Modèle d'élévation numérique - Digital elevation model

Rendu 3D d'un DEM de Tithonium Chasma sur Mars

Un modèle numérique d'élévation ( MNE ) est une représentation graphique en 3D des données d' élévation pour représenter le terrain , généralement celui d'une planète , d'une lune ou d'un astéroïde . Un « MNT global » fait référence à une grille globale discrète . Les DEM sont souvent utilisés dans les systèmes d'information géographique et constituent la base la plus courante pour les cartes en relief produites numériquement .

Même si un modèle numérique de surface (DSM) peut être utile pour la modélisation du paysage , la modélisation de la ville applications et de visualisation, un modèle numérique de terrain (MNT) est souvent nécessaire pour une inondation ou la modélisation de drainage, des études d'utilisation des terres , des applications géologiques et d' autres applications, et en science planétaire .

Terminologie

Les surfaces représentées par un modèle numérique de surface comprennent des bâtiments et d'autres objets. Les modèles numériques de terrain représentent le sol nu.

Il n'y a pas d'usage universel des termes modèle numérique d'élévation (DEM), modèle numérique de terrain (MNT) et modèle numérique de surface (DSM) dans la littérature scientifique. Dans la plupart des cas, le terme modèle numérique de surface représente la surface de la Terre et inclut tous les objets qui s'y trouvent. Contrairement à un DSM, le modèle numérique de terrain (MNT) représente la surface du sol nu sans aucun objet comme les plantes et les bâtiments (voir la figure à droite).

DEM est souvent utilisé comme terme générique pour les DSM et les DTM, ne représentant que des informations de hauteur sans aucune autre définition de la surface. D'autres définitions égalisent les termes DEM et DTM, égalisent les termes DEM et DSM, définissent le DEM comme un sous-ensemble du DTM, qui représente également d'autres éléments morphologiques, ou définissent un DEM comme une grille rectangulaire et un DTM comme un modèle tridimensionnel ( NIF ). La plupart des fournisseurs de données ( USGS , ERSDAC , CGIAR , Spot Image ) utilisent le terme DEM comme terme générique pour les DSM et les DTM. Certains ensembles de données tels que SRTM ou l' ASTER GDEM sont à l'origine des DSM, bien que dans les zones boisées, SRTM pénètre dans la canopée donnant des lectures quelque part entre un DSM et un DTM). Il est possible d'estimer un MNT à partir d'ensembles de données DSM haute résolution avec des algorithmes complexes (Li et al. , 2005). Dans ce qui suit, le terme DEM est utilisé comme terme générique pour les DSM et les DTM.

Les types

Carte des hauteurs de la surface de la Terre (y compris l'eau et la glace), rendue sous forme de projection équirectangulaire avec des altitudes indiquées en niveaux de gris 8 bits normalisés, où les valeurs plus claires indiquent une altitude plus élevée

Un MNT peut être représenté sous forme de raster (une grille de carrés, également appelée carte de hauteur lorsqu'elle représente l'altitude) ou sous forme de réseau triangulaire irrégulier (TIN) basé sur un vecteur . Le jeu de données TIN DEM est également appelé DEM primaire (mesuré), tandis que le Raster DEM est appelé DEM secondaire (calculé). Le DEM pourrait être acquis grâce à des techniques telles que la photogrammétrie , le lidar , l' IfSAR ou l' InSAR , l'arpentage , etc. (Li et al. 2005).

Les DEM sont généralement construits à l'aide de données collectées à l'aide de techniques de télédétection, mais ils peuvent également être construits à partir d'arpentage.

Le rendu

Carte en relief de la Sierra Nevada espagnole, montrant l'utilisation d'ombrages et de fausses couleurs comme outils de visualisation pour indiquer l'altitude

Le modèle numérique d'élévation lui-même se compose d'une matrice de nombres, mais les données d'un DEM sont souvent rendues sous forme visuelle pour les rendre compréhensibles pour les humains. Cette visualisation peut être sous la forme d'une carte topographique profilée , ou pourrait utiliser un ombrage et une affectation de fausses couleurs (ou "pseudo-couleur") pour rendre les altitudes sous forme de couleurs (par exemple, en utilisant le vert pour les altitudes les plus basses, l'ombrage au rouge, avec blanc pour la plus haute altitude.).

Les visualisations sont parfois également effectuées sous forme de vues obliques, reconstruisant une image visuelle synthétique du terrain tel qu'il apparaîtrait en regardant sous un angle. Dans ces visualisations obliques, les élévations sont parfois mises à l'échelle à l'aide d'une « exagération verticale » afin de rendre les différences d'élévation subtiles plus visibles. Certains scientifiques, cependant, s'opposent à l'exagération verticale comme induisant le spectateur en erreur sur le vrai paysage.

Production

Les cartographes peuvent préparer des modèles altimétriques numériques de plusieurs manières, mais ils utilisent fréquemment la télédétection plutôt que des données d' enquête directes .

Les méthodes plus anciennes de génération de MNT impliquent souvent l' interpolation de cartes de contour numériques qui peuvent avoir été produites par un levé direct de la surface terrestre. Cette méthode est encore utilisée en montagne , où l' interférométrie n'est pas toujours satisfaisante. Notez que les données de courbe de niveau ou tout autre jeu de données d'élévation échantillonné (par GPS ou levé au sol) ne sont pas des MNT, mais peuvent être considérés comme des modèles numériques de terrain. Un DEM implique que l'altitude est disponible en continu à chaque emplacement de la zone d'étude.

Cartographie satellitaire

Une technique puissante pour générer des modèles altimétriques numériques est le radar interférométrique à ouverture synthétique où deux passages d'un satellite radar (comme RADARSAT-1 ou TerraSAR-X ou Cosmo SkyMed ), ou un seul passage si le satellite est équipé de deux antennes (comme le instrumentation SRTM ), collecter suffisamment de données pour générer une carte altimétrique numérique de dizaines de kilomètres de côté avec une résolution d'une dizaine de mètres. D'autres types de paires stéréoscopiques peuvent être utilisés en utilisant la méthode de corrélation d'images numériques , où deux images optiques sont acquises avec des angles différents prises à partir du même passage d'un avion ou d'un satellite d'observation de la Terre (comme l'instrument HRS de SPOT5 ou la bande VNIR de ASTER ).

Le satellite SPOT 1 (1986) a fourni les premières données d'élévation utilisables pour une partie importante de la masse continentale de la planète, en utilisant une corrélation stéréoscopique à deux passes. Plus tard, d'autres données ont été fournies par le satellite européen de télédétection (ERS, 1991) en utilisant la même méthode, la Shuttle Radar Topography Mission (SRTM, 2000) utilisant le SAR à un seul passage et le Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER, 2000) instrumentation sur le satellite Terra utilisant des paires stéréo à double passe.

L'instrument HRS sur SPOT 5 a acquis plus de 100 millions de kilomètres carrés de paires stéréo.

Cartographie planétaire

Modèle numérique d'élévation MOLA montrant les deux hémisphères de Mars. Cette image est apparue sur la couverture du magazine Science en mai 1999.

Un outil de valeur croissante en science planétaire a été l'utilisation de l'altimétrie orbitale utilisée pour créer une carte numérique d'élévation des planètes. Un outil principal pour cela est l' altimétrie laser, mais l'altimétrie radar est également utilisée. Les cartes d'élévation numérique planétaire réalisées à l'aide de l'altimétrie laser comprennent la cartographie de Mars Orbiter Laser Altimètre (MOLA) de Mars, la cartographie de l' altimètre laser orbital lunaire (LOLA) et de l'altimètre lunaire (LALT) de la Lune, et la cartographie de l'altimètre laser à mercure (MLA) de Mercure. Dans la cartographie planétaire, chaque corps planétaire a une surface de référence unique.

Méthodes d'obtention de données d'altitude utilisées pour créer des DEM

Véhicule aérien sans pilote Gatewing X100

Précision

La qualité d'un DEM est une mesure de la précision de l'altitude à chaque pixel (précision absolue) et de la précision de la morphologie présentée (précision relative). L'évaluation de la qualité des DEM peut être effectuée en comparant les DEM de différentes sources. Plusieurs facteurs jouent un rôle important pour la qualité des produits dérivés du DEM :

  • rugosité du terrain;
  • densité d'échantillonnage (méthode de collecte des données d'altitude);
  • résolution de grille ou taille de pixel ;
  • algorithme d' interpolation ;
  • résolution verticale;
  • algorithme d'analyse de terrain;
  • Les produits 3D de référence comprennent des masques de qualité qui donnent des informations sur le littoral, le lac, la neige, les nuages, la corrélation, etc.

Les usages

Modèle numérique d'élévation - Red Rocks Amphitheatre, Colorado obtenu à l'aide d'un drone
Modèle numérique de surface 3D de l'aérodrome de Bezmiechowa obtenu à l'aide d' un drone Pteryx volant à 200 m au-dessus du sommet d'une colline
Maquette numérique de surface du chantier d'un échangeur autoroutier . Notez que les tunnels sont fermés.
Exemple DEM piloté avec le Gatewing X100 à Assenede
Générateur de modèle de terrain numérique + textures (cartes) + vecteurs

Les utilisations courantes des DEM incluent :

Sources

Global

Un DEM gratuit du monde entier appelé GTOPO30 ( résolution de 30 secondes d'arc , environ 1  km le long de l'équateur) est disponible, mais sa qualité est variable et dans certaines régions elle est très mauvaise. Un DEM de bien meilleure qualité de l'instrument ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) du satellite Terra est également disponible gratuitement pour 99% du globe et représente l'altitude à une résolution de 30 mètres . Une résolution tout aussi élevée n'était auparavant disponible que pour le territoire des États-Unis sous les données de la Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), alors que la plupart du reste de la planète n'était couverte qu'avec une résolution de 3 secondes d'arc (environ 90 mètres le long de l'équateur) . SRTM ne couvre pas les régions polaires et a des zones montagneuses et désertiques sans données (vides). Les données SRTM, dérivées du radar, représentent l'altitude de la première surface réfléchie, très souvent la cime des arbres. Ainsi, les données ne sont pas nécessairement représentatives de la surface du sol, mais du sommet de tout ce qui est d'abord rencontré par le radar.

Les données d'élévation sous-marine (connues sous le nom de bathymétrie ) sont générées à l'aide de sondages de profondeur embarqués . Lorsque la topographie des terres et la bathymétrie sont combinées, un modèle de relief vraiment global est obtenu. L'ensemble de données SRTM30Plus (utilisé dans NASA World Wind ) tente de combiner les données GTOPO30, SRTM et bathymétriques pour produire un modèle d'élévation véritablement global. Le modèle global de topographie et de relief Earth2014 fournit des grilles de topographie en couches à une résolution de 1 minute d'arc. Outre SRTM30plus, Earth2014 fournit des informations sur la hauteur des calottes glaciaires et le substratum rocheux (c'est-à-dire la topographie sous la glace) au-dessus de l'Antarctique et du Groenland. Un autre modèle global est Global Multi-resolution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010) avec une résolution de 7,5 secondes d'arc. Il est basé sur les données SRTM et combine d'autres données en dehors de la couverture SRTM. Un nouveau DEM global d'affichages inférieurs à 12 m et d'une précision de hauteur inférieure à 2 m est attendu de la mission satellite TanDEM-X qui a débuté en juillet 2010.

L'espacement de grille (raster) le plus courant est compris entre 50 et 500 mètres. En gravimétrie par exemple, la grille primaire peut être de 50 m, mais est commutée à 100 ou 500 mètres sur des distances d'environ 5 ou 10 kilomètres.

Depuis 2002, l'instrument HRS sur SPOT 5 a acquis plus de 100 millions de kilomètres carrés de paires stéréo utilisées pour produire un DEM au format DTED2 (avec un affichage de 30 mètres) format DEM DTED2 sur 50 millions de km 2 . Le satellite radar RADARSAT-2 a été utilisé par MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. pour fournir des DEM à des clients commerciaux et militaires.

En 2014, les acquisitions des satellites radar TerraSAR-X et TanDEM-X seront disponibles sous la forme d'une couverture globale uniforme avec une résolution de 12 mètres.

ALOS fournit gratuitement depuis 2016 un DSM global à 1 arc seconde et un DSM/DTM commercial de 5 mètres.

Local

De nombreuses agences nationales de cartographie produisent leurs propres MNE, souvent d'une résolution et d'une qualité supérieures, mais il faut souvent les acheter et le coût est généralement prohibitif pour tous, à l'exception des autorités publiques et des grandes entreprises. Les DEM sont souvent le produit de programmes nationaux de jeux de données lidar .

Des DEM gratuits sont également disponibles pour Mars : le MEGDR, ou Mission Experiment Gridded Data Record, de l' instrument Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) de Mars Global Surveyor ; et le modèle numérique de terrain (DTM) de Mars de la NASA.

Sites Internet

OpenTopography est une ressource communautaire basée sur le Web permettant d'accéder à des données topographiques haute résolution axées sur les sciences de la Terre (données lidar et DEM) et à des outils de traitement fonctionnant sur un système de calcul standard et haute performance, ainsi qu'à des ressources éducatives. OpenTopography est basé au San Diego Supercomputer Center de l'Université de Californie à San Diego et est exploité en collaboration avec des collègues de la School of Earth and Space Exploration de l'Arizona State University et de l'UNAVCO. Le soutien opérationnel de base pour OpenTopography provient de la National Science Foundation, Division of Earth Sciences.

L'OpenDemSearcher est un Mapclient avec une visualisation des régions avec des DEM de moyenne et haute résolution disponibles gratuitement.

Modèle STL 3D de la Lune avec exagération d'élévation 10× rendu avec les données de l' altimètre laser Lunar Orbiter du Lunar Reconnaissance Orbiter

Voir également

Formats de fichier DEM

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes

Produits de données