Drony i DEMS vs DTMS vs DSMS

Przewodnik po cyfrowych modelach terenu, cyfrowych modelach wysokościowych i cyfrowych modelach powierzchniowych w pomiarach dronami: czym są, jakie są różnice, zastosowania oraz jak mogą wspomagać technologię LiDAR i fotogrametrię z użyciem dronów.

Jeśli używasz drona do pomiarów, bardzo prawdopodobne jest, że natkniesz się na terminy: cyfrowy model terenu (Digital Terrain Model), cyfrowy model wysokościowy (Digital Elevation Model) oraz cyfrowy model powierzchniowy (Digital Surface Model).

Czym jednak dokładnie są, jakie są między nimi różnice i w jaki sposób mogą pomóc?

Czytaj dalej, aby się dowiedzieć.

Cyfrowe modele wysokościowe

Cyfrowe modele wysokościowe, znane również jako DEM, to wizualna reprezentacja danych wysokościowych dla każdego punktu zarejestrowanego w Twoim terenie.

Zamiast przedstawiać rzeczywisty wygląd terenu, DEM zazwyczaj wykorzystują kolory do wskazania różnic w wysokości, jak pokazuje poniższa ilustracja.

DEM to zbiory danych rastrowych lub siatki, które pokazują najwyższy punkt pionowy (z) zarejestrowany dla każdej współrzędnej poziomej (x,y).

Im mniejsze są komórki siatki, tym bardziej szczegółowe informacje znajdują się w pliku danych DEM. Jeśli więc dążysz do modelowania z dużą precyzją, odpowiedni będzie niewielki odstęp siatki (lub mały rozmiar komórek).

Podczas wyświetlania, te pliki rastrowe reprezentują ukształtowanie terenu, co może służyć jako punkt odniesienia dla prac topograficznych.

Cyfrowe modele powierzchniowe i cyfrowe modele terenu

Cyfrowe modele wysokościowe (DEM) stanowią nadzbiór cyfrowych modeli terenu (DTM) oraz cyfrowych modeli powierzchniowych (DSM).

Jaka jest zatem różnica między DTM a DSM?

• DTM: model "nagiej" powierzchni. Innymi słowy, charakteryzujący wyłącznie podłoże i grunt.
• DSM: najbardziej ogólna forma modelu powierzchniowego, która obejmuje wszystkie zarejestrowane punkty, reprezentujące zarówno cechy naturalne, jak i sztuczne. DSM zawiera wierzchołki budynków, drzew, linii energetycznych i innych obiektów. W istocie jest to model "baldachimu", który widzi grunt tylko wtedy, gdy nic innego nie znajduje się nad nim.

Poniższa grafika to prosty schemat pokazujący różnice między DTM a DSM. Zauważ, jak DTM (pomarańczowa linia) podąża za gruntem, podczas gdy DSM (zielona linia) podąża za strukturami na powierzchni, tj. wierzchołkiem domu i drzewem.

Jak to się odnosi do rzeczywistych zbiorów danych? Poniższy przykład to demonstruje: DTM po lewej i identyczny DSM po prawej.

Ponownie, zauważ, jak DSM pokazuje dachy domów i roślinność; cechy, które nie są obecne w modelu DTM "nagiej ziemi".

W jaki sposób drony mogą pomóc w generowaniu DEM, DSM i DTM?

Drony są ekonomicznym, szybkim i skutecznym narzędziem do zbierania danych na potrzeby generowania DEM, DSM i DTM.

Postęp technologiczny ostatnich lat doprowadził do rozwoju dronów zdolnych do wykonywania misji fotogrametrycznych i LiDAR.

Obie te aplikacje są kluczowe dla tworzenia DEM, DSM i DTM. Nasz przewodnik „LiDAR vs Fotogrametria” zawiera szczegółowe porównanie obu metod, ale w skrócie:

• LiDAR: akronim od wykrywania i pomiaru odległości za pomocą światła; LiDAR działa poprzez wysyłanie impulsów świetlnych na powierzchnię ziemi lub obiekt na niej i mierzenie czasu potrzebnego na odbicie. Zapewnia to precyzyjne pozycjonowanie punktów, w których laser uderzył w powierzchnię, a dane te można wykorzystać do zbudowania chmury punktów 3D reprezentującej teren, topografię i cechy skanowanego obszaru.
• Fotogrametria: sztuka wykonywania fotografii o wysokiej rozdzielczości w celu odwzorowania obszaru pomiarowego. Obrazy te są przetwarzane i łączone przy użyciu zaawansowanego oprogramowania w celu stworzenia realistycznych, georeferencyjnych i mierzalnych modeli 3D świata rzeczywistego.

Jak podkreślono powyżej, istnieją wyraźne różnice między LiDARem a fotogrametrią.

Dlatego przed wdrożeniem tych technik mapowania dronami w celu generowania DTM, DSM i DEM wymagane jest staranne rozważenie potrzeb.

LiDAR, na przykład, jest szczególnie skuteczny w pozyskiwaniu danych DTM w porównaniu z fotogrametrią, zwłaszcza na obszarach o gęstej roślinności.

Dlaczego? Ponieważ z natury LiDAR może przenikać przez przestrzenie między liśćmi i gałęziami, aby dotrzeć do poziomu gruntu, uzyskując w ten sposób dokładniejsze dane o ukształtowaniu terenu.

W przeciwieństwie do tego, roślinność może uniemożliwić fotogrametrii z dronów uzyskanie dokładnej reprezentacji topografii podłoża: w rzeczywistości uchwyci ona tylko obiekty wystające ponad powierzchnię ziemi.

Ta doskonała grafika poniżej – stworzona przez Bena Bishopa, dyrektora technicznego Flythru Limited – pokazuje różnicę między LiDARem a fotogrametrią w generowaniu DTM.

W tym przykładzie dane LiDAR są różowe, a fotogrametria niebieska. Zauważ, że fotogrametria świetnie radzi sobie z uchwyceniem wierzchołków drzew, ale nie może konkurować z LiDARem, jeśli chodzi o uzyskanie informacji o terenie w miejscach przesłoniętych przez roślinność.

Z tego powodu fotogrametria staje się skuteczniejsza w przypadku DSM.

Pamiętaj, że DSM reprezentują zarówno cechy naturalne, jak i wzniesione na powierzchni ziemi, takie jak korony drzew i zmiany w roślinności.

Dlatego zdjęcia o wysokiej rozdzielczości zebrane podczas misji fotogrametrycznej są przydatne do tworzenia tego typu map. LiDAR również może być używany do DSM.

Najlepsze drony do DEM, DSM i DTM

Firma DJI zaprojektowała liczne drony do misji mapowania lotniczego, w szczególności M300 RTK oraz Phantom 4 RTK.

Spośród nich, M300 RTK jest najlepiej przystosowany do tworzenia tych modeli, ponieważ można go zintegrować zarówno z fotogrametrią, jak i kamerami LiDAR.

DJI Zenmuse P1 (poniżej, po lewej) to dedykowana kamera fotogrametryczna z pełnoklatkową matrycą 45 MP, natomiast DJI Zenmuse L1 (poniżej, po prawej) to czujnik LiDAR z możliwościami fotogrametrycznymi.

Model M300 RTK w połączeniu z P1 lub L1 sprawia, że mapowanie lotnicze staje się wysoce dostępne, zwłaszcza w przypadku pozyskiwania danych LiDAR. A dzięki połączeniu większej wytrzymałości drona i indywidualnych specyfikacji kamer, zestawienie to stanowi niezwykle wydajne rozwiązanie mapujące, obejmujące rozległe obszary w krótkim czasie.

Tymczasem Phantom 4 RTK to kompaktowe rozwiązanie do mapowania z niskiego pułapu, ale posiada stałą kamerę fotogrametryczną 20 MP. Dlatego, choć jest skutecznym narzędziem pomiarowym, brakuje mu wszechstronności modelu M300 RTK, ponieważ nie można go zintegrować z LiDARem.

DEM, DSM i DTM – Rodzaje zastosowań

DEM – które obejmują DSM i DTM – mają kluczowe znaczenie w takich obszarach jak zarządzanie infrastrukturą, hydrologia (zarządzanie erozją wybrzeża), archeologia, badania kierunków przepływu wód, zagospodarowanie przestrzenne oraz analiza osuwisk.

Drony, DEM, DSM i DTM – Podsumowanie

Pomiary z użyciem dronów stały się jednym z głównych zastosowań w branży, a DEM, DSM i DTM mogą stanowić ważną część projektów mapowania.

Bezzałogowe statki powietrzne ułatwiają gromadzenie danych niezbędnych do tworzenia tego typu modeli.

Wybór między DEM, DSM i DTM zależy od rodzaju wymaganych informacji, podczas gdy wybór między fotogrametrią a LiDARem jest również kluczowym czynnikiem.

Jednak, jak w przypadku wszystkich danych wyjściowych związanych z pomiarami dronami, te zdigitalizowane zasoby dostarczają dogłębnych informacji o Twoim miejscu pracy, które mogą usprawnić proces podejmowania decyzji i poprawić zwrot z inwestycji (ROI).