить разрезы поверхности земли по заданной линии, отображать рельеф при помощи горизонталей.
Построение сети должно удовлетворять двум условиям:
Процесс разбиения поверхности на треугольники называется триангуляцией. В современных программных продуктах для выполнения триангуляции используют алгоритм, предложенный российским ученым Б.Н. Делоне. Сущность алгоритма триангуляции заключается в следующем.
В произвольное место горизонтальной проекции поверхности помещают окружность малого радиуса таким образом, чтобы ни одна съемочная точка не попала внутрь окружности. Затем увеличивают радиус окружности, не передвигая ее центра до тех пор, пока она не наткнется на некоторые съемочные точки. Далее, сохраняя то условие, чтобы точки лежали на границе окружности, увеличивают ее радиус и одновременно отодвигают ее центр. Этот процесс продолжают до тех пор, пока окружность не коснется, как минимум, трех точек. Дальнейшее увеличение радиуса становится невозможным, а найденные три точки образуют первый треугольник. Взяв две точки полученного треугольника, строят новую окружность на образовавшемся ребре и увеличивают ее радиус одновременно с перемещением центра в сторону, противоположную третьей вершине треугольника, до тех пор, пока окружность не коснется следующей точки. Таким путем образуется еще один треугольник. Процесс повторяют до тех пор, пока все точки поверхности не будут охвачены треугольной сетью.
Поверхности внутри каждого треугольника, вершинами которого являются точки с известными координатами x, y, z представляет собой плоскость. Высотная отметка z любой точки с координатами x, y в плане, находящейся внутри треугольника определяется по формуле:
Что касается цифровой модели ситуации (ЦМС), то, как правило, она представляет собой векторный чертеж, состоящий из площадных, линейных и точечных объектов. Каждый объект имеет семантическую информацию, которая отображается в виде условных знаков и пояснительных надписей.
Источники данных для построения ЦМР
И хотя сегодня принцип нивелирования остался неизменным, геодезические работы больше не останавливаются просто на определении отметок точек. Сегодняшние требования к геодезическим инструментам определяют нивелир как комплексную эргономичную измерительную систему, которая не только является полностью автоматизированной системой для сбора и обработки данных в цифровом виде, но и обеспечивает исключительную эффективность выполнения работ при использовании самых современных технологий.
Понравился материал? Добавьте на него ссылку в социальных сервисах:
Что такое цифровая модель местности (ЦММ)
Цифровые модели местности используются для анализа трехмерной поверхности земли, проектирования и визуализации территорий, для вычисления объемов на месторождениях открытого типа.
Цифровая модель местности (ЦММ) — представление территории в 3D виде, информация о которой получена с помощью сканирования LIDAR-оборудованием или методом аэрофотосъемки. Модель местности в виде облака точек отображает рельеф, растительность, здания и другие объекты, находящиеся на участке в процессе съемки.
Где и для чего используется ЦММ
Цифровые модели служат дополнительным материалом для проектировщиков, дизайнеров, геодезистов. По ЦММ можно рассчитать оптимальные параметры при строительстве зданий и сооружений, разработать дизайн-проект городской застройки, визуализировать проектные решения.
Дистанционные способы получения информации о местности (сканирование и аэрофотосъемка) многократно упростили процедуру геодезической съемки участков земной поверхности. Сегодня производительность облета территории на беспилотном или пилотируемом самолете – несколько тысяч гектар в день. Моделирование в трехмерном виде сократило сроки и стоимость изыскательских работ.
**Сферы применения цифровых моделей местности:**
Построение рельефа для топографических планов;
Определение объемов открытых горных работ;
Исполнительные BIM-модели уровня LOD-2;
Визуализация проектных решений;
Выбор оптимального пути линейного объекта;
Мониторинг территории, путем сравнения двух ЦММ, выполненный в разное время;
Определение точек установки городских видеокамер с исключением «мертвых» зон.
На сегодняшний день основной способ проектирования, связанный с земной поверхностью, основывается на цифровых моделях местности, рельефа и триангуляции на их базе. С помощью ЦММ можно заранее оценить возможные факторы риска при строительстве и других работах, избегая негативных последствий от возможного воздействия природных факторов.
Как получают данные для построения ЦММ
Для создания цифровой модели полигона необходим большой объем информации о месторасположении характерных точек всех объектов, расположенных на территории. Это их координаты, высоты, цвет. В настоящее время сбор информации ведется с воздуха или с наземных сканеров – это практичная, быстрая и точная съемка местности с использованием летательных аппаратов. Собранный массив насчитает миллионы и миллиарды точек, собранные данные обрабатывается в специальном программном комплексе. В результате можно получить точную цифровую модель местности в течение нескольких часов.
Виды ЦММ
Информация о полигоне будущих работ в зависимости от поставленных задач может быть представлена в следующих видах.
Колоризованного плотного облака точек
Многоуровневые тайловые модели.
Полноценная деятельность современных инженеров, застройщиков, проектировщиков при разработке планов градостроительства и освоения территорий невозможна без ЦММ — исчерпывающей высокоточной базы данных о ландшафтных условиях интересующего полигона будущих работ.
Технология построения цифровых моделей
Методом аэросъемки
Исходными данными, полученными в процессе аэрофотосъемки с БПЛА, являются фотографии и данные об их местоположении в момент спуска затвора камеры. Изображения сохраняются в формат RAW-файлов. Затем производится их обработка с применением специального ПО в несколько этапов.
В результате фотограмметрической обработки данных получаются ЦММ с пространственным разрешением от 1 см на пиксель, в зависимости от необходимой точности.
Методом лазерного сканирования
Сканирующие системы имеют преимущество перед аэрофотосъемочной методикой в плотности облака точек. Их используют для создания трехмерных моделей застроенной, залесенной области изысканий. В отличие от воздушного лазерного сканирования (ВЛС), аэрофотосъемка не сможет собрать отметки рельефа в густом лесу. Точность отражения импульса позволяет укладываться в погрешность 2-3 мм по высоте, что значительно точнее АФС.
Цифровая модель рельефа (ЦМР)
Рельеф — это очертание земной поверхности, в совокупности всех ее неровностей, положительных и отрицательных форм. Традиционное изображение рельефа в виде топографической карты (в плоском виде) уступает место объемным моделям, созданным с помощью аэрофотоснимков и воздушного лазерного сканирования.
Цифровые модели рельефа (ЦМР) — это вид трехмерных математических моделей, содержащих информацию о высотных отметках земной поверхности. Глобальные ЦМР строятся по данным космической радарной съемки. Крупномасштабные модели, предназначенные для нужд проектирования, создаются на основе съемки с беспилотных или пилотируемых воздушных судов со сканирующим или фотографирующим оборудованием.
Сфера применения цифровых моделей рельефа
На основе полученных данных выполняются различные геоинформационные задачи, требующие знания о рельефе:
изучение площадок для строительства зданий и сооружений;
прогнозирование эрозионной опасности склонов, оползней:
изучение направлений поверхностного стока вод, паводков;
устойчивость ландшафта для сельскохозяйственного освоения;
изучение рельефа морского, речного дна для судоходства;
анализ видимости для планирования коммуникационных сетей;
мониторинг экзогенных процессов путем сравнения нескольких ЦМР.
Максимально точное отображение рельефа позволяет снизить риски при решении различных задач, разработать меры для безопасного использования земель. ЦМР создается на основе цифровых данных с воздуха и дает полную информацию о координатах точек на местности, отметок высот, урезов воды и т.д. в триангуляционном или матричном виде.
Получение данных для построения ЦМР
Источниками информации для построения цифровых моделей рельефа служат облака точек ВЛС, аэрофотоснимки, данные радиолокационной съемки. Наиболее практичный, быстрый и достаточно точный результат можно получить с использованием АФС с беспилотных летательных аппаратов. При этом применяется эффективный метод перекрывающихся фотоизображений.
В настоящее время аэрофотосъемка с БПЛА является наиболее простым и дешевым способом проведения крупномасштабных измерений на больших территориях, съемки в целях построения ортофотопланов местности и цифровых моделей местности (ЦММ). В процессе обработки данных плотного облака точек инженеры-геодезисты набирают высотные отметки рельефа, создавая таким образом ЦМР — цифровую модель рельефа. ЦМР не включает в себя сведения о высотных отметках растительности, сооружений, техники на земной поверхности. Данный материал нужен проектировщикам для планирования строительства.
Съемка с беспилотников при помощи лазерных сканеров позволяет охватывать не слишком большие площади (оборудование устанавливается на мультироторные БЛА, коптеры), но конечный материал в виде облака точек значительно качественнее данных аэрофотосъемки.
При аэрофотосъемке в зависимости от характеристик изучаемого земельного участка, производится фотографирование заданной площади серией параллельных маршрутов, имеющих поперечное перекрытие до 60–80 %. Для линейных объектов (например, оси трубопровода, ЛЭП, дороги) перекрытие может достигать 90 %.
Съемка выполняется с объектива квадракоптера, направленного вертикально вниз – в надир. В необходимых случаях обеспечивается угол наклона оптической оси. Перед началом аэрофотосъемки для пространственной привязки на территории располагают опорные точки — наземные реперы (объекты, которые будут определены на фотоснимках в процессе обработки).
Технология обработки данных для ЦМР
Для обработки полученных аэрофотоснимков используется различное программное обеспечение, наиболее известным является Agisoft Metashape, Bentley, Pix4D. По принципу фотограмметрии снимки выравниваются, привязываются в местную систему координат, собираются в карту высот, облако точек и ортофотоплан. Работа выполняется поэтапно в несколько стадий.
Сначала находят общие точки фотографий («связующие») и по ним определяет положение, ориентацию, геометрию камер (фокусное расстояние, параметры дисторсии).
На основе рассчитанных положений съемочной аппаратуры по цифровым снимкам производится построение разреженного и плотного облака точек фотограмметрической обработки (ТФО).
На базе плотного облака точек выстраиваются полигональные модели поверхности для составления ортофотопланов мелкого масштаба с разрешением до 1 см/пикс.
Плотное облако точек является основой построения цифровой модели поверхности, и после выделения при необходимости группы точек «земля», отснятых геодезистом в местах, где модель не определяет уровень земли – построения цифровой модели рельефа (ЦМР).
В процессе обработки цифровых данных (плотного поля ТФО) используются стандартные инструменты «отсеивания» — фильтрации точек, не описывающих реально существующие объекты. Например, птицы, деревья, кустарники, ложные, «лишние» отображения. Использование таких инструментов, как и «ow points», «air points», «isolated points» и другие, позволяет исключить возможность ошибок и увеличить скорость обработки данных.
Что такое цифровое моделирование рельефа и его виды: создание 3D модели местности
Исследовать каждый сантиметр заданной территории невозможно. Поэтому исследователям приходится интерполировать значения неизведанного пространства по соседствующим дискретным данным, координатам. Для таких целей и требуется цифровое моделирование рельефа местности. Это позволяет предоставить гипотетические сведения о том или ином участке поверхности, его геопространственных координатах, характеристиках и возможных реакциях на то или иное воздействие.
Такой инструмент необходим не только геологам и географам, но и строителям, архитекторам. Без точных сведений о рельефе на участке строительства невозможно начать проектирование.
Обычно такая подготовительная работа поручается специалистам, которые затем передают данные в другие руки.
Трехмерные 3D цифровые модели рельефа и местности (ЦМР и ЦММ): что это такое
Англоязычный термин – Digital Elevation Model (DEM) или Digital Terrain Model (DTM). Моделирование представляет собой создание растрового образца или топографической карты местности, выполненной в виде мелких ячеек – сети. Она образована массой дискретных чисел, координат, которые определяют местонахождение важных объектов, в том числе рек, возвышенностей и пр.
Такой метод используется в картографии. Он позволяет восстанавливать порядок чисел на тех участках, которые не были досконально исследованы. Это делается с помощью двух процедур:
интерполирование – величины ищутся по уже известным показателям;
экстраполирование – значение находится не в заданном интервале, а в определенной точке.
Во втором случае применяется также формула, которая обуславливает построение цифровой модели рельефа (ЦМР) и местности (ЦММ).
Для работы с такими растрами используется технология ГИС. Это требуется как для природно-охранительных мероприятий, так и для сельскохозяйственных нужд. Кроме того, с появлением и развитием электронных онлайн-карт, навигаторов, способами DEM заполняются неизведанные пустоты на территории.
Топографическая информация об уже известных точках получается путем исследований на местности, а также благодаря спутникам. На участке проводятся следующие инженерные изыскания:
Все они проводятся с занесением всех данных в предпроектную документацию. Исследователи-геодезисты предпочитают использовать для работы компьютерную программу Geonium. Она автоматизирует все изыскательные работы, делает выпуск всех чертежей в соответствии с регулярно обновляющимися нормами. Софт содержит 6 модулей, которые в комплексе позволяют создать подробную топографическую карту с нанесением сечений, размеров.
Цифровая модель рельефа местности представляет собой результат сложения всех работ на местности и дистанционного зондирования. Он их достоверности зависит правильность выстраиваемого объекта.
Расположение точек на сетке
Модель обычно представлена в двух или трех координатах. Классические карты содержат только две линии, они определяются соответственно по функциям: Z=f(X, Y), где координаты X, Y – это горизонтальное и вертикальное расположение единиц. Им характерны различные значения, их может быть настолько много, насколько качественно проведены исследования – температура в различные периоды, влажность, давление, расположение над уровнем моря, почвенные показатели, уровень грунтовых вод и многое другое.
Когда появляется третья величина, говорят о создании объемной цифровой модели местности – 3D ЦММ. Такое моделирование можно проводить исключительно на компьютерной платформе, которая поддерживает трехмерное проектирование, например, ZWCAD.
Расположение координат зависит от способа получения данных – более подробные и менее. Как могут располагаться точки:
Регулярно, часто на квадратных, треугольных или шестиугольных ячейках – если были проведены исследования с помощью тахеометрической съемки или нивелирования.
Линейно, когда значения могут распределяться по одной прямой – если были проведены картометрические изыскания.
Разбросано (изолинейно). Такие узоры получаются при особенностях рельефа.
В зависимости от этого используются такие типы интерполяции цифровых моделей рельефа:
способ порций Кунса;
применение ортогональных и неортогональных полиномов, рядов Фурье;
скользящее взвешенное осреднение и пр.
Подробность и адекватность результатов зависят не только от способа построения формул, но и от размера ячеек. Если берутся крупные шестигранники или четырехугольники, то вероятность достоверности минимальна.
Если есть возможности укрупнить изображение и взять за единицу минимальный отрезок, то точность ЦМР повысится. Но для сверки обычно используют реальный взгляд на топографию местности.
Виды структур для представления поверхности цифровой модели рельефа местности
TriangulatedIrregularNetwork – это неровность, которая состоит из непрерывающих связь треугольников. Так ребро каждого элемента – это часть соседствующей фигуры. Вершины каждого пазла – точки координат с известным значением. Они соединяются не линейно, а по принципу триангуляции Делоне. Для этого через вершины проходят окружности, а ребра ставятся по соответствующим точкам пересекающихся кругов.
Минусом является возможная погрешность из-за неполных данных. Но несомненный плюс такой модели в том, что исследования не содержат изменений исходных значений. Также это самый быстрый способ интерполирования. Раньше все ГИС работали по такому принципу, сейчас более популярным становится следующий.
Дословный перевод с английского – сетка. Она действительно представляет собой сеть со значением высот. Матрица преобразует, интерполирует исходные значения, заполняя полученными результатами ячейки. Особенность системы в том, что показатели могут бесконечно преобразовываться и уточняться, в зависимости от приближения.
Выбор интервала между точками зависит от местности. На территории с низким уровнем пересеченности (равнины) работа с цифровой моделью рельефа имеет укрупненный шаг. В то время как для показателя неровности – холмы,овраги, водоемы – используются частотные полосы с минимальным отступом координат друг от друга.
TGRID
Triangulatedgrid – сетка сочетает принципы двух предыдущих программ. Основное преимущество в том, что такая технология идеально подходит для описания сложных топографических карт, мест с трудным рельефом. Математические вычисления помогают предугадывать, на первый взгляд неожиданные, изменения поверхности, такие как валуны и небольшие впадины. Используется не один, а несколько методов интерполяции:
метод обратных взвешенных расстояний;
Так, кроме формул и закономерностей, появляются статистические данные, которые учитывают возможность непредвиденного появления неровностей.
Этапы создания цифровой модели рельефа по данным топографических карт
В электронные системы ГИС до настоящего момента еще заносят данные, которые представлены в многообразных топографических картотеках. Это делается следующим образом:
Сканирование. При этом процессе должно учитываться оптимальное разрешение. Оно определяется исходя из нужд ЦММ. Слишком детальная информация может не пригодиться, зато основа будет долго загружаться, а ее проработка потребует длительного времени.
Стыковка и наложение. Этот этап позволяет склеить все элементы будущей модели, сделать швы незаметными, дополнить имеющиеся погрешности в данных, например, если на одном источнике не было что-либо отмечено, а на втором было.
Векторизация. Чтобы отметить горизонтальные линии, необходимо программное обеспечение, которое сделает это в автоматическом режиме. Если самостоятельно, вручную к этому приступать, то потребуется много времени.
Интерполяция растрового изображения по одному из выше представленных методов. Этот момент и делает из электронной карты полноценную ЦМР.
Объемная визуализация. Если цифровая модель рельефа загружена в ГИС, то с этим не будет проблем. Работать с ней будет удобно во многих САПР, в том числе в ZWCAD. Программа поддерживает большинство форматов. Если создание ЦММ было необходимо для последующего проектирования, то можно сразу пользоваться программными продуктами от «ЗВСОФТ».
Для чего нужно создание модели местности – область применения
В совокупности значений такая технология необходима для детального изучения рельефа на любой территории. Его можно познавать как на плоскости, так и в объеме. Кроме того, при желании можно спрогнозировать разрез почвы, определить уровень грунтовых вод и прочее. Так что, правильнее всего будет сказать, что ЦММ необходимы для изучения местности буквально вдоль и поперек. Такими широкими возможностями пользуются во многих отраслях:
В целях картографирования. Это направление положило истоки оцифровки данных, а также дало множество исходного материала. Теперь уже оно само пользуется возможностями топографических моделей.
Ландшафтный дизайн. Для обустройства обширной местности потребуется узнать обо всех особенностях грунта и рельефа – где будет скапливаться вода, в каком месте лучше посадить растения.
Проектирование зданий и сооружений. Эта цель сейчас одна из основных, которые обслуживают ЦММ. Растровые изображения переносятся в системы CAD, а могут там и создаваться. На такой подложке создаются модели будущих строений. Учитываются не только координаты тех или иных точек, но и характеристики строительной площадки.
Строение автомобильных дорог, магистралей и развязок. Перед тем как приступить к ремонтным работам, а тем более до начала масштабного строительства, необходимо подробно изучить ту основу, на которой будет стоять дорога. Исследуется не только рельеф, но и уровень возможной просадки, нахождение грунтовых вод, которые могут размыть основания и пр.
Природоохранительные задачи. Особые точки на сетке ставятся в тех местах, где располагаются водоемы. Когда перед глазами сотрудника растровая картинка, намного легче ориентироваться на местности, отмечать все достопримечательные или особые места.
Научные изыскания: биологи, экологи, географы, геологи и многие другие ученые в качестве исследований выбирают ЦММ.
Бытовое использование цифрового моделирования в ГИС – электронные карты, навигаторы. Без карты в гаджете многие пользователи не смогут ориентироваться в городе, не говоря уже о незнакомых местах.