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デジタル標高モデル( DEM ) またはデジタル サーフェス モデル( DSM ) は、標高データの3D コンピュータ グラフィックス表現であり、一般的には惑星、月、または小惑星の地形またはオーバーレイ オブジェクトを表します。「グローバル DEM」は、 離散的なグローバル グリッドを指します。DEM は地理情報システム(GIS)でよく使用され、デジタルで作成された起伏地図の最も一般的な基盤です。デジタル地形モデル( DTM ) は特に地表を表しますが、DEM と DSM は樹冠または建物の屋根を表す場合があります。
DSMは景観モデリング、都市モデリング、視覚化アプリケーションには有用であるが、洪水や排水モデリング、土地利用研究[1]、地質学的アプリケーション、その他のアプリケーション[2] 、惑星科学ではDTMが必要となることが多い。
用語
科学文献では、デジタル標高モデル(DEM)、デジタル地形モデル(DTM)、デジタル表層モデル(DSM)という用語は普遍的に使用されていません。ほとんどの場合、デジタル表層モデルという用語は地球の表面を表し、その上のすべてのオブジェクトを含みます。DSM とは対照的に、デジタル地形モデル(DTM) は植物や建物などのオブジェクトのない裸地表面を表します (右の図を参照)。[3] [4]
DEM は DSM および DTM の総称としてよく使用され、[5]表面に関するそれ以上の定義をせずに高さ情報のみを表します。[6] 他の定義では、DEM と DTM という用語が同じ意味になります。[7 ] DEM と DSM という用語が同じ意味になります。[8] DEM を DTM のサブセットとして定義し、DTM は他の形態学的要素も表します。 [9]または、DEM を長方形グリッド、DTM を 3 次元モデル ( TIN ) として定義します。[10] ほとんどのデータ プロバイダー ( USGS、ERSDAC、CGIAR、Spot Image ) は、DSM と DTM の総称として DEM という用語を使用しています。SRTMやASTER GDEMなどの一部のデータセットは元々 DSM ですが、森林地帯では SRTM は樹冠にまで達し、DSM と DTM の中間の値を示します。 DTMは、建物やその他のオブジェクトを除外する複雑なアルゴリズムを使用して高解像度のDSMデータセットから作成されます。このプロセスは「ベアアース抽出」と呼ばれます。[11] [12] 以下では、DEMという用語はDSMとDTMの総称として使用されます。
種類
DEMはラスター（正方形のグリッド、標高を表す場合はハイトマップとも呼ばれる）またはベクターベースの不規則三角網（TIN）として表すことができます。[13] TIN DEMデータセットはプライマリ（計測）DEMとも呼ばれ、ラスターDEMはセカンダリ（計算）DEMと呼ばれます。[14] DEMは、写真測量、LIDAR、IfSARまたはInSAR、土地測量など の技術を通じて取得できます（Li et al. 2005）。
DEM は通常、リモート センシング技術を使用して収集されたデータを使用して構築されますが、土地測量から構築される場合もあります。
レンダリング
デジタル標高モデル自体は数値のマトリックスで構成されていますが、DEM のデータは人間が理解できるように視覚的に表現されることがよくあります。この視覚化は等高線地形図の形式である場合もあれば、陰影と擬似カラー 割り当て (または「疑似カラー」) を使用して標高を色として表現する場合もあります (たとえば、最低標高には緑、赤に陰影を付け、最高標高には白を使用するなど)。
視覚化は斜めビューとして行われることもあり、斜めから見下ろした地形の合成視覚イメージを再構築する。これらの斜めの視覚化では、微妙な標高差を目立たせるために、 「垂直誇張」を使用して標高が拡大縮小されることがある。 [15]しかし、一部の科学者[16] [17]は、垂直誇張は見る人に真の風景について誤解を与えるとして反対している。
生産
地図作成者はさまざまな方法でデジタル標高モデルを作成しますが、直接の調査データではなくリモートセンシングを使用することが多いです。
DEM を生成する従来の方法では、地表を直接調査して作成されたデジタル等高線マップを補間することがよくあります。この方法は、干渉法が必ずしも満足できるものではない山岳地帯で今でも使用されています。等高線データやその他のサンプリングされた標高データセット (GPS または地上調査による) は DEM ではありませんが、デジタル地形モデルと見なすことができます。DEM は、調査対象地域内の各場所で標高が連続的に利用できることを意味します。
衛星マッピング
デジタル標高モデルを生成するための強力な技術の1つは、干渉合成開口レーダーです。これは、レーダー衛星（ RADARSAT-1、TerraSAR-X、Cosmo SkyMedなど）の2回の通過、または衛星に2つのアンテナ（SRTM計器など）が装備されている場合は1回の通過で、約10メートルの解像度で数十キロメートル四方のデジタル標高マップを生成するのに十分なデータを収集します。[18]デジタル画像相関法を使用して、他の種類の立体ペアを使用することもできます。これは、飛行機または地球観測衛星（ SPOT5のHRS計器やASTERのVNIRバンドなど）の同じ通過から異なる角度で撮影された2つの光学画像を取得する方法です。[19]
SPOT 1衛星（1986年）は、2パスステレオ相関法を用いて、地球の陸地のかなりの部分について初めて利用可能な標高データを提供した。その後、同じ方法を用いた欧州リモートセンシング衛星（ERS、1991年）、シングルパスSARを用いたシャトルレーダー地形ミッション（SRTM、2000年）、およびダブルパスステレオペアを用いたテラ衛星の先進宇宙熱放射反射放射計（ASTER、2000年）によって、さらなるデータが提供されました。[19]
SPOT 5 の HRS 装置は、1 億平方キロメートルを超えるステレオペアを取得しました。
惑星地図作成
惑星科学において価値が高まっているツールは、惑星のデジタル標高マップを作成するために使用される軌道高度測定の使用です。このための主要なツールはレーザー高度測定ですが、レーダー高度測定も使用されます。[20]レーザー高度測定を使用して作成された惑星のデジタル標高マップには、火星の火星探査機レーザー高度計(MOLA) マッピング、[21]月軌道レーザー高度計(LOLA) [22]と月高度計 (LALT) マッピング、および水星の水星レーザー高度計 (MLA) マッピングがあります。[23]惑星マッピングでは、各惑星体に固有の基準面があります。[24]
DEM の作成に使用される標高データを取得する方法
- ライダー[25]
- レーダー
- 航空調査によるステレオ写真測量
- 動きからの構造/ 航空写真に応用されたマルチビューステレオ[26]
- 光学衛星画像からのブロック調整
- レーダーデータからの干渉測定
- リアルタイムキネマティック GPS
- 地形図
- セオドライトまたはトータルステーション
- ドップラーレーダー
- フォーカスの変化
- 慣性調査
- 測量と地図作成用ドローン
- 距離画像
正確さ
DEMの品質は、各ピクセルの標高の正確さ（絶対精度）と地形の正確さ（相対精度）の尺度です。DEMの品質評価は、異なるソースからのDEMを比較することによって行うことができます。[27] DEMから派生した製品の品質には、いくつかの要因が重要な役割を果たします。
- 地形の粗さ;
- サンプリング密度（標高データ収集方法）
- グリッド解像度またはピクセルサイズ。
- 補間アルゴリズム;
- 垂直解像度;
- 地形解析アルゴリズム;
- リファレンス 3D 製品には、海岸線、湖、雪、雲、相関関係などの情報を提供する高品質のマスクが含まれています。
用途
DEM の一般的な用途は次のとおりです。
- 地形学のための地形パラメータの抽出
- 水文学や土砂移動（例えば雪崩や地滑り）のための水の流れのモデリング
- 地図学的水深指数（DTW指数）による土壌の湿潤度のモデル化[25]
- 地形図の作成
- 3D 視覚化のレンダリング。
- 3D飛行計画とTERCOM
- 物理モデルの作成（立体地図や3Dプリント地形モデルを含む）[28]
- 航空写真や衛星画像の修正
- 重力測定の削減（地形補正）（重力測定、物理測地学）
- 地形学と自然地理学における地形分析
- 地理情報システム(GIS)
- エンジニアリングとインフラ設計
- 衛星ナビゲーション（GPSやGLONASSなど）
- 視線分析
- ベースマッピング
- フライトシミュレーション
- 列車シミュレーション
- 精密農業と林業[29]
- 表面分析
- 高度道路交通システム（ITS）
- 自動車の安全性/先進運転支援システム（ADAS）
- 考古学
出典
グローバル
2022 年の初めにリリースされた FABDEM は、30 秒角の解像度で地球表面の地表シミュレーションを提供します。GLO-30 から適応されたこのデータでは、すべての森林と建物が削除されています。このデータは、非商用の場合は無料でダウンロードでき、商用の場合は開発者の Web サイトから有料でダウンロードできます。
代替の無料のグローバル DEM としてGTOPO30 (解像度30秒角 、 赤道に沿って約 1 km ) がありますが、品質が一定ではなく、一部の地域では非常に質が悪いです。Terra衛星の Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) 機器からのはるかに高品質の DEMも、地球の 99% で無料で利用でき、30メートルの解像度で標高を表します。同様に高い解像度は、以前はシャトル レーダー地形ミッション (SRTM) データの下で米国領土でのみ利用可能であり、地球の残りの大部分は 3 秒角の解像度 (赤道に沿って約 90 メートル) でのみカバーされていました。SRTM は極地をカバーしておらず、山岳地帯と砂漠にはデータがない (空白の) エリアがあります。SRTM データはレーダーから取得されるため、最初に反射された表面 (多くの場合、樹木のてっぺん) の標高を表します。したがって、データは必ずしも地表を表すわけではなく、レーダーが最初に遭遇したものの最上部を表します。
海底標高（水深測定として知られる）データは、船舶搭載の深度測量によって生成されます。陸上の地形と水深測定を組み合わせると、真に地球規模の起伏モデル が得られます。SRTM30Plusデータセット（NASA World Windで使用）は、GTOPO30、SRTM、水深測定データを組み合わせて、真に地球規模の標高モデルを作成しようとしています。[30] Earth2014地球規模の地形と起伏モデル[31]は、1分角の解像度で階層化された地形グリッドを提供します。SRTM30plus以外に、Earth2014は、南極とグリーンランドの氷床の高さと岩盤（つまり、氷の下の地形）に関する情報を提供します。もう1つの地球規模モデルは、7.5秒角の解像度を持つGlobal Multi-resolution Terrain Elevation Data 2010（GMTED2010）です。これはSRTMデータに基づいており、SRTMの範囲外の他のデータを組み合わせています。2010 年 7 月に開始された TanDEM-X衛星ミッションにより、12 m 未満の標高と 2 m 未満の高度精度を備えた新しいグローバル DEM が期待されています。
最も一般的なグリッド (ラスター) 間隔は 50 ～ 500 メートルです。たとえば、重力測定では、プライマリ グリッドは 50 メートルですが、約 5 キロメートルまたは 10 キロメートルの距離では 100 メートルまたは 500 メートルに切り替わります。
2002年以来、SPOT5のHRS機器は、5000万km2を超えるDTED2形式のDEM（30メートルポスティング付き）を作成するために使用される1億平方キロメートルを超えるステレオペアを取得しました。 [ 32]レーダー衛星RADARSAT-2は、MacDonald、Dettwiler and Associates Ltd.によって商業および軍事顧客にDEMを提供するために使用されています。[33]
2014年には、レーダー衛星TerraSAR-XとTanDEM-Xから取得したデータが、12メートルの解像度で均一な地球規模のカバレッジの形で利用可能になる予定である。[34]
ALOSは2016年から全球1秒角DSMを無償で提供しており[35]、商用の5メートルDSM/DTMも提供している[36] 。
地元
多くの国の地図作成機関は独自の DEM を作成しており、解像度と品質が高いものが多いのですが、これらは購入する必要があり、そのコストは通常、公的機関と大企業以外にとっては法外なものです。DEM は多くの場合、国の LIDAR データセットプログラムの成果物です。
火星についても無料のDEMが利用可能であり、マーズ・グローバル・サーベイヤーの火星探査機レーザー高度計（MOLA）機器からのMEGDR（ミッション実験グリッドデータレコード）とNASAの火星デジタル地形モデル（DTM）がある。[37]
ウェブサイト
OpenTopography [38]は、高解像度の地球科学指向の地形データ（LIDARおよびDEMデータ）と、汎用および高性能コンピューティングシステムで実行される処理ツール、および教育リソースにアクセスできるWebベースのコミュニティリソースです。[39] OpenTopographyは、カリフォルニア大学サンディエゴ校のサンディエゴスーパーコンピュータセンター[40]を拠点としており、アリゾナ州立大学の地球宇宙探査学部およびUNAVCOの同僚と共同で運営されています。[41] OpenTopographyのコア運用サポートは、国立科学財団の地球科学部門から提供されています。
OpenDemSearcherは、無料で利用できる中解像度および高解像度のDEMを使用して地域を視覚化するMapclientです。[42]
参照
DEM ファイル形式
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さらに読む
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外部リンク
- DEM 品質比較
- テレインマップ
- Maps-for-free.com
- 地理空間データ取得 2013-08-22 にWayback Machineにアーカイブされました
- 標高マッパー、地理参照標高マップの作成
- データ製品
- スクリップス海洋研究所による衛星測地学
- NASA/JPLによるシャトルレーダー地形観測ミッション
- 米国地質調査所による地球30秒角標高（GTOPO30）
- 米国地質調査所による 2010 年グローバル マルチ解像度地形標高データ (GMTED2010)
- Earth2014ミュンヘン工科大学
- ヨーロッパのソニーの LiDAR デジタル地形モデル