수치 표고 모델

수치 표고 모델(digital elevation model, DEM) 또는 수치 표면 모델(digital surface model, DSM)은 일반적으로 행성, 위성, 또는 소행성의 대지 (지형) 또는 겹치는 객체를 나타내는 표고 (높이) 데이터의 3차원 컴퓨터 그래픽스 표현이다. "전역 DEM"은 이산 전역 격자를 의미한다. DEM은 지리 정보 시스템(GIS)에서 자주 사용되며, 디지털 방식으로 생성된 릴리프 맵의 가장 일반적인 기반이다.
수치 지형 모델(digital terrain model, DTM)은 지표면을 구체적으로 나타내며, DEM과 DSM은 나무 꼭대기 수관이나 건축물 지붕을 나타낼 수 있다.

DSM은 경관 모델링, 도시 모델링 및 시각화 응용 분야에 유용할 수 있지만, DTM은 홍수 또는 배수 모델링, 토지 이용 연구,I. Balenovic, H. Marjanovic, D. Vuletic, etc. Quality assessment of high density digital surface model over different land cover classes. PERIODICUM BIOLOGORUM. VOL. 117, No 4, 459–470, 2015. 지질학적 응용 분야 및 기타 응용 분야 및 행성과학에서 종종 필요하다.

 용어 

수치 표고 모델(DEM), 수치 지형 모델(DTM), 수치 표면 모델(DSM)이라는 용어는 과학 문헌에서 보편적으로 사용되지 않는다. 대부분의 경우 수치 표면 모델이라는 용어는 지구 표면을 나타내며 그 위의 모든 물체를 포함한다. DSM과 대조적으로, 수치 지형 모델(DTM)은 식물이나 건물과 같은 어떤 물체도 없는 맨땅 지표면을 나타낸다(오른쪽 그림 참조).Li, Z., Zhu, Q. and Gold, C. (2005), Digital terrain modeling: principles and methodology, CRC Press, Boca Raton, FL.

DEM은 DSM 및 DTM의 일반적인 용어로 자주 사용되며, 표면에 대한 추가 정의 없이 높이 정보만 나타낸다.Peckham, Robert Joseph; Jordan, Gyozo (Eds.)(2007):  Development and Applications in a Policy Support Environment Series: Lecture Notes in Geoinformation and Cartography.  Heidelberg.
다른 정의들은 DEM과 DTM 용어를 동일시하고, DEM과 DSM 용어를 동일시하며,Adrian W. Graham, Nicholas C. Kirkman, Peter M. Paul (2007): Mobile radio network design in the VHF and UHF bands: a practical approach. West Sussex.
DEM을 다른 지형 형태 요소도 나타내는 DTM의 하위 집합으로 정의하거나, DEM을 직사각형 격자로, DTM을 3차원 모델(TIN)으로 정의한다.
대부분의 데이터 제공업체(USGS, ERSDAC, CGIAR, Spot Image)는 DEM이라는 용어를 DSM과 DTM의 일반적인 용어로 사용한다. SRTM 또는 ASTER GDEM과 같은 일부 데이터 세트는 원래 DSM이지만, 삼림 지역에서는 SRTM이 나무 꼭대기까지 도달하여 DSM과 DTM 사이의 판독값을 제공한다. DTM은 건물 및 기타 물체를 걸러내는 복잡한 알고리즘(‘맨땅 추출’로 알려진 과정)을 사용하여 고해상도 DSM 데이터 세트에서 생성된다.Li, Z., Zhu, Q. and Gold, C. (2005), Digital terrain modeling: principles and methodology, CRC Press, Boca Raton, FL.
다음에서는 DEM이라는 용어를 DSM과 DTM의 일반적인 용어로 사용한다.

 종류 
DEM은 래스터(정사각형 그리드, 고도를 나타낼 때는 고도 지도라고도 함) 또는 벡터 기반 삼각 불규칙 망(TIN)으로 표현될 수 있다. TIN DEM 데이터 세트는 1차(측정된) DEM이라고도 하며, 래스터 DEM은 2차(계산된) DEM이라고도 한다.Ronald Toppe  (1987): Terrain models — A tool for natural hazard Mapping . In: Avalanche Formation, Movement and Effects (Proceedings of the Davos Symposium, September 1986). IAHS Publ. no. 162,1987 DEM은 사진측량, 라이다, IfSAR 또는 InSAR, 측량, 등의 기술을 통해 얻을 수 있다 (Li et al. 2005).

DEM은 일반적으로 원격탐사 기술을 사용하여 수집된 데이터를 기반으로 구축되지만, 측량을 통해서도 구축될 수 있다.

 렌더링 

수치 표고 모델 자체는 숫자의 행렬로 구성되지만, DEM의 데이터는 종종 사람이 이해할 수 있도록 시각적인 형태로 렌더링된다. 이 시각화는 등고선이 있는 지형도 형태일 수도 있고, 음영과 가색상 할당(또는 "의사 색상")을 사용하여 고도를 색상으로 렌더링할 수도 있다(예를 들어, 가장 낮은 고도는 녹색, 빨간색으로 음영 처리, 가장 높은 고도는 흰색).

시각화는 때때로 경사 시점으로도 이루어지며, 경사 각도로 내려다보는 것처럼 지형의 합성 시각 이미지를 재구성한다. 이러한 경사 시각화에서는 미묘한 고도 차이를 더 잘 알아볼 수 있도록 고도를 "수직 과장"을 사용하여 조정하기도 한다.Making 3D Terrain Maps, Shaded Relief. Retrieved 11 March 2019. 그러나 일부 과학자들David Morrison, ""Flat-Venus Society" organizes", EOS, Volume 73, Issue 9, American Geophysical Union, 3 March 1992, p. 99. . Retrieved 11 March 2019.
Robert Simmon. "Elegant Figures What Not To Do: Vertical Exaggeration," NASA Earth Observatory, November 5, 2010. Retrieved 11 March 2019.은 수직 과장이 실제 경관에 대해 시청자를 오도한다고 반대한다.

 제작 
매퍼는 여러 가지 방법으로 수치 표고 모델을 준비할 수 있지만, 직접 측량 데이터보다는 원격탐사를 자주 사용한다.

DEM을 생성하는 구식 방법은 종종 지표면을 직접 측량하여 제작되었을 수 있는 디지털 등고선 지도를 보간하는 것을 포함한다. 이 방법은 간섭계가 항상 만족스럽지 않은 산악 지역에서 여전히 사용된다. 등고선 데이터 또는 다른 샘플링된 고도 데이터 세트(GPS 또는 지상 측량에 의한)는 DEM이 아니지만, 수치 지형 모델로 간주될 수 있다. DEM은 연구 지역의 각 위치에서 고도를 연속적으로 사용할 수 있음을 의미한다.

 위성 매핑 
수치 표고 모델을 생성하는 강력한 기술 중 하나는 간섭계 합성개구레이더이며, 여기서는 레이더 위성(RADARSAT-1, TerraSAR-X 또는 Cosmo SkyMed와 같은)의 두 번 통과, 또는 위성에 두 개의 안테나(예: SRTM 장비)가 장착된 경우 한 번 통과로 수십 킬로미터 면적의 약 10미터 해상도 디지털 표고 지도를 생성하기에 충분한 데이터를 수집한다. 디지털 이미지 상관법을 사용하는 다른 종류의 입체 사진 쌍은 비행기나 지구 관측 위성(예: SPOT5의 HRS 장비 또는 ASTER의 VNIR 밴드)의 동일한 통과에서 다른 각도로 두 개의 광학 이미지를 획득하여 사용할 수 있다.

SPOT 1 위성 (1986년)은 두 번 통과하는 입체 상관법을 사용하여 지구 육지의 상당 부분에 대한 최초의 사용 가능한 고도 데이터를 제공했다. 나중에 동일한 방법을 사용한 유럽 원격 감지 위성 (ERS, 1991년), 한 번 통과하는 SAR를 사용한 셔틀 레이더 지형 임무 (SRTM, 2000년), 그리고 두 번 통과하는 스테레오 쌍을 사용한 테라 위성의 첨단 우주 영상 반사 및 복사계 (ASTER, 2000년) 장비가 추가 데이터를 제공했다.

SPOT 5의 HRS 장비는 1억 제곱 킬로미터 이상의 스테레오 쌍을 획득했다.

 행성 매핑 
upright=1.2|thumb|MOLA 수치 표고 모델이 화성의 두 반구를 보여준다. 이 이미지는 1999년 5월 사이언스지 표지에 실렸다.
행성과학에서 점점 더 가치 있는 도구는 행성의 수치 표고 지도를 만들기 위해 사용되는 궤도 고도계이다. 이를 위한 주요 도구는 레이저 고도계이지만 레이더 고도계도 사용된다. 레이저 고도계를 사용하여 만든 행성 수치 표고 지도는 화성 궤도 레이저 고도계 (MOLA)의 화성 매핑,Bruce Banerdt, Orbital Laser Altimeter, The Martian Chronicle, Volume 1, No. 3, NASA.  Retrieved 11 March 2019. 달 궤도 레이저 고도계 (LOLA)NASA, LOLA.  Retrieved 11 March 2019. 및 달 고도계 (LALT)의 달 매핑, 그리고 수성 레이저 고도계 (MLA)의 수성 매핑을 포함한다.John F. Cavanaugh, et al., "The Mercury Laser Altimeter Instrument for the MESSENGER Mission", Space Sci Rev, , 24 August 2007.  Retrieved 11 March 2019. 행성 매핑에서 각 행성체는 고유한 참조 표면을 갖는다. 뉴 허라이즌스의 장거리 정찰 이미저는 스테레오 사진측량을 사용하여 명왕성과 486958 아로코트의 부분적인 표면 고도 지도를 제작했다.

 DEM 생성에 사용되는 고도 데이터 획득 방법 

 라이다
 레이더
 항공 사진을 통한 스테레오 사진측량
 구조 추출 / 항공 사진에 적용된 다중 시점 스테레오
 광학 위성 영상의 블록 조정
 레이더 데이터의 간섭계
 실시간 동역학 GPS
 지형도
 경위의 또는 토탈 스테이션
 도플러 레이더
 초점 변화
 관성 측량
 드론 측량 및 매핑
 거리 이미징

 정확성 

DEM의 품질은 각 화소에서 고도가 얼마나 정확한지(절대 정확도)와 형태가 얼마나 정확하게 표현되는지(상대 정확도)를 측정한다. DEM의 품질 평가는 다른 출처의 DEM을 비교하여 수행할 수 있다. DEM 파생 제품의 품질에 여러 요소가 중요한 역할을 한다.
 지형 거칠기;
 샘플링 밀도 (고도 데이터 수집 방법);
 그리드 해상도 또는 화소 크기;
 보간법 알고리즘;
 수직 해상도;
 지형 분석 알고리즘;
 참조 3D 제품에는 해안선, 호수, 눈, 구름, 상관 관계 등에 대한 정보를 제공하는 품질 마스크가 포함된다.

 용도 





DEM의 일반적인 용도는 다음과 같다.
 지형학을 위한 지형 매개변수 추출
 수문학을 위한 수류 모델링 또는 대규모 이동(예: 눈사태 및 산사태)
 지도 제작 수심 지수(DTW-index)를 이용한 토양 습도 모델링
 릴리프 지도 제작
 3D 시각화 렌더링
 3D 비행 계획 및 TERCOM
 물리적 모델 제작(양각 지도 및 3D 프린트 지형 모델 포함)
 항공 사진 또는 위성 사진의 정류
 중력 측정의 환원(지형 보정)(중력측정, 물리 측지학)
 지형학 및 자연지리학의 지형 분석
 지리 정보 시스템 (GIS)
 공학 및 기반 시설 설계
 범지구 위성 항법 시스템 (예: GPS 및 글로나스)
 시선 분석
 기본 매핑
 비행 시뮬레이션
 열차 시뮬레이션
 정밀 농업 및 임업
 표면 분석
 지능형 교통 시스템 (ITS)
 자동차 안전 / 첨단 운전자 보조 시스템 (ADAS)
 고고학

 출처 

 전역 
2022년 초에 출시된 FABDEM은 30초 각도 분해능으로 지구 표면의 맨땅 시뮬레이션을 제공한다. GLO-30에서 파생된 이 데이터는 모든 숲과 건물을 제거한다. 이 데이터는 비상업적 용도로는 무료로 다운로드할 수 있으며, 개발자 웹사이트를 통해 상업적 용도로 유료로 다운로드할 수 있다.

대안으로 무료 전역 DEM인 GTOPO30 (30 초 분해능, 적도에서 약 1 킬로미터 간격)을 사용할 수 있지만, 품질이 가변적이며 일부 지역에서는 매우 좋지 않다. 테라 위성의 첨단 우주 영상 반사 및 복사계 (ASTER) 기기에서 얻은 훨씬 고품질의 DEM도 지구의 99%에 대해 무료로 제공되며, 30 미터 해상도로 고도를 나타낸다. 이전에는 미국 영토에만 셔틀 레이더 지형 임무 (SRTM) 데이터를 통해 유사한 고해상도를 사용할 수 있었으며, 나머지 대부분의 행성은 3 초 해상도 (적도에서 약 90 미터 간격)로만 다루어졌다. SRTM은 극지방을 커버하지 않으며, 산악 및 사막 지역에는 데이터 없음(공백) 영역이 있다. 레이더에서 파생된 SRTM 데이터는 최초로 반사된 표면, 즉 종종 나무 꼭대기의 고도를 나타낸다. 따라서 이 데이터는 반드시 지표면을 대표하는 것이 아니라 레이더가 처음 마주치는 모든 것의 상단을 나타낸다.

해저 고도 (수심 측량으로 알려짐) 데이터는 선박에 장착된 수심 탐지기를 사용하여 생성된다. 육상 지형과 수심 측량 데이터를 결합하면 진정한 전역 릴리프 모델이 얻어진다. SRTM30Plus 데이터 세트(NASA 월드 윈드에서 사용됨)는 GTOPO30, SRTM 및 수심 데이터를 결합하여 진정한 전역 고도 모델을 생성하려고 시도한다. Earth2014 전역 지형 및 릴리프 모델은 1분 각도 해상도로 계층화된 지형 그리드를 제공한다. SRTM30plus 외에도 Earth2014는 남극과 그린란드에 대한 빙상 고도 및 기반암(즉, 얼음 아래 지형) 정보를 제공한다. 또 다른 전역 모델은 7.5초 각도 해상도를 가진 GMTED2010 (Global Multi-resolution Terrain Elevation Data 2010)이다. 이 모델은 SRTM 데이터를 기반으로 하며 SRTM 적용 범위를 벗어나는 다른 데이터를 결합한다. 2010년 7월에 시작된 TanDEM-X 위성 임무는 12 m 미만의 위치와 2 m 미만의 고도 정확도를 가진 새로운 전역 DEM을 제공할 예정이다.

가장 일반적인 그리드(래스터) 간격은 50에서 500 미터 사이이다. 예를 들어, 중력 측정에서는 기본 그리드가 50 m일 수 있지만, 약 5 또는 10 킬로미터 거리에서는 100 또는 500 미터로 전환된다.

2002년부터 SPOT 5의 HRS 장비는 1억 제곱킬로미터 이상의 스테레오 쌍을 획득하여 5천만 km2에 걸쳐 DTED2 형식 DEM(30미터 간격)을 제작하는 데 사용되었다. 레이더 위성 RADARSAT-2는 맥도날드, 데트윌러 앤 어소시에이츠가 상업 및 군사 고객을 위한 DEM을 제공하는 데 사용되었다.

2014년에는 TerraSAR-X 및 TanDEM-X 레이더 위성에서 획득한 데이터가 12 미터 해상도의 균일한 전역 적용 범위 형태로 제공될 예정이다.

ALOS는 2016년부터 무료로 전역 1초 DSM을 제공하며, 상업용 5미터 DSM/DTM도 제공한다.

 지역 
많은 국립 매핑 기관들은 자체 DEM을 생산하는데, 종종 더 높은 해상도와 품질을 가지고 있지만, 이들은 종종 구매해야 하며, 그 비용은 일반적으로 공공 기관과 대기업을 제외한 모든 사람에게는 지나치게 비싸다. DEM은 종종 국가 라이다 데이터 세트 프로그램의 산물이다.

화성에도 무료 DEM이 제공된다. 마스 글로벌 서베이어의 화성 궤도 레이저 고도계(MOLA) 장비에서 얻은 MEGDR 또는 임무 실험 그리드 데이터 기록과 NASA의 화성 디지털 지형 모델(DTM)이다.

 웹사이트 
OpenTopography는 고해상도 지구과학 지향 지형 데이터(라이다 및 DEM 데이터)와 상용 및 고성능 컴퓨팅 시스템에서 실행되는 처리 도구, 교육 자료에 접근하기 위한 웹 기반 커뮤니티 자원이다. OpenTopography는 캘리포니아 대학교 샌디에이고의 샌디에이고 슈퍼컴퓨터 센터에 기반을 두고 있으며, 애리조나 주립대학교 지구 및 우주 탐사 학부 및 UNAVCO의 동료들과 협력하여 운영된다. OpenTopography의 핵심 운영 지원은 국립과학재단 지구과학 부서에서 나온다.

OpenDemSearcher는 무료로 사용할 수 있는 중간 및 고해상도 DEM 영역을 시각화하는 지도 클라이언트이다. OpenDemSearcher

 같이 보기 
 경사 및 향 (지상 공간 기울기)
 디지털 노두 모델
 전역 릴리프 모델
 물리 지형 모델
 지형 지도 제작
 지형 렌더링

 DEM 파일 형식 
 수심 속성 그리드 (BAG)
 DTED
 DIMAP Sentinel 1 ESA 데이터베이스
 SDTS DEM
 USGS DEM

 각주 

 더 읽어보기 




 외부 링크 
 DEM 품질 비교
 Terrainmap.com
 Maps-for-free.com
 지리 공간 데이터 획득 
 Elevation Mapper, 지리 참조 고도 지도 생성
 데이터 제품
 스크립스 해양 연구소의 위성 측지학
 NASA/JPL의 셔틀 레이더 지형 임무
 미국 지질조사국의 전역 30초 각도 고도 (GTOPO30)
 미국 지질조사국의 전역 다중 해상도 지형 고도 데이터 2010 (GMTED2010)
 뮌헨 공과대학교의 Earth2014
 Sonny's LiDAR 유럽 수치 지형 모델

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