تولید مدل رقومی زمین (DTM)

مدل رقومی زمین مدلی است که موقعیت ارتفاعی نقاط زمین را نشان می دهد. طبق این تعریف DTM با یک مدل ریاضی z=f)x,y) مشخص می شود که در آن z تابعی پیوسته از x,y نقطه می باشد. تشکیل چنین مدلی در فضای کامپیوتر نیازمند برداشت بی نهایت نقطه (دارای x,y,z مشخص) می باشد که امکان پذیر نمی باشد. در عمل مدل رقومی زمین به کمک مجموعه ای  محدود از نقاط که به آنها نقاط نمونه (sample points) گفته می شود و یک مدل ریاضی که حد فاصل این نقاط را به صورت پیوسته پر می کند تعریف می شود.

بنابراین می توان گفت که یک مدل رقومی زمین از دو جزء زیر تشکیل می شود:

  1. مجموعه ای از نقاط نمونه از سطح زمین که مختصات (x,y,z) آنها با دقت مشخص معلوم است.
  2. یک مدل ریاضی z = f)x,y) که با استفاده از آن امکان محاسبه z در نقاط دارای x,y معلوم فراهم می شود.

تهیه نقاط نمونه در بر گیرنده دو مبحث می باشد. اول آنکه این نقاط در چه جاهایی و طی چه الگویی برداشت شوند و دوم آنکه از چه تکنیکی برای اندازه گیری مختصات آنها استفاده شود. تهیه مدل ریاضی نیز در دو مرحله انجام می شود. در مرحله اول  رابطه همسایگی یا توپولوژی نقاط تعریف می شود. در مرحله دوم فرمول ریاضی z = f(x,y) که در حقیقت یک مدل انترپولاسیون می باشد تعیین می گردد. برداشت خصوص نقاط نمونه دو بحث مطرح در ادامه به تشریح این اجزاء و چگونگی تشکیل مدل رقومی زمین پرداخته می شود.

نتیجه تصویری برای ‫تولید مدل رقومی زمین (DTM)‬‎

الگوهای نمونه برداری :

همان گونه که اشاره شد هدف از نمونه برداری اندازه گیری نقاط سطح زمین است. در این زمینه با استفاده از روشهای رایج نقشه برداری همچون فتوگرامتری و نقشه برداری زمینی مختصات نقاطی از زمین برداشت می شود. خروجی این مرحله مجموعه ای از نقاط است که مختصات x,y,z آنها مشخص است. اینکه چه تکنیکی برای برداشت نقاط انتخاب می شود موضوعی است که به پارامترهای مختلف بستگی داشته و در بخش های بعدی (فصل) به تفصیل مورد بررسی قرار می گیرد. در هر صورت، از آنجا که نقاط نمونه جزئی از DTM هستند، تراکم آنها روی دقت DTM تاثیر می گذارد. در نمونه برداری بخشی از اطلاعات از دست می رود که ممکن است با توجه به کاربرد مربوطه دارای اهمیت باشد. میزان اطلاعات از دست رفته به فواصل نمونه برداری، خصوصیات منطقه و دقت  نقاط برداشت شده بستگی دارد. بنابراین نمونه برداری باید به روشی انجام شود که تا حد امکان اطلاعات مهم از دست نروند ضمن آنکه داده های اضافی و زاید هم برداشت نشوند، یعنی نمونه برداری باید با فاصله نمونه برداری بهینه انجام شود. به عبارت بهتر باید مراقب بود که نه sampling-Under اتفاق بیفتد و نه . Over-smapling در  اولی به علت کم بودن تعداد نقاط نمونه برداری شده نسبت به شکل زمین و شکستگیهای آن، DTM تولید شده کم دقت می شود و ممکن است حتی مورد قبول نبوده و حتی در بعضی موارد ممکن است به نمونه برداری مجدد نیاز باشد. از طرفی در صورتی که sampling – Over رخ دهد  به علت تراکم زیاد نقاط نمونه برداری شده، زمان مشاهده و انتخاب نقاط، حجم عملیات کامپیوتری و ذخیره سازی داده ها بالا می رود.

روش های نمونه برداری را از نقطه نظر میزان اتوماسیون به سه دسته تقسیم می شوند:

  1. دستی یا manual : این روش کند و خسته کننده است ولی همه منطقه به دقت مورد بررسی و تفسیر قرار می گیرد. عوارض به درستی تشخیص داده شده و نقاط حساس انتخاب می گردند. این روش به عنوان تکمیل کننده روش های دیگر نیز استفاده می شود.
  2. نمونه برداری اتوماتیک:این روش، روشی سریع و ساده است اما نمی تواند به درستی شکل واقعی زمین را ایجاد کند و تغییرات ناگهانی را نشان دهد. این نوع نمونه برداری برای مقیاس های کوچک قابل استفاده است.
  3. نمونه برداری نیمه اتوماتیک:بهترین روش به ویژه برای مناطق با مقیاس بزرگ است که با استفاده از کنترل اوپراتور و استخراج داده های تکمیلی، کامل می شود. این روش در واقع ترکیب اپراتور و کامپیوتر است. روش ترکیبی از این دسته است که در آن روش سیستماتیک و یا تدریجی با روش انتخابی ترکیب می شود. این روش کامل ترین روش نمونه برداری برای تهیه DTM است.

بسته به ساختار و نحوه نمونه برداری میزان اتوماسیون و حجم اطلاعات برداشت شده متفاوت می باشد. در ادامه به آنها اشاره می گردد.

در مناطق بدون تغییرات ناگهانی و اختلاف ارتفاعات زیاد با استفاده از روش تدریجی نمونه برداری به خوبی انجام می شود ولی اگر تغییرات زیاد باشد داده های مهمی ممکن است از دست برود. این مشکل با متراکم کردن بیشتر شبکه حل نمی شود زیرا با افزونگی داده خواهد شد. در این حالت از روش انتخابی به همراه روش تدریجی استفاده می شود.

روش های نمونه گیری :

روشهای مختلفی برای نمونه گیری از سطح زمین وجود دارد که عبارتند از انتخابی یا تصادفی، سیستماتیک، تدریجی و ترکیبی

الف) روش انتخابی یا تصادفی(Random/Selective)

در این روش، برداشت نقاط به صورت دستی و با انتخاب اوپراتور انجام می شود. با توجه به عدم تبعییت شکل سطح زمین از یک فرم خاص،  الگوی نقاط خروجی از نظم مشخصی برخوردار نبوده و به این دلیل به این روش روش تصادفی یا Random نیز گفته می شود. معمولا شکستگیها و نقاطی که نبودشان باعث منجر خطای جدی در DTM می شود، برداشت می شوند. هم چنین در بعضی موارد اطلاعات توصیفی منطقه نیز مورد برداشت قرار می گیرند. نقاط باید به گونه ای برداشت شوند که دقت دلخواه در DTM نهایی حاصل شود.

به علت دخالت اوپراتور، تعداد نقاط برداشت شده حداقل، و دقت انتخاب نقاط حداکثر است. در حقیقت، مزیت اصلی این روش امکان برداشت همه نقاط شکستگی، دقت بالا و امکان برداشت اطلاعات توصیفی به صورت دستی است. البته از معایب این روش آن است که به وسیله کاربر انجام می شود و در نتیجه انتخاب نقاط نیاز به تخصص دارد. از همه مهمتر، نمی توان آنرا به صورت اتوماتیک انجام داد، لذا سرعت نمونه برداری پایین و وابسته به اپراتور می باشد. به دلیل وجود چنین مشکلاتی از روشهای سیستماتیک استفاده می شود که در آنها منطقه بدون در نظر گرفتن شکل زمین تقسیم بندی شده و نقاط نمونه برداشت می شوند.

ب) روش سیستماتیک (systematic)

در این روش به شکل و پیچیدگی منطقه توجه نمی شود و فاصله بین نقاط معمولا ثابت است. با استفاده از مختصات گوشه های منطقه شبکه منظمی ایجاد شده که در رئوس آن نقاط اندازه گیری می شوند. این شبکه منظم به شکلهای مختلفی ایجاد می شود:

مربعی  : رایج ترین روش ایجاد شبکه های منظم است که در آن تمام منطقه به مربع های مساوی (گرید) تقسیم می شود.

پروفیل: شبکه به صورت مستطیلی است، چون فاصله نقاط دو پروفیل بیشتر از فاصله بین نقاط در هر پروفیل است.

مثلثی: فاصله بین نقاط ثابت است اما اجزای شبکه مثلث هستند.

شش ضلعی : اجزای شبکه به صورت شش ضلعی هستند. این شبکه دارای استحکام بالاتری نسبت به حالتهای قبل است.

در روش سیستماتیک فاصله برداشت نقاط ( cell های شبکه) بستگی به دقت مورد درخواست و پیچیدگی و نوع منطقه دارد. اما این فاصله در قسمتهای مختلف منطقه ثابت باقی می ماند. حسن این روش قابلیت آن برای برنامه نویسی کامپیوتری و اتوماتیک کردن است. اما مشکل آن عدم توجه به شکل منطقه و بالتبع حجم بالای داده های برداشت شده و نیز حساس بودن فرآیند تعیین فاصله بهینه نمونه برداری می باشد.

ج) روش تدریجی (Progressive)

روش  که توسط Makarovic)1379) ارائه شده است بک روش شبکه ای است که در آن فاصله نمونه برداری در جاهای مختلف شبکه متفاوت است. درواقع هدف آن است که نمونه برداری با حداقل تعداد نقاط، بالاترین دقت، متناسب با فرم زمین و البته به صورت خودکار انجام شود. در این روش ابتدا منطقه با رزولوشن پایین (فاصله نمونه برداری بزرگ) تقسیم می شود و نقاط برداشت می شوند. سپس دقت برداشت نقاط هر گرید مورد ارزیابی قرار می گیرد و هر جا که لازم باشد گرید به چهار قسمت کوچکتر تقسیم می شود (در حقیقت فاصله نمونه برداری نصف می شود) این پروسه تا جایی ادامه می یابد که اضافه نمودن نقاط اضافی منجر به افزایش دقت مدل نشود. بدین ترتیب،  با این کار در مناطق پر عارضه یا دارای تغییرات ارتفاعی زیاد، تعداد نقاط بیشتری برداشت می شود. حسن این روش آن است که علاوه بر امکان اتوماسیون، از دقت بالاتر و تعداد نقاط کمتری نسبت به روش سیستماتیک برخوردار می باشد. با این حال ممکن است وقتی ارتفاع نقطه داخلی شبکه مورد بررسی قرار می گیرد به طور تصادفی مقدار مناسبی حاصل شود اما در این فاصله شکستگی یا تغییرات شیبی وجود داشته باشد که برای آنها نقطه ای در نظر گرفته نشده است. برای حل این مساله از روش ترکیبی استفاده می شود.

د) روش ترکیبی(Composite)

برای حذف مشکلات روشهای پیش از روش ترکیبی استفاده می شود. به عبارت دیگر در جاهائیکه تغییرات شیب منطقه زیاد است با کوچکترین خطا، امکان اشتباه وجود دارد. در این حالت تشخیص اینکه در کدام منطقه باید نقطه نمونه در نظر گرفته شود، دشوار است. برای رفع این مشکل پس از برداشت نقاط به صورت سیستماتیک یا تدریجی، اپراتور منطقه را وارسی تموده و در صورت نیاز، نقاط تکمیلی را اندازه گیری می نماید. اپراتور می تواند برای جلوگیری از افزایش حجم داده، تعداد تقسیم های روش تدریجی را محدود کند و بقیه کار را به صورت برداشت تصادفی انجام دهد. اما در این روش به علت دخالت اوپراتور بحث اتوماسیون دچار مشکل می شود. تشخیص آنکه آیا در جایی نیاز به برداشت یا حذف نقاط با توجه به دقت مورد نیاز ضرورت دارد مساله ای است که نیازمند تجربه و تخصص می باشد. لذا این روش از این جنبه نیز محدودیت در اجرا دارد.

در بعضی از روشهای نمونه برداری مثل روشهای سیستماتیک و انتخابی، تراکم، فاصله و نحوه توزیع نقاطی که باید انتخاب شوند از قبل مشخص است و یا بر اساس تفاسیر اپراتور در طول عملیات تعیین می گردد. برخی دیگر از روشها تعیین تراکم نقاط و فاصله آنها در طول عملیات نمونه برداری به صورت On-line انجام می شود. مثلا در روش تدریجی، عملیات نمونه برداری با حداقل تعداد نقاط انجام می شود و اگر دقت مورد نیاز با این تعداد نقطه حاصل نشد، عملیات دوباره تکرار می شود تا چگالی نقاط با خصوصیات و شکل منطقه متناسب شود.

منبع : gis98.ir