مدل رقومی زمین (DTM)

مدلهای سطح زمینم همیشه مورد درخواست افراد نظامی، طراحان، معماران، مهندسین عمران و همچنین سایر متخصصین در علوم مختلف زمین بوده­اند. در ابتدا مدلهای زمین، مدلهای فیزیکی بودند که از کائوچو، پلاستیک، گل رس، شن و غیره درست می­شدند. معرفی مدلهای ریاضی، عددی و روشهای رقومی در مدلسازی سطح زمین، مدیون فعالیتهای مهندسین فتوگرامتری می­باشد  که در حوزه مهندسی عمران فعالیت داشته­اند(Li, 2007). خوشبختانه امروزه با وجود امکانات و قابلیت های کامپیوتری این امکان به وجود آمده تا سطح پیوسته زمین به شکل یک مدل رقومی نمایش داده شود به گونه ای که برای کاربران به خوبی ملموس و قابل استفاده باشد، این فرآیند  مدلسازی رقومی سطح زمین  نامیده می­شود که همان فرآیند مدلسازی ریاضی است و خروجی آن مدل رقومی زمین (Digital Terrain Model; DTM) می باشد. البته تکنیک های مربوطه را می توان نه تنها برای ارتفاع نقاط که  برای سایر اطلاعات با خصوصیات مشابه مانند فشار، جاذبه، حرارت، تراکم جمعیت، جذر و مد، آلودگی هوا و . . .  مورد استفاده قرار داد.

اهمیت تهیه DTM از منظر فتوگرامتری، سنجش از دور و GIS به حدی است که بخشی از دروس کارشناسی و کارشناسی ارشد رشته نقشه برداری و گرایش های مربوطه به آن اختصاص یافته است. DTM   یا مدل رقومی زمین تلاشی است برای به ترسیم کشیدن زمین به صورت رقومی و در سه بعد. در حقیت DTM سطحی است که تغییرات ارتفاع (z) نسبت به سطح زمین (x,y) در آن تعریف می شود. با این اوصاف می توان گفت که  DTM سه مشخصه عمده دارد:

سطح زمین را در بر می گیرد(earth surface)

سه بعدی است(۳D)

رقومی است(digital)

در این تعریف عوارضی همچون درخت ها و ساختمانها که به صورت ماهوی جزء زمین نیستند مد نظر قرار نمی گیرند. در صورت نیاز به شمول چنین عوارضی از اصطلاح دیگری به نام DSM)Digital Surface Model) یا مدل رقومی سطح استفاده می شود.

کلمات و اصطلاحات متعددی همچونDEM)Digital Elevaton Model،(DGM )Digital Ground Model) یا DTED)Digital Terrain Elevation Data) که دارای مفهومی نزدیک یا مترادف با DTM می باشند در منابع مختلف مشاهده شده است. در اکثر مقالات (بیشتر در امریکا) از اصطلاح DEM با مفهومی مترادف  با DTM بهره گرفته می شود. البته در یک تعریف دقیق حتی این دو را نیز می توان متمایز از هم در نظر گرفت . در DEM ارتفاع می تواند نشان دهنده پدیده های مختلفی همچون درجه حرارت، میزان رطوبت و امثال آن باشد حال آنکه در DTM ارتفاع نقاط زمین مبنای مدل سازی است. یادآور می شود که برخی تعریف DTM   را برای مدلسازی پدیده های غیر ارتفاعی و DEM را برای مدل سازی ارتفاع نقاط زمین در نظر می گیرند. با این حال نویسنده معتقد است با توجه به وجود کلمه Terrain که به معنی زمین می باشد، به کارگیری اصطلاح DTM برای مدل سازی ارتفاع نقاط زمین مناسبتر می باشد.

در کلمه DTM دو مفهوم مسستر است که عبارتند از مدل زمین و رقومی بودن آن. قسمت اول به تعریف شکل و فرم سطح زمین از نقطه نظر ارتفاعی می پردازد حال آنکه بخش دوم به رقومی بودن این مدل و امکان پردازش های کامپیوتری بر روی آن دلالت می نماید. به عبارت دیگر، یک نقشه توپوگرافی آنالوگ (کاغذی) که امروزه مورد استفاده عموم قرار دارد نشان دهنده مدل سطح زمین اما به صورت غیر رقومی است. این در حالی است که با توجه به رقومی بودن DTM قابلیت های زیر در مقایسه با نقشه های آنالوگ به راحتی قابل دست یابی می باشند: (Li, 2007)

امکان ارائه و نمایش اشکال گوناگون: در حالت رقومی، فرمهای گوناگونی از ارائه و نمایش به سادگی قابل ایجاد می­باشند، همچون نقشه­ های توپوگرافی، مقاطع قائم طولی و عرضی، و متحرک سازی سه بعدی.

عدم کاهش صحت داده­ ها با گذر زمان: با گذشت زمان، نقشه­های کاغذی ممکن است دچار تغییر شکل گردند ولی صحت و دقت DTM به علت استفاده از محیط رقومی حفظ می­شود.

قابلیت بیشتر در اتوماسیون و پردازش آنیِ لحظه­ای: در شکل رقومی، جمع آوری و بروزرسانی داده­ها نسبت به حالت آنالوگ، به صورتی بسیار آسانتر و انعطاف پذیرتر انجام می­شود.

نمایش آسان در مقیاسهای مختلف: بسته به مقیاسهای مختلف، جهت ارائه و نمایش
می­توان DTM را در قدرت تفکیکهای متفاوت تهیه و مرتب نمود.

یک مدل رقومی زمین امکان دستیابی ساده به اطلاعات زیر را فراهم می سازد:

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 x ، y وz نقاط معلوم

تعیین مقدار z در فواصل ثابت از طریق درونیابی با استفاده از x ، y وz 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

اجزاء DTM

 از آنجا که سطح زمین یک سطح پیوسته است تعداد نامحدودی نقطه برای تعریف آن لازم است  موضوعی که در عمل ممکن نیست. در چنین فرآیند­ی، نقاط از روی سطحی که بایستی مدل آن ایجاد شود با میزان معینی از صحت، تراکم، و توزیع نمونه­برداری می­شوند. سپس در حد فاصل این نقاط یک تابع ریاضی پیوسته تعریف می شود که با استفاده از آن می توان ارتفاع نقاط برداشت نشده را به دست آورد. در واقع، نقاط نمونه به همراه تابع ریاضی فوق، اجزای اصلی تشکیل دهنده DTM هستند.

سوالی که در این جا مطرح می شود آنست که آیا DTM یک مدل سه بعدی است؟

در پاسخ باید گفت که آنچه مشخص است آن است که DTM یک مدل دو بعدی نیست چرا که نقاط آن دارای سه مختصه (x,y,z) می باشند. از طرفی این مولفه ها از هم مستقل نیستند. به عبارت برای هر نقطه با (x,y) معلوم فقط یک z وجود دارد در حالی که در یک فضای سه بعدی به ازاء هر (x,y) بی نهایت z وجود دارد.   لذا فضای DTM نه دو بعدی است (چون نقاط آن دارای سه مولفه اند) و نه می توان آن را واقعا سه بعدی دانست (چون مختصات نقاط از هم مستقل نیستند). چنین فضاهایی را  فضای ۵/۲ بعدی می گویند. در صورتی که z مستقل از x و y باشد، برای هر نقطه دارای x,y معلوم بی شمار z می توان تعریف نمود. حاصل، یک تابع توپر یا solid model است که اجزاء تشکیل دهنده چنین مدلی را voxel می نامند. چنین مدلی می تواند در زمین شناسی، هوا شناسی و امثال آن (یعنی جا هایی که پدیده مورد نظر در حقیقت یک حجم را اشغال می کند نه یک سطح را) مورد استفاده قرار گیرد.

منبع:  gis98

پاسخ دهید