یک مدل رقومی ارتفاع (Digital Elevation Model – DEM)، نمایشی رقومی و بنیادی از شکل سه‌بعدی یک سطح توپوگرافیک است. به طور مشخص، این مدل آرایه‌ای مرتب از اعداد است که توزیع مکانی ارتفاعات را نسبت به یک مبنای (Datum) دلخواه نشان می‌دهد. در اصل، یک DEM ارتفاعات نقاط مختلف در یک منطقه‌ی معین را در قالبی رقومی توصیف می‌کند. اگرچه اصطلاح DEM عمومی است و می‌تواند برای هر سطحی، مانند تراز آب‌های زیرزمینی، به کار رود، اما معمولاً به توپوگرافی سطح زمین اشاره دارد.
واژگان و تمایزها
واژگان مربوط به داده‌های رقومی ارتفاع می‌تواند به دلیل تفاوت در کاربرد میان رشته‌ها و مناطق مختلف، گیج‌کننده باشد. با این حال، اجماعی بین متخصصان، از جمله گروه کاری آزمایش بین‌المللی مقایسه مدل‌های رقومی ارتفاع (Digital Elevation Model Intercomparison eXperiment – DEMIX)، با هدف یکپارچه‌سازی این تعاریف در حال شکل‌گیری است.
- مدل رقومی ارتفاع (DEM): این اصطلاح عمومی و پذیرفته‌شده برای نمایش رقومی ارتفاعات یک سطح توپوگرافیک است. این مدل معمولاً به شکل یک شبکه‌ی نقطه‌ای یا منطقه‌ای زمین‌مرجع‌شده است که زمین یا دیگر اجرام آسمانی جامد را پوشش می‌دهد.
- مدل رقومی زمین (Digital Terrain Model – DTM): یک DTM نوعی از DEM است که منحصراً سطح «زمین لخت» (Bare Earth) را نمایندگی می‌کند. این بدان معناست که هدف آن نمایش سطح زمین بدون عوارضی مانند ساختمان‌ها، درختان و دیگر ویژگی‌های طبیعی یا ساخته‌ی دست بشر است.
- مدل رقومی سطح (Digital Surface Model – DSM): یک DSM، در مقابل، ارتفاع بالاترین سطح عوارض واقع بر روی زمین را ثبت می‌کند. این شامل سطح فوقانی عناصری مانند ساختمان‌ها، تاج پوشش گیاهی و دیگر سازه‌های طبیعی و انسانی است. برای مثال، DEM حاصل از مأموریت توپوگرافی شاتل رادار (Shuttle Radar Topography Mission – SRTM) به عنوان تقریبی از یک DSM شناخته می‌شود.
- سطح بدون پوشش گیاهی (Non-Vegetated Surface – NVS): این یک نوع خاص از DSM است که بیوسفر (پوشش گیاهی) را حذف می‌کند اما عوارض انسان‌ساخت را حفظ می‌نماید. حذف پوشش گیاهی می‌تواند سازه‌های باستان‌شناسی را آشکار کند و به همین دلیل گاهی به آن مدل رقومی عوارض (Digital Feature Model – DFM) نیز گفته می‌شود.
درحالی‌که برخی متون هنگام بحث در مورد زمین لخت، از DEM و DTM به جای یکدیگر استفاده می‌کنند، به طور کلی DEM به عنوان اصطلاح گسترده‌تر و جهانی‌تر در نظر گرفته می‌شود.
تاریخچه و توسعه
مفهوم «مدل زمین» برای اولین بار به طور عمومی توسط میلر و لافلام از مؤسسه فناوری ماساچوست (Massachusetts Institute of Technology – MIT) در سال ۱۹۵۸ توصیف شد. آن‌ها مدل رقومی زمین (DTM) را به عنوان یک نمایش آماری از سطح پیوسته‌ی زمین، متشکل از نقاطی با مختصات x,y,z مشخص، تعریف کردند. DEMهای اولیه اغلب به زحمت و با دست از روی نقشه‌های کانتوری موجود درون‌یابی می‌شدند. پیشرفتی چشمگیر بین سال‌های ۱۹۶۳ و ۱۹۷۲ با رقومی‌سازی نیمه‌خودکار کل ایالات متحده با تفکیک‌پذیری شبکه‌ای حدود ۶۳ متر از نقشه‌های کانتوری با مقیاس ۱:۲۵۰,۰۰۰ رخ داد که بعداً توسط سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده (U.S. Geological Survey – USGS) توزیع شد.
ساختار و نمایش داده‌ها
DEMها معمولاً به صورت شبکه‌های منظم (فرمت رستری) نمایش داده می‌شوند. دو نوع اصلی از این شبکه‌ها وجود دارد:
- شبکه‌های با زاویه ثابت (مختصات جغرافیایی): مشِ شبکه توسط خطوط عرض و طول جغرافیایی تعریف می‌شود.
- شبکه‌های با طول ثابت (مختصات تصویری): ابعاد هر سلول شبکه یک فاصله‌ی متریک ثابت (مثلاً متر) را در بر می‌گیرد و اغلب با استفاده از یک سیستم تصویر مرکاتور معکوس مانند UTM (Universal Transverse Mercator) ایجاد می‌شوند. اکثر DEMهای لیدار (LiDAR – Light Detection and Ranging) از این نوع هستند.
علاوه بر ساختار شبکه‌ای، روش‌های نمایش دیگری نیز وجود دارد:
- شبکه‌های نامنظم مثلث‌بندی‌شده (Triangulated Irregular Networks – TINs): این مدل‌ها سطح زمین را با مجموعه‌ای از مثلث‌های غیرهم‌پوشان تقریب می‌زنند.
- نقشه‌های کانتوری: این نقشه‌ها سطح زمین را با استفاده از خطوطی با ارتفاع ثابت (خطوط تراز) نشان می‌دهند.
- ابرهای نقطه‌ای متراکم: این‌ها مجموعه‌های بزرگی از نقاط با توزیع نامنظم و مختصات سه‌بعدی هستند.
ویژگی‌های کلیدی و ملاحظات کیفیت
سودمندی و قابلیت اطمینان یک DEM به چندین ویژگی بستگی دارد:
- سیستم مختصات و مبنا (Datum): یک DEM باید دارای چارچوب مرجع افقی، عمودی و زمانی مشخص باشد.
- تفکیک‌پذیری (Resolution): به اندازه‌ی کوچک‌ترین عارضه‌ی توپوگرافیِ قابل تشخیص اشاره دارد.
- دقت و خطاها: دقت DEM معمولاً با ریشه‌ی میانگین مربعات خطا (Root Mean Square Error – RMSE) در ارتفاع، با مقایسه‌ی نقاط DEM با نقاط مرجع (حقیقت زمینی) تخمین زده می‌شود.
- آرتیفکت‌ها (Artifacts): خطاهای پردازشی می‌توانند منجر به ایجاد عوارض مصنوعی یا نواحی فاقد داده (voids) شوند.
- ارزیابی کیفیت: کیفیت یک DEM با توانایی آن در برآورده کردن نیازهای کاربر سنجیده می‌شود.
کاربردهای DEM
DEMها در طیف گسترده‌ای از رشته‌های علمی و کاربردهای عملی استفاده می‌شوند:
- ژئومورفومتری و تحلیل زمین: DEMها منبع داده‌ی اصلی برای استخراج پارامترهایی مانند گرادیان شیب، جهت شیب، انحنا، سطح آبخیز (Catchment Area – CA)، سطح آبخیز ویژه (Specific Catchment Area – SCA)، سطح پراکندگی (Dispersive Area – DA) و شاخص خیسی توپوگرافیک (Topographic Wetness Index – TWI) هستند.
- مدل‌سازی هیدرولوژیکی: برای ردیابی و مدل‌سازی حوضه‌های آبخیز، رودخانه‌ها و پیش‌بینی سیل حیاتی هستند.
- خاک‌شناسی: از مهم‌ترین منابع داده برای پروژه‌های نقشه‌برداری رقومی خاک و پیش‌بینی خصوصیات آن به شمار می‌روند.
- مطالعات زمین‌شناسی: به درک ساختارهای تکتونیکی، مورفولوژی گسل‌ها، یخ‌شناسی و مطالعه‌ی حرکات توده‌ای کمک می‌کنند.
- تحلیل اقلیم و محیط زیست: در تحلیل‌های اقلیمی، مدل‌سازی پوشش برف و مطالعات توزیع پوشش گیاهی کاربرد دارند.
- مهندسی و برنامه‌ریزی شهری: برای برنامه‌ریزی زیرساخت‌هایی مانند بزرگراه‌ها، فرودگاه‌ها، سدها و مکان‌یابی توربین‌های بادی استفاده می‌شوند.
- دفاع و مخابرات: برای فعالیت‌های نظامی مانند شبیه‌سازی نبرد و محاسبات خط دید در سیستم اطلاعات جغرافیایی (Geographic Information System – GIS) و همچنین در کاربردهای مخابراتی حیاتی هستند.
- تعیین تغییرات حجم: برای تخمین حجم مواد برداشته‌شده، نرخ فرسایش یا تراز جرمی یخچال‌ها استفاده می‌شوند.
- سیاره‌شناسی: برای درک مورفولوژی ماه، مریخ، زهره و دیگر سیارات جامد ضروری هستند.
دانلود DEM
برای دانلود مجموعه کامل لایه DEM باکیفیت ایران به تفکیک استان، اینجا کلیک کنید یا استان موردنظر خود را روی نقشه زیر انتخاب کنید.