مدل ارتفاعی رقومی یا DEM یکی از مهم ترین داده های پایه در GIS، نقشه برداری، سنجش از دور و تحلیل های مکانی است. این داده امکان بررسی ارتفاع زمین، استخراج شیب و جهت دامنه، تعیین حوضه های آبریز، تحلیل مسیر جریان آب و مطالعه ویژگی های توپوگرافی را فراهم می کند. اما DEM چیست؟ چه تفاوتی با DSM و DTM دارد؟ کدام مدل ارتفاعی برای پروژه مناسب تر است و از کجا می توان آن را به صورت رایگان دانلود کرد؟
در این مقاله از GeoMapZone، با مفهوم مدل های ارتفاعی رقومی، روش های تولید آن ها، تفاوت انواع مدل ها، مهم ترین منابع دانلود رایگان DEM و نحوه استفاده از این داده ها در نرم افزار QGIS آشنا می شوید.
DEM چیست؟
DEM مخفف Digital Elevation Model و به معنی مدل ارتفاعی رقومی است. این مدل، نمایش دیجیتالی ارتفاعات یک محدوده جغرافیایی است که به کمک آن می توان شکل زمین و تغییرات ارتفاعی سطح مورد مطالعه را تحلیل کرد.
در ساده ترین حالت، DEM به صورت یک شبکه منظم از سلول ها یا پیکسل ها ذخیره می شود که هر سلول مقدار ارتفاعی مشخصی دارد. به همین دلیل، این داده معمولاً در قالب رستر مورد استفاده قرار می گیرد. البته مفهوم مدل ارتفاعی به رستر محدود نیست و می توان سطح ارتفاعی را با ساختارهای دیگری مانند شبکه نامنظم مثلثی (TIN) نیز نمایش داد
برای مثال، فرض کنید قصد دارید مسیر احداث یک جاده را در منطقه ای کوهستانی بررسی کنید. یک نقشه معمولی ممکن است موقعیت جاده ها، رودخانه ها و عوارض زمین را نشان دهد، اما DEM اطلاعات ارتفاعی لازم برای بررسی پستی وبلندی ها، شیب مسیر و اختلاف ارتفاع را در اختیار شما قرار می دهد.
به همین ترتیب، در مطالعات هیدرولوژی می توان از DEM برای تعیین جهت جریان سطحی و استخراج حوضه آبریز استفاده کرد. در پروژه های نقشه برداری و عمرانی نیز این داده برای تهیه پروفیل ارتفاعی، بررسی توپوگرافی و انجام تحلیل های مقدماتی زمین کاربرد دارد.
یک نکته مهم این است که DEM الزاماً تصویر رنگی نیست. رنگ هایی که هنگام نمایش ارتفاع در نرم افزارهای GIS مشاهده می کنید، فقط برای نمایش بهتر اختلاف مقادیر ارتفاعی هستند. اطلاعات اصلی در سلول های رستر ذخیره شده اند.
همچنین باید توجه داشت که ارتفاع یک سلول تنها زمانی معنای دقیق و قابل تفسیر دارد که واحد اندازه گیری، سیستم مختصات و مبنای ارتفاعی داده مشخص باشد. برای نمونه، مقدار ۱۵۰۰ می تواند نشان دهنده ارتفاع ۱۵۰۰ متری نسبت به یک مبنای عمودی معین باشد، اما نباید بدون بررسی فراداده فرض کرد که تمام مدل های ارتفاعی از یک مبنا استفاده می کنند.
DEM چگونه تولید می شود؟
مدل های ارتفاعی رقومی با استفاده از روش های مختلف برداشت و پردازش داده تولید می شوند. هر روش از نظر دقت، وضوح مکانی، هزینه، سرعت تولید و قابلیت پوشش مناطق مختلف ویژگی های خاص خود را دارد.
۱. تولید DEM با استفاده از تصاویر ماهواره ای
یکی از روش های متداول تولید مدل ارتفاعی، استفاده از تصاویر ماهواره ای است. در روش فتوگرامتری استریو، تصاویر هم پوشان از یک منطقه برای استخراج اطلاعات سه بعدی استفاده می شوند. با شناسایی نقاط متناظر در تصاویر و محاسبه هندسه تصویربرداری، می توان ارتفاع نقاط سطح را تخمین زد.
مدل هایی مانند ALOS World 3D از نمونه های شناخته شده داده های ارتفاعی حاصل از تصاویر استریو ماهواره ای هستند.
۲. تولید DEM با استفاده از رادار و تداخل سنجی راداری
در روش تداخل سنجی راداری یا InSAR، از اختلاف فاز سیگنال های راداری برای استخراج اطلاعات ارتفاعی استفاده می شود. این روش در تولید مدل های ارتفاعی با پوشش گسترده کاربرد زیادی دارد.
مدل SRTM یکی از مشهورترین محصولات این حوزه است که در مأموریت شاتل فضایی با استفاده از فناوری راداری تولید شد. بااین حال، داده های ارتفاعی راداری لزوماً نمایانگر سطح توپوگرافی زمین نیستند و بسته به روش تولید و ویژگی های منطقه، ممکن است اثر پوشش گیاهی و عوارض سطحی را نیز منعکس کنند.
۳. تولید DEM با استفاده از لایدار (LiDAR)
لایدار با ارسال پالس های لیزری و اندازه گیری بازگشت آن ها، اطلاعات سه بعدی از سطح محیط جمع آوری می کند. حاصل این برداشت معمولاً یک ابر نقاط سه بعدی است که هر نقطه دارای مختصات مکانی و ارتفاع است.
پس از طبقه بندی نقاط، می توان نقاط متعلق به زمین را از نقاط مربوط به ساختمان ها، درختان و سایر عوارض جدا کرد. سپس با استفاده از نقاط زمین، مدل رقومی زمین تولید می شود.
این روش در بسیاری از پروژه های نقشه برداری دقیق، مدیریت جنگل، معدن، راه سازی و مطالعات مهندسی کاربرد دارد.
۴. تولید مدل ارتفاعی با پهپاد و فتوگرامتری
در پروژه های پهپادی، تصاویر هوایی هم پوشان با نرم افزارهای فتوگرامتری پردازش می شوند و خروجی هایی مانند ابر نقاط، مدل سطحی و ارتوموزائیک تولید می کنند.
برای تولید مدل زمین برهنه از این داده ها، لازم است نقاط مربوط به زمین شناسایی و عوارض سطحی تا حد امکان حذف شوند. بنابراین، مدل ارتفاعی حاصل از پردازش تصاویر پهپادی الزاماً DEM زمین پایه نیست و ممکن است در ابتدا DSM باشد.
کیفیت مدل نهایی به وضوح تصاویر، هندسه پرواز، نقاط کنترل زمینی، کیفیت پردازش و روش استخراج سطح زمین بستگی دارد.
تفاوت DSM ،DTM و DEM چیست؟
سه اصطلاح DEM، DSM و DTM در حوزه GIS و سنجش از دور بسیار رایج هستند، اما معنای آن ها در تمام منابع و محصولات یکسان نیست. برای استفاده صحیح از داده های ارتفاعی، باید بدانیم هر مدل چه سطحی را نمایش می دهد.
DEM؛ مدل ارتفاعی رقومی زمین
DEM اصطلاحی است که در برخی منابع به صورت عمومی برای مدل های ارتفاعی استفاده می شود. در کاربرد زمین پایه، این مدل ارتفاع خود زمین را نمایش می دهد و عوارضی مانند ساختمان ها و پوشش گیاهی از سطح موردنظر حذف شده اند.
DSM؛ مدل سطحی رقومی زمین
DSM مخفف Digital Surface Model است و سطح بالایی عوارض موجود در منطقه را نمایش می دهد. این سطح می تواند شامل زمین، ساختمان ها، درختان و سایر عوارض مرتفع باشد.
برای مثال، اگر ارتفاع زمین در محل یک ساختمان ۱۰۰ متر و ارتفاع بام آن ۱۲۰ متر باشد، DSM می تواند ارتفاع ۱۲۰ متر را در محل ساختمان نشان دهد.
DTM؛ مدل رقومی زمین
DTM مخفف Digital Terrain Model است و معمولاً برای نمایش توپوگرافی زمین بدون عوارض سطحی استفاده می شود. در برخی تعریف ها، DTM علاوه بر ارتفاع، اطلاعاتی مانند نقاط ارتفاعی شاخص و خطوط شکست زمین را نیز شامل می شود.
بنابراین، DEM و DTM در بسیاری از کاربردها به مفاهیم نزدیک یا مشابه اشاره می کنند، اما در همه استانداردها مترادف کامل نیستند.
| ویژگی | DEM زمین پایه | DSM | DTM |
| سطح مورد نمایش | زمین | سطح زمین و عوارض روی آن | معمولاً زمین برهنه |
| نمایش ساختمان ها | معمولاً خیر | بله | معمولاً خیر |
| نمایش پوشش گیاهی | معمولاً خیر | بله | معمولاً خیر |
| تحلیل شیب زمین | مناسب | با محدودیت در مناطق دارای عوارض | مناسب |
| تحلیل ارتفاع ساختمان | به تنهایی خیر | مناسب | به تنهایی خیر |
| ساختار داده | معمولاً رستر | معمولاً رستر | رستر، TIN یا ساختارهای دیگر، بسته به محصول |
در نتیجه، هنگام دانلود داده نباید تنها به نام DEM یا DTM اکتفا کنید. برای مثال، Copernicus DEM یک مدل سطحی است و ارتفاع ساختمان ها و پوشش گیاهی را نیز می تواند منعکس کند. این موضوع در انتخاب داده برای تحلیل توپوگرافی یا محاسبه ارتفاع عوارض اهمیت دارد.
تفاوت رزولوشن و دقت ارتفاعی در DEM چیست؟
یکی از مهم ترین نکات در انتخاب مدل ارتفاعی، تفاوت میان تفکیک مکانی و دقت ارتفاعی است.
تفکیک مکانی (Spatial Resolution) به اندازه سلول یا فاصله نمونه برداری مکانی داده اشاره دارد. برای مثال، یک مدل ارتفاعی با تفکیک مکانی حدود ۳۰ متر، در یک شبکه تقریباً ۳۰ متری نمونه های ارتفاعی ارائه می کند.
دقت ارتفاعی (Vertical Accuracy) میزان نزدیکی ارتفاع های مدل به مقادیر مرجع واقعی را توصیف می کند. این ویژگی به روش تولید، کیفیت داده اولیه، شرایط منطقه و نحوه ارزیابی خطا وابسته است.
بنابراین، یک DEM با سلول های کوچک تر لزوماً دقت ارتفاعی بالاتری ندارد.
| تفکیک مکانی تقریبی | کاربرد متداول |
| ۱ تا ۵ متر | مطالعات محلی دقیق، در صورت وجود داده معتبر |
| ۱۰ متر | تحلیل های توپوگرافی محلی و منطقه ای |
| ۳۰ متر | مطالعات عمومی GIS، حوضه آبریز و تحلیل های منطقه ای |
| ۹۰ متر و بیشتر | مطالعات گسترده و بررسی های کلی توپوگرافی |
این مقادیر راهنمای کلی هستند و انتخاب نهایی باید با توجه به الزامات پروژه، دقت عمودی و مشخصات محصول انجام شود.
بهترین سایت های دانلود رایگان DEM چیست؟
برای دریافت مدل های ارتفاعی جهانی، چند منبع معتبر وجود دارد که امکان دانلود داده های رایگان را فراهم می کنند. در ادامه، مهم ترین گزینه ها و روش استفاده از آن ها را معرفی می کنیم.
۱. دانلود SRTM از NASA و USGS
SRTM یکی از شناخته شده ترین مجموعه های داده ارتفاعی جهانی است که با استفاده از رادار تولید شده است. محصولات متداول آن شامل تفکیک های حدود ۳۰ و ۹۰ متر هستند و برای بسیاری از مطالعات عمومی GIS و توپوگرافی کاربرد دارند.
لینک های رسمی:
روش دانلود:
-
- وارد سایت Earthdata Search شوید و عبارت SRTMGL1 را جست وجو کنید.
2. محدوده جغرافیایی موردنظر را روی نقشه مشخص کنید.
3. محصول و فایل های مربوط به محدوده را انتخاب کنید.
4. در صورت نیاز، حساب کاربری ایجاد کنید و مراحل دریافت را تکمیل کنید.
5. فایل ارتفاعی را دانلود کنید و در صورت فشرده بودن (zip)، آن را استخراج کنید.
نکته: هنگام انتخاب محصول، تفکیک مکانی و نسخه داده را بررسی کنید؛ زیرا همه محصولات SRTM وضوح یکسانی ندارند.
۲. دانلود Copernicus DEM
Copernicus DEM یکی از منابع مهم مدل های ارتفاعی جهانی است و محصولات GLO-30 و GLO-90 را با تفکیک های حدود ۳۰ و ۹۰ متر ارائه می کند. این مجموعه در اصل یک DSM است؛ بنابراین برای پروژه هایی که به زمین برهنه نیاز دارند، باید این ویژگی را در نظر گرفت.
لینک رسمی:
Copernicus Data Space — Copernicus DEM
روش دانلود:
1. وارد وب سایت Copernicus Data Space شوید.
2. در صورت درخواست سامانه، ثبت نام کنید.
5. فایل های مربوط به محدوده را دریافت کنید.
اگر می خواهید مدل ارتفاعی را برای محاسبه شیب یا تحلیل حوضه آبریز استفاده کنید، به یاد داشته باشید که وجود ساختمان ها و پوشش گیاهی در DSM ممکن است بر نتیجه تحلیل اثر بگذارد.
۳. دانلود ALOS World 3D یا AW3D30
AW3D30 مجموعه داده ارتفاعی جهانی با تفکیک مکانی حدود ۳۰ متر است که توسط سازمان فضایی ژاپن (JAXA) تهیه شده است. این محصول از تصاویر استریو ماهواره ای تولید شده و در دسته مدل های سطحی قرار می گیرد.
لینک رسمی:
روش دانلود:
-
- وارد وب سایت رسمی JAXA شوید.
2. راهنمای دسترسی و شرایط استفاده را بررسی کنید.
3. در صورت نیاز، ثبت نام را تکمیل کنید.
4. محدوده موردنظر را انتخاب کنید.
5. فایل های ارتفاعی مربوط به منطقه را دانلود کنید.
این داده برای مقایسه مدل های ارتفاعی جهانی مفید است، اما مانند هر محصول دیگری باید محدودیت ها و مشخصات فنی آن بررسی شود.
۴. دانلود مدل ارتفاعی از OpenTopography
OpenTopography بستری برای دسترسی به داده های توپوگرافی است که مجموعه های مختلفی از مدل های ارتفاعی و داده های لایدار را در اختیار کاربران قرار می دهد. این پلتفرم امکان جست وجو و دریافت برخی داده های جهانی، از جمله Copernicus DEM و SRTM، را فراهم می کند. شرایط استفاده و نیاز به ثبت نام یا کلید دسترسی به محصول و سرویس بستگی دارد.
لینک:
روش دانلود:
-
- وارد پورتال شوید.
2. بخش داده های رستری یا مدل های ارتفاعی جهانی را انتخاب کنید.
3. مجموعه داده موردنظر را مشخص کنید.
4. محدوده جغرافیایی را روی نقشه انتخاب کنید.
5. تنظیمات دانلود و شرایط دسترسی را بررسی کنید.
6. فایل خروجی را دریافت کنید.
مزیت این روش آن است که می توانید مجموعه های مختلف را از یک محیط بررسی کنید؛ البته دسترسی به تمام محصولات و قابلیت های پردازش لزوماً شرایط یکسانی ندارد.
۵. دانلود DEM از USGS 3DEP
برنامه 3DEP سازمان زمین شناسی آمریکا، مدل های ارتفاعی با تفکیک های مختلف و داده های منبع مانند لایدار را ارائه می کند. این برنامه برای محدوده ایالات متحده و مناطق تحت پوشش آن مناسب است و نباید آن را منبعی با پوشش یکپارچه جهانی در نظر گرفت.
لینک رسمی:
برای دانلود، محدوده موردنظر را در The National Map انتخاب کنید و از میان محصولات موجود، تفکیک مکانی و قالب مناسب را برگزینید. در صورت نیاز به مدل های بسیار دقیق، پوشش داده های لایدار منطقه را نیز بررسی کنید.
کدام DEM برای ایران مناسب تر است؟
بعد از پاسخ این سوال که DEM چیست؟ شاید برای شما این سوال پیش بیاید که کدام یک از این انواع DEM و سایت های معرفی شده برای شما مناسب تر است؟
برای پروژه های عمومی GIS در ایران، می توانید ابتدا SRTM با تفکیک حدود ۳۰ متر را بررسی کنید و سپس آن را با Copernicus DEM و AW3D30 مقایسه کنید.
اگر هدف شما تحلیل های منطقه ای، استخراج شیب یا بررسی اولیه حوضه آبریز باشد، این مدل ها می توانند نقطه شروع مناسبی باشند. بااین حال، اگر هدف طراحی اجرایی، محاسبه دقیق حجم عملیات خاکی یا تهیه نقشه توپوگرافی مهندسی است، مدل های جهانی معمولاً جایگزین برداشت دقیق محلی نیستند.
در پروژه های ایران، علاوه بر کیفیت داده، باید سیستم مختصات، مبنای ارتفاعی، وضعیت پوشش گیاهی، وجود عوارض مصنوعی و پوشش واقعی داده را نیز بررسی کنید.
آموزش استفاده از DEM در QGIS
پس از دانلود فایل ارتفاعی، می توانید آن را در نرم افزار رایگان QGIS باز کنید و تحلیل های مختلفی انجام دهید.
مرحله اول: وارد کردن فایل DEM
نرم افزار QGIS را باز کنید و از مسیر زیر فایل رستری را وارد کنید:
Layer > Add Layer > Add Raster Layer
فایل GeoTIFF یا قالب پشتیبانی شده مجموعه داده را انتخاب کنید. پس از اضافه شدن، لایه ارتفاعی در پنل لایه ها ظاهر می شود.
مرحله دوم: نمایش رنگی ارتفاع
روی لایه کلیک راست کنید و وارد Properties شوید. در بخش Symbology، شیوه نمایش را روی Singleband pseudocolor تنظیم کنید.
سپس یک طیف رنگی انتخاب کنید تا ارتفاع های کم و زیاد با رنگ های متفاوت نمایش داده شوند. این کار صرفاً ظاهر نقشه را تغییر می دهد و مقدار ارتفاع سلول ها دست نخورده باقی می ماند.
مرحله سوم: تولید Hillshade
برای نمایش بهتر شکل زمین، از ابزار Hillshade استفاده کنید. این ابزار با در نظر گرفتن زاویه تابش نور فرضی، تصویری سایه روشن از پستی وبلندی ها تولید می کند.
خروجی Hillshade برای نمایش بصری توپوگرافی بسیار مناسب است؛ اما به تنهایی جایگزین داده عددی ارتفاع نمی شود.
مرحله چهارم: استخراج شیب و جهت دامنه
از ابزارهای Slope و Aspect برای محاسبه شیب و جهت دامنه استفاده کنید.
-
- Slope: میزان شیب سطح زمین را محاسبه می کند.
-
- Aspect: جهت قرارگیری دامنه را نسبت به جهات جغرافیایی مشخص می کند.
پیش از انجام این تحلیل ها، واحدهای افقی و عمودی و سیستم مختصات را بررسی کنید. اگر واحدهای افقی و عمودی ناسازگار باشند، نتیجه محاسبه شیب ممکن است نادرست شود.
مرحله پنجم: استخراج حوضه آبریز
DEM می تواند برای تحلیل هیدرولوژیکی و استخراج مسیر جریان استفاده شود. در این فرایند، معمولاً ابتدا مدل ارتفاعی از نظر فرورفتگی های مصنوعی بررسی و در صورت لزوم اصلاح می شود؛ سپس جهت جریان، تجمع جریان و شبکه آبراهه ها محاسبه می شوند.
برای این کار می توانید از ابزارهای هیدرولوژیکی QGIS و الگوریتم های موجود در GRASS GIS یا SAGA استفاده کنید. دقت خروجی به کیفیت مدل ارتفاعی و نحوه آماده سازی آن وابسته است.
جمع بندی
DEM یکی از داده های بنیادی در GIS و تحلیل های توپوگرافی است که امکان مطالعه ارتفاع، شیب، جهت دامنه و ویژگی های سطح زمین را فراهم می کند. شناخت تفاوت DEM، DSM و DTM به شما کمک می کند مدلی متناسب با نیاز پروژه انتخاب کنید و از تفسیر اشتباه اطلاعات ارتفاعی جلوگیری کنید.
بعد از پاسخ به سوال DEM چیست باید گفت برای دانلود داده های جهانی، منابعی مانند NASA Earthdata، Copernicus Data Space، JAXA، OpenTopography و USGS گزینه های مهمی هستند. بااین حال، انتخاب بهترین داده تنها به رایگان بودن یا رزولوشن آن محدود نمی شود؛ بلکه باید دقت ارتفاعی، روش تولید، مبنای ارتفاعی، پوشش منطقه و نوع کاربرد را نیز در نظر گرفت.
در نهایت، اگر قصد دارید از DEM در یک پروژه واقعی استفاده کنید، بهتر است پیش از شروع تحلیل، مشخصات فنی داده را بررسی کنید و در صورت امکان، نتایج را با داده های مرجع یا برداشت زمینی مقایسه کنید.
برای اطلاعات بیشتر درمورد مفاهیم نقشه برداری و GIS اشاره شده در این مقاله، می توانید موضوع مورد نظر خود را در صفحه مقالات آموزشی یافته و در مورد آن مطالعه نمایید.
سوالات متداول
خیر. در کاربرد زمین پایه، DEM ارتفاع خود زمین را نشان می دهد؛ درحالی که DSM ارتفاع سطح بالایی ساختمان ها، درختان و سایر عوارض را نیز شامل می شود.
رزولوشن مناسب به مقیاس پروژه بستگی دارد. مدل های ۳۰ متری برای بسیاری از مطالعات عمومی منطقه ای کاربرد دارند، اما پروژه های دقیق مهندسی ممکن است به داده های محلی با تفکیک مکانی و دقت ارتفاعی بالاتر نیاز داشته باشند.
بله، اما دقت محاسبه به کیفیت مدل ارتفاعی، وضوح مکانی، تاریخ برداشت و روش تعیین سطح مبنا وابسته است. برای محاسبات اجرایی، داده های دقیق و کنترل شده محلی معمولاً مناسب تر از مدل های ارتفاعی جهانی هستند.
