نماذج الارتفاع الرقمي

التصميم الهندسي والبنية التحتية

• تحليل خط البصر
• رسم الخرائط الأساسية
• محاكاة الطيران
• محاكاة القطار
• الزراعة الدقيقة والحراجة

ومن جهة أخرى، الملاحة عبر الأقمار الصناعية (مثلًا نظام تحديد المواقع العالمي GPS ونظام غلوناس)

Shuttle Radar Topography Mission by NASA/JPL

Earth2014 by جامعة ميونخ التقنية

من جهة ثانية، Global 30 Arc-Second Elevation (جيتوبو 30) by the U.S. Geological Survey

ومن ناحية أخرى، Global Multi-resolution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010) by the U.S. Geological Survey

Sonny's LiDAR Digital Terrain Models of Europe

التداخل من بيانات الرادار

• نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في الوقت الحقيقي
• الخرائط الطبوغرافية
• جهاز الثيودوليت أو المحطة الشاملة
• رادار دوبلر
• المسوحات بالقصور الذاتي
• المسيرات للمسح ورسم الخرائط

المحلية

ومن جهة أخرى، تُنتج الكثير من هيئات رسم الخرائط الوطنية نماذج الارتفاع الرقمية الخاصة بها، والتي غالبًا ما تكون ذات دقة وجودة أعلى، ولكن في كثير من الأحيان يتعين شراؤها، وتكون تكلفتها باهظة في الغالب، ولا يستطيع تحملها سوى السلطات العامة والشركات الكبرى. وتُعدّ نماذج الارتفاع الرقمية في كثير من الأحيان نتاجًا لبرامج .

من جهة ثانية، تتوفر كذلك نماذج الارتفاع الرقمية المجانية للمريخ: ميجدر، أو سجل بيانات الشبكة التجريبية للمهمة، من جهاز الماسح الشامل للمريخ (MOLA) التابع لمسبار مارس غلوبال سيرفيور؛ ونموذج التضاريس الرقمي للمريخ التابع لناسا.

المصطلحات

إضافةً إلى ذلك، يُستعمل مصطلح نموذج الارتفاع الرقمي غالبًا كمصطلح عام لنماذج السطح الرقمي ونماذج التضاريس الرقمية، حيث يُمثل معلومات الارتفاع فقط دون أي تعريف إضافي للسطح. وتُساوي تعريفات أخرى بين مصطلحي نموذج الارتفاع الرقمي ونموذج التضاريس الرقمي، وتُساوي بين مصطلحي نموذج الارتفاع الرقمي ونموذج السطح الرقمي، وتُعرّف نموذج الارتفاع الرقمي على أنها مجموعة فرعية من نموذج التضاريس الرقمي، والتي تُمثل كذلك عناصر مورفولوجية أخرى، أو تُعرّف نموذج الارتفاع الرقمي على أنها شبكة مستطيلة ونموذج التضاريس الرقمي على أنها نموذج ثلاثي الأبعاد (TIN). وتستعمل أغلب جهات توفير البيانات (يو إس جي إس، إرسداك، ، ) مصطلح نموذج الارتفاع الرقمي كمصطلح عام لنماذج السطح الرقمي ونماذج التضاريس الرقمية. بعض مجموعات البيانات، مثل بعثة شاتل لرسم الخرائط بالرادار (SRTM) أو جهاز متقدم لقياس الانبعاث الحراري والانعكاس الإشعاعي (أستر جديم)، هي في الأصل نماذج السطح الرقمي، على الرغم من أن سرتم في المناطق الحرجية تصل إلى غطاء الأشجار، مما يُعطي قراءات تقع بين نموذج السطح الرقمي ونموذج التضاريس الرقمي. تُنشأ نماذج الارتفاع الرقمية من مجموعات بيانات نماذج الارتفاع الرقمية عالية الدقة باستخدام خوارزميات معقدة لاستبعاد المباني والأجسام الأخرى، وهي عملية تُعرف باسم «استخراج الأرض المجردة». وفيما يلي، يُستعمل مصطلح نموذج الارتفاع الرقمي كمصطلح عام لنماذج الارتفاع الرقمية ونماذج الارتفاع الرقمية.

وفي هذا الصدد، لا يوجد استخدام موحد لمصطلحات «نموذج الارتفاع الرقمي» ونموذج التضاريس الرقمي و«نموذج السطح الرقمي» في الأدبيات العلمية. في أغلب الحالات، يُمثل مصطلح «نموذج السطح الرقمي» سطح الأرض ويشمل جميع الأجسام الموجودة عليه. وعلى النقيض من نموذج السطح الرقمي، يُمثل «نموذج التضاريس الرقمي» سطح الأرض الخالي من أي أجسام كالنباتات والمباني (انظر الشكل على اليسار).

الاستخدامات

تشمل الاستخدامات الشائعة لنماذج الارتفاع الرقمية ما يلي:

رسم الخرائط عبر الأقمار الصناعية

وفي هذا السياق، قدّم ب (1986) أول بيانات ارتفاع قابلة للاستخدام لجزء كبير من مساحة اليابسة على كوكب الأرض، باستخدام تقنية الارتباط المجسم ثنائي المرور. وفي وقت لاحق، تم توفير بيانات إضافية بواسطة (إي آر إس، 1991) باستخدام الطريقة نفسها، ومهمة مكوك الرادار الطبوغرافي (سرتم، 2000) باستخدام تقنية الرادار ذي الفتحة التركيبية أحادي المرور، وجهاز قياس الإشعاع الحراري والانعكاسي الفضائي المتقدم (أستر، 2000) على متن القمر الصناعي تيرا باستخدام أزواج مجسمة ثنائية المرور.

من جانب آخر، لقد التقط جهاز إتش آر إس الموجود على متن القمر الصناعي سبوت 5 أكثر من 100 مليون كيلومتر مربع من أزواج الصور المجسمة.

وفي السياق ذاته، إحدى التقنيات الفعّالة لإنشاء نماذج الارتفاع الرقمية هي رادار الفتحة التركيبية التداخلي، حيث يقوم قمر صناعي راداري (مثل أو أو ) بجمع بيانات كافية لإنشاء خريطة ارتفاع رقمية تمتد لعشرات الكيلومترات بدقة تصل إلى عشرة أمتار، وذلك من خلال مرورين له، أو مرور واحد إذا كان القمر مزودًا بهوائيين (مثل أجهزة بعثة شاتل لرسم الخرائط بالرادار (SRTM)). ويمكن استخدام أنواع أخرى من الصور المجسمة باستخدام طريقة ، حيث يتم التقاط صورتين بصريتين بزوايا مختلفة من نفس مرور طائرة أو قمر صناعي لرصد الأرض (مثل جهاز إتش آر إس الخاص ب أو نطاق الخاص بأستر).

التصوير المجسم من المسوحات الجوية

تعديل الكتلة من صور الأقمار الصناعية البصرية

ومن جهة أخرى، الهيكل من الحركة / الاستريو متعدد المشاهد المطبق على التصوير الجوي

تنسيقات ملفات نماذج الارتفاع الرقمي

• (BAG)
• قاعدة بيانات «ديماب سنتينل 1» التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية
• جيو تي آي إف
• نموذج الارتفاع الرقمي
• للقراءة الإضافية
• وصلات خارجية
• نموذج الارتفاع الرقمي Quality Comparison
• Terrainmap.com
• Maps-for-free.com
• Geo-Spatial Data Acquisition
• Elevation Mapper, Create geo-referenced elevation maps
• منتجات البيانات
• Satellite Geodesy by

استخراج معلمات التضاريس لعلم شكل الأرض

ومن جهة أخرى، نمذجة رطوبة التربة باستخدام مؤشرات العمق الكارتوغرافي للمياه (مؤشر DTW)

من جهة ثانية، نمذجة تدفق المياه لأغراض الهيدرولوجيا أو حركة الكتل (مثلًا الانهيارات الثلجية والانهيارات الأرضية)

الدقة

وفي هذا السياق، تعد جودة نموذج الارتفاع الرقمي مقياسًا لمدى دقة الارتفاع عند كل بكسل (الدقة المطلقة) ومدى دقة عرض الشكل (الدقة النسبية). يمكن إجراء تقييم جودة نماذج الارتفاع الرقمية من خلال مقارنة نماذج الارتفاع الرقمية من مصادر مختلفة. تلعب عدة عوامل دورًا مهمًا في جودة المنتجات المشتقة من نموذج الارتفاع الرقمي:

وعلى صعيد آخر، تشمل منتجات الطباعة ثلاثية الأبعاد المرجعية أقنعة عالية الجودة توفر معلومات عن الخط الساحلي والبحيرة والثلج والغيوم والترابط وما إلى ذلك.

• خشونة التضاريس؛
• كثافة أخذ العينات (طريقة جمع بيانات الارتفاع)؛
• دقة الشبكة أو حجم البكسل؛
• خوارزمية الاستيفاء؛
• الدقة الرأسية؛
• خوارزمية تحليل التضاريس؛

الأنواع

من جانب آخر، يمكن تمثيل نموذج الارتفاع الرقمي إما كصورة نقطية (شبكة من المربعات، تُعرف كذلك بخريطة الارتفاع عند تمثيل الارتفاع) أو كشبكة مثلثية غير منتظمة قائمة على المتجهات (TIN). يُشار إلى مجموعة بيانات TIN نموذج الارتفاع الرقمي كذلك باسم نموذج الارتفاع الرقمي الأولي (المقاس)، بينما يُشار إلى نموذج الارتفاع الرقمي النقطي باسم نموذج الارتفاع الرقمي الثانوي (المحسوب). يمكن الحصول على نموذج الارتفاع الرقمي من خلال تقنيات مثل التصوير المساحي، والليدار، و أو ، والمسح الأرضي، وما إلى ذلك.

من جهة ثانية، عادة ما يتم إنشاء نماذج الارتفاع الرقمي باستخدام البيانات التي تم جمعها باستخدام تقنيات الاستشعار عن بعد، ولكن يمكن كذلك بناؤها من مسح الأراضي.

تصحيح الصور الجوية أو صور الأقمار الصناعية

• تقليل (تصحيح التضاريس) قياسات الجاذبية (علم الجاذبية، الجيوديسيا الفيزيائية)
• تحليل التضاريس في علم شكل الأرض والجغرافيا الطبيعية
• نظم المعلومات الجغرافية (GIS)

العالمية

ومن جهة أخرى، منذ عام 2002، التقط جهاز إتش آر إس على متن القمر الصناعي سبوت 5 صورًا مجسمة لأكثر من 100 مليون كيلومتر مربع، استُخدمت لإنتاج نموذج الارتفاع الرقمي بصيغة دي تي إي دي 2 (مع دقة 30 مترًا) لأكثر من 50 مليون كيلومتر مربع. وقد استعملت شركة ماكدونالد، ديتويلر وشركاؤها المحدودة القمر الصناعي الراداري رادارسات-2 لتوفير نماذج الارتفاع الرقمي لعملاء تجاريين وعسكريين.

إضافةً إلى ذلك، يُقدّم برنامج FABDEM، الذي صدر مطلع عام 2022، محاكاةً لسطح الأرض عارياً بدقة ثانية قوسية واحدة (قرابة 30 متراً). وقد تمّ تعديل هذه البيانات من بيانات GLO-30، حيث تمّ إزالة جميع الغابات والمباني. تتوفر البيانات للتنزيل مجاناً للاستخدام غير التجاري، كما يُمكن شراؤها تجارياً عبر موقع المطور الإلكتروني مقابل رسوم.

من جانب آخر، في سنة 2014، ستكون عمليات الاستحواذ من الأقمار الصناعية الرادارية تيرا سار-إكس وتانديم-إكس متاحة في شكل تغطية عالمية موحدة بدقة 12 مترًا.

وعلى صعيد آخر، تتراوح المسافة الأكثر شيوعًا بين نقاط الشبكة (الراستر) بين 50 و500 متر. في علم الجاذبية، مثلًا، قد تكون المسافة الأساسية بين نقاط الشبكة 50 مترًا، ولكن يتم تغييرها إلى 100 أو 500 متر على مسافات تبلغ قرابة 5 أو 10 كيلومترات.

في هذا الإطار، توفر ألوس منذ عام 2016 نموذج الارتفاع الرقمي العالمي بدقة ثانية قوسية واحدة مجانًا، ونموذج الارتفاع الرقمي التجاري بدقة 5 أمتار.

وفي هذا الصدد، تُنتج بيانات ارتفاع قاع البحر (المعروفة باسم قياس الأعماق) باستخدام أجهزة قياس الأعماق المثبتة على السفن. وعند دمج بيانات تضاريس الأرض مع بيانات قياس الأعماق، نحصل على دقيق. تحاول مجموعة بيانات سرتم 30 بلس (المستعملة في برنامج ناسا ورلد ويند) دمج بيانات جيتوبو 30 وسرتم وبيانات قياس الأعماق لإنتاج نموذج ارتفاع عالمي دقيق. يوفر نموذج التضاريس والارتفاع العالمي Earth2014 شبكات تضاريس متعددة الطبقات بدقة دقيقة قوسية واحدة. فضلًا عن سرتم 30 بلس، يوفر Earth2014 معلومات عن ارتفاعات الصفائح الجليدية والصخور الأساسية (أي التضاريس أسفل الجليد) فوق القارة القطبية الجنوبية وغرينلاند. نموذج عالمي آخر هو بيانات ارتفاع التضاريس متعددة الدقة العالمية 2010 (GMTED2010) بدقة 7.5 ثانية قوسية. وهو يعتمد على بيانات سرتم ويجمع بيانات أخرى خارج نطاق تغطية سرتم. من المتوقع أن يتم إنتاج نموذج الارتفاع الرقمي العالمي الجديد ببيانات أقل من 12 مترًا ودقة ارتفاع أقل من 2 متر من مهمة القمر الصناعي تانديم-إكس التي بدأت في يوليو 2010.

من جانب آخر، يُطلق على نموذج الارتفاع الرقمي العالمي المجاني البديل اسم (بدقة 30 ثانية قوسية، أي قرابة 1 كم على طول خط الاستواء)، لكن جودته متفاوتة، وفي بعض المناطق تكون رديئة للغاية. كما يتوفر نموذج ارتفاع رقمي بجودة أعلى بكثير، مُستمد من جهاز أستر (مقياس الإشعاع الحراري والانعكاسي الفضائي المتقدم) على متن القمر الصناعي تيرا، مجانًا، ويغطي 99% من الكرة الأرضية، ويمثل الارتفاع بدقة 30 مترًا. وكانت دقة مماثلة متاحة سابقًا فقط لأراضي الولايات المتحدة الأمريكية ضمن بيانات مهمة طبوغرافيا الرادار المكوكية (سرتم)، بينما كانت أغلب بقية الكوكب مغطاة بدقة 3 ثوانٍ قوسية فقط (نحو 90 مترًا على طول خط الاستواء). ولا تغطي بيانات سرتم المناطق القطبية، كما أنها تفتقر إلى البيانات في المناطق الجبلية والصحراوية. وتمثل بيانات سرتم، المُستمدة من الرادار، ارتفاع السطح المنعكس أولًا، والذي غالبًا ما يكون قمم الأشجار. لذا، فإن البيانات لا تمثل بالضرورة سطح الأرض، بل تمثل الجزء العلوي من أي شيء يصادفه الرادار أولاً.

رسم خرائط الكواكب

• طرق الحصول على بيانات الارتفاع المستعملة لإنشاء نماذج الارتفاع الرقمية
• ليدار
• رادار

ومن جهة أخرى، يُعدّ استخدام قياس الارتفاع المداري أداةً ذات قيمة متزايدة في علم الكواكب، حيث يُستعمل لإنشاء خرائط الارتفاع الرقمية للكواكب. وتُعتبر تقنية قياس الارتفاع بالليزر أداةً أساسيةً في هذا المجال، ولكن يُستعمل كذلك قياس الارتفاع بالرادار. تشمل خرائط الارتفاع الرقمية للكواكب التي أُنشئت باستخدام قياس الارتفاع بالليزر: خريطة المريخ التي رسمها مقياس الارتفاع الليزري لمركبة مدار المريخ (MOLA)، وخريطة القمر التي رسمها مستكشف القمر المداري (LOLA)، وخريطة القمر التي رسمها مقياس الارتفاع القمري (LALT)، وخريطة عطارد التي رسمها مستكشف القمر المداري لعطارد (MLA). في رسم خرائط الكواكب، يمتلك كل جرم سماوي سطحًا مرجعيًا فريدًا. استعمل جهاز التصوير الاستطلاعي بعيد المدى التابع لمركبة «نيو هورايزونز» تقنية التصوير المجسم لإنتاج خرائط جزئية لارتفاع سطح بلوتو و486958 أروكوث.

إنشاء خرائط التضاريس

عرض الصور ثلاثية الأبعاد.

من جانب آخر، إنشاء نماذج مادية (بما في ذلك خرائط التضاريس المرتفعة ونماذج التضاريس المطبوعة ثلاثية الأبعاد)

وفي هذا الصدد، تخطيط الرحلات ثلاثي الأبعاد ونظام الاتصالات الأرضية (TERCOM)

المواقع الإلكترونية

ومن ناحية أخرى، أوبنتوبوغرافي هو مورد مجتمعي قائم على الويب يتيح الوصول إلى بيانات طبوغرافية عالية الدقة وموجهة لعلوم الأرض (بيانات الليدار ونماذج الارتفاع الرقمية)، وأدوات معالجة تعمل على أنظمة حوسبة عادية وعالية الأداء، إلى جانب موارد تعليمية. يقع مقر أوبنتوبوغرافي في مركز سان دييغو للحوسبة الفائقة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو، ويتم تشغيله بالتعاون مع زملاء في كلية علوم الأرض والفضاء بجامعة ولاية أريزونا ومنظمة أونافكو. ويأتي الدعم التشغيلي الأساسي لأوبنتوبوغرافي من المؤسسة الوطنية للعلوم، قسم علوم الأرض.

وفي السياق ذاته، أوبن ديم سيرشر هو تطبيق خرائط يتيح عرض المناطق التي تتوفر فيها نماذج ارتفاع رقمية مجانية بدقة متوسطة وعالية.

• تأتي لغة البرمجة R مع مصفوفة الارتفاعات البركانية.
• انظر كذلك
• درجة انحدار والتعريض
• خريطة التضاريس المرتفعة

تحليل السطح

• أنظمة النقل الذكية (ITS)
• أنظمة السلامة في السيارات / أنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS)
• علم الآثار
• المصادر

العرض

وفي هذا السياق، يتكون نموذج الارتفاع الرقمي نفسه من مصفوفة من الأرقام، ولكن غالبًا ما تُعرض بيانات هذا النموذج بشكل مرئي لتسهيل فهمها. قد يكون هذا العرض المرئي على شكل خريطة طبوغرافية كونتورية، أو قد يستعمل التظليل وتخصيص الألوان الزائفة (أو «الألوان الوهمية») لتمثيل الارتفاعات بالألوان (مثلًا، استخدام اللون الأخضر لأدنى الارتفاعات، والتظليل إلى الأحمر، والأبيض لأعلى الارتفاعات).

ومن جهة أخرى، تُجرى بعض عمليات التصوير المرئي أحيانًا على شكل مناظر مائلة، لإعادة بناء صورة بصرية اصطناعية للتضاريس كما تبدو عند النظر إليها من زاوية. في هذه التصويرات المائلة، تُعدّل الارتفاعات أحيانًا باستخدام «التضخيم العمودي» لجعل الفروقات الطفيفة في الارتفاع أكثر وضوحًا. مع ذلك، يعترض بعض العلماء على المبالغة الرأسية باعتبارها تضلل المشاهد بشأن المشهد الطبيعي الحقيقي.

الإنتاج

وفي هذا الصدد، تعتمد الطرق القديمة لإنشاء نماذج الارتفاع الرقمية غالبًا على استيفاء خرائط الكنتور الرقمية التي ربما تم إنتاجها من خلال مسح مباشر لسطح الأرض. ولا تزال هذه الطريقة مستعملة في المناطق الجبلية، حيث لا تكون تقنية قياس التداخل الضوئي مُرضية دائمًا. تجدر الإشارة إلى أن بيانات خطوط الكنتور أو أي مجموعات بيانات ارتفاع أخرى مُستَخلَصة (عن طريق نظام تحديد المواقع العالمي GPS أو المسح الأرضي) لا تُعد نماذج ارتفاع رقمية، ولكن يمكن اعتبارها نماذج تضاريس رقمية. ويشير نموذج الارتفاع الرقمي إلى توفر بيانات الارتفاع بشكل مستمر في كل موقع ضمن منطقة الدراسة.

علاوةً على ذلك، قد يقوم رسامو الخرائط بإعداد نماذج الارتفاع الرقمية بعدة طرق، لكنهم غالباً ما يستعملون الاستشعار عن بعد بدلاً من بيانات المسح المباشر.