مدلسازی رقومی زمین دکتر ورشوساز

نمایش بعد سوم یا مولفه سوم مختصات برای بسیاری از کاربردها اهمیت اساسی دارد. اما نمایش بعد سوم سطوح زمین یعنی z بر روی سطح مسطح کاغذ یا صفحه نمایش دشوار است. به همین دلیل از دیر باز نقشه برداران، نقشه کشان و جغرافیدانان تلاش کرده اند روش هایی را برای نمایش ارتفاعات روی نقشه ارائه نمایند. استفاده از هاشور، سایه روشن، گام های رنگی، اعداد ارتفاعی و منحنی های میزان از جمله این روش ها محسوب می شوند. امکانات و قابلیت های کامپیوتری اجازه می دهند تا سطح پیوسته زمین به شکل رقومی نمایش داده شود به گونه ای که برای کاربران به خوبی ملموس و محسوس باشد.
سطح زمین یک سطح پیوسته است که راه های متعددی برای به ترسیم کشیدن آن ممکن است وجود داشته باشد DTM یا مدل رقومی زمین حاصل تلاش برای به ترسیم کشیدن زمین است به گونه ای که به طور رقومی در سه بعد قابل نمایش باشد. در حقیت DTM سطحی است که تغییرات ارتفاع (z) نسبت به سطح زمین (x,y) در آن تعریف می شود.

به طور کلی DTM سه مشخصه عمده دارد:

• سطح زمین (earth surface) را نمایش می دهد
• سه بعدی (۳D) است
• رقومی (digital) است

اجزاء DTM

از آنجا که سطح زمین یک سطح پیوسته است برای داشتن یک مدل کامل از این سطح تعداد نامحدودی نقطه لازم است، که در عمل ممکن نیست. بنابراین اطلاعات مورد نیاز باید از طریق نمونه برداری نقاط زمینی به دست آیند. نقاط نمونه (sample points) در حقیقت مجموعه ای از نقاط هستند که با دقت مشخص نمونه برداری شده اند. DTM به وسیله تابعی فاصله بین این نقاط را پر می کند و تغییرات ارتفاع برروی سطح زمین را از این حالت گسسته به صورت پیوسته و با دقت مشخص نمایش می دهد. در واقع نقاط نمونه و تابع نمایش دهنده سطح، اجزای تشکیل دهنوده DTM هستند.
در مورد مدل یا تابع نمایش دهنده باید گفت که فضای DTM یک فضای سه بعدی است اما به طور مشروط. یعنی نقاط به شرطی پذیرفته شده اند که بر روی سطح به دست آمده از تابع باشند. بنابر این بر خلاف زمین که در آن ارتفاع نقاط از هم مستقل است، ارتفاع نقاط در DTM به هم وابسته است ((z = f(x,y). پس از آنجا که z مقداری مستقل نیست، محیط DTM یک محیط سه بعدی کامل نیست. از این رو فضای DTM  را ۲٫۵ بعدی می گویند. در بعضی از نرم افزار ها که فضا دو بعدی در نظر گرفته شده است ارتفاع (z) به صورت یک المان توصویفی (attribute) معرفی می شود.

اصطلاحات DTM

برای DTM عبارت دیگری نظیر (DEM (Digital Elevation Model) ،DHM (Digital Height Model) ،DGM (Digital Ground Model و ( DTED (Digital Terrain Elavation Data نیز به کار می رود. (DSM (Digital Surface Model محصولی است که در آن به سطح خارجی یا رویه زمین با تمامی عوارض موجود در آن اهمیت داده می شود، در حالیکه در DTM فقط به سطح یا کف زمین توجه می شود بدون آنکه عوارض مصنوعی یا دست ساز بشر مثل ساختمانها در نظر گرفته شوند. روش و تکنولوژی نمایش DTM را علاوه بر ارتفاعات می توان برای سایر اطلاعات با خصوصیات مشابه مانند فشار، جاذبه، حرارت، تراکم جمعیت، جذر و مد، آلودگی هوا و ... بسط و تعمیم داد.

کاربرد های DTM در علوم مختلف

DTM در علوم مختلف دارای کاربردهای متعددی است که با هدف استخراج این اطلاعات مورد استفاده قرار میگیرد:

• 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 و z نقاط معلوم
•  تعیین مقدار z در فواصل ثابت از طریق درونیابی با استفاده از x ،y و z 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

مثال های شاخص از کاربرد های DTM عبارتند از: مهندسی عمران، علوم زمین، برنامه ریزی و مدیریت منابع، کاربردهای نظامی، نقشه برداری و فتوگرامتری و GIS.

• مهندسی عمران: محاسبات مربوط به خاکبرداری و خاکریزی، نقشه برداری زمین، محاسبات حجم در ساخت سد هوا مخازن آب و مانند آنها از کاربردهای DTM در مهندسی عمران است.
• علوم زمین: کاربرد های DTM در علوم زمین اساسا بر روی توابع خاصی جهت مدل کردن، تحلیل و تفسیر مورفولوژی عوارض متمرکز شده است. به عنوان مثال توصیف و توسعه شبکه های زهکشی و مدل کردن جریان های آبی (هیدرولوژی)، شبیه سازی و طبقه بندی ژئومورفولوژیکی و مدل سازی زمین شناسی تهیه نقشه های شیب و منظر و پروفیلهای شیب برای تولید نقشه های ارتفاعی از کاربرد هایی است که در آنها معمولا از DTM استفاده می شود.
• برنامه ریزی و مدیریت منابع آب: این بخش شامل رشته های مختلفی مثل سنجش از دور، کشاورزی، علوم خاک، هواشناسی، اقلیم شناسی، برنامه ریزی محیطی و شهری و جنگلداری است که همگی آنها روی مدیریتمنابع طبیعی تمرکز دارند. کاربرد های DTM این بخش شامل مکانیابی نقاط، کمک به طبقه بندی تصاویر سنجش از دور به وسیله مشتقات DTM، تصحیحات هندسی و رادیومتریکی تصاویر سنجش از دور، مدل های پتانسیل فرسایش خاک، مطالعات شرایط محصولات کشاورزی، مدل های انتشار جریان باد و آلودگی می باشد. همانطور که واضح است این گروه دامنه وسیعی از کاربرد ها را پوشش می دهد و شامل روش هایی برای تغییر و ویرایش اطلاعات، تحلیل های قووی، مدلسازی و ابزار تجسم سازی یا نمایش است.
• شبیه سازی و تجسم: بیشتر کاربران ترجیح می دهند که عوارض زمین را به طور شبیه سازی شده مورد بررسی قرار دهند. معمولا شبیه سازی به صورت پرواز بر فراز منطقه انجام می شود به طوریکه با تنظیم ارتفاع و زاویه دید می توان عوارض را از جنبه های گوناگون مورد بررسی قرار داد.
• نقشه برداری و فتوگرامتری: از کاربردهای DTM در نقشه برداری و فتوگرامتری میتوان تولید منحنی میزان ها با کیفیت بالا، تولید اورتوفتو، ارزیابی کیفیت داده ها و نفشه برداری توپوگرافیک را نام برد.
• کاربرد های نظامی: بخش نظامی نه تنها یک مصرف کننده عمده DTM می باشد بلکه تولید کننده مهم آن نیز هست. تقریبا همه جنبه های محیط نظامی وابسته است به یک درک صحیح و قابل اطمینان از عوارض، ارتفاع و شیب سطح زمین. مثال هایی از این گونه استفاده ها شامل تحلیل دید برای مدیریت میدان جنگ، نمایش سه بعدی برای سیستم های هدایت سلاح و شبیه سازی پرواز و تحلیل مسیر دید رادار می باشد.