Digitális magasságmodellek felhasználása Oktatási segédanyag Dr. Szabó Gergely Napjaink térinformatikai feladatai számos esetben megkívánják azt, hogy rendelkezésre álljon digitális felszínmodell egy adott területről, vagy egy létesítményről. Az elmúlt években több olyan felszínmodell is ingyenesen elérhetővé vált, melyek jó felbontása már igen széles körű felhasználást tesz lehetővé. Sokszor találkozhatunk azonban azzal, hogy túlzott pontosságot tulajdonítanak egy adatbázisnak, vagy annak bizonyos tulajdonságait nem veszik figyelembe (pl. a felszíni objektumok magassága). Emellett külön érdekessége e rendszereknek, hogy közülük több már a második kiadásában érhető el, azaz ugyanazon adatbázisnak több verziója is letölthető, melyek kisebb-nagyobb mértékben eltérnek egymástól. E segédanyag azt a célt tűzte ki, hogy segítséget nyújtson a digitális magasságmodellek elemzésében. A Digitális magasságmodellek tipizálása A modell létrejöttétől függően alapvetően két nagy típust különböztetünk meg: a felszíni tereptárgyakat nem tartalmazót nevezzük domborzatmodellnek, míg a tereptárgyakat (pl. fákat, épületeket, stb.) is magában foglalóak általános neve felszínmodell. Domborzatmodellt általában vagy saját terepi felmérésből, vagy térképi adatok (pl. szintvonalak vagy feltüntetett magassági pontok) alapján generálunk. Felszínmodellek általában valamilyen távérzékelés-alapú módszerrel készülnek. Ilyen lehet a LiDAR adatgyűjtés, ahol egy nagy sebességű lézeres letapogatást végzünk, vagy radar-alapú felmérés, de elterjedt módszer a fotogrammetria-alapú felszíngenerálás is. Az ingyenesen elérhető modellek általában felszínmodellek, így a következőkben ilyen adatbázisok feldolgozását mutatjuk be. Az SRTM adatbázisa Az SRTM adatbázist a földfelszín radaros letapogatásával hozták létre az évezred elején. Felbontása az Egyesült Államokban 1 x 1, máshol 3 x 3. Ez utóbbi hazánk területén 90x60 m-nek felel meg, így ha derékszögű vetületi rendszerbe transzformáljuk (pl. EOV), az egyes pixelek transzformáción esnek át, és méretük megváltozik. Ezt a megváltozott oldalméretet a transzformációt végző definiálja (pl. 90x90 m). Az adatbázis néhány hátránya ellenére jól használható (és ingyenesen elérhető) felszínmodell. A következőkben ennek felhasználásával hozunk létre kvantitatív térképeket. Az adatbázis több szoftverben már közvetlenül elérhető, de a következő címről is letölthető: http://dds.cr.usgs.gov/srtm/ Érdemes az SRTM 2-es verzióját használni, de az 1-es verzió is elérhető az alkönyvtárban. Az Európát is tartalmazó SRTM3 könyvtár 1 fokos csempékben tartalmazza a felszíni darabokat. Az adatbázisból az Eperjes-Tokaji hegyvidék déli végén elhelyezkedő, Nagy-Kopasz környékét ábrázoló darabot fogjuk használni, és ennek segítségével hozunk létre kvantitatív térképi rétegeket. Mivel az adatbázis raszter-alapú, így az IDRISI-be importálni nem jelent nehézséget. Az importált SRTM alapesetben az IDRIS256 palettával jelenik meg, de természetesen bármely más gyári, vagy saját készítésű palettát is használhatjuk. A gyári
paletták közül a terrain áll a legközelebb a topográfiai térképek szabvány színeihez, de sajnos ez sem tökéletes, így javasolt, hogy hozzunk létre saját palettát (1. ábra). 1. ábra. Az SRTM saját palettával megjelenítve. Lejtőkategória és lejtőkitettség térképet készíthetünk a GIS Analysis legördülő menü Surface Analysis pontjában található Topographic Variables menüpont Slope vagy Aspect parancsaival (mindkettő ugyanazt a panelt nyitja meg, csupán a felső sor rádiógombja áll máshol). A panelt a 2. ábra mutatja. 2. ábra. A Slope és Aspect panel A felső sorban a Calculate: rádiógombját úgy állítsuk be, hogy mindkét térképet készítse el a szoftver (Slope and aspect). Adjuk meg az SRTM adatbázist bemeneti fájlnak (Input elevation model). A következő sorban írjuk be a leendő lejtőmeredekség térképünk nevét (Output slope image), majd a lejtőkitettség térképünk nevét is (Output aspect image). A lejtőmeredekség térképet a szoftver fokokban és százalékban is ki tudja számolni. A klasszikus geomorfológiai vizsgálatokban inkább a százalékos értékeket használták, de a konkrét feladat dönti el, hogy melyik típust választjuk. A 16-os verzióban ezen a panelen még meg kell adnunk azt is, hogy a koordinátáink és a földrajzi fok között milyen konverziós arány áll fent (Conversion from unspecified to deg). Ennek értéke 1, mert jelen példánkban
az SRTM földrajzi koordinátákkal rendelkezik, tehát már fokban (degree deg) van. Az OK megnyomása után a szoftver elkészíti mindkét térképet (3. ábra). 3. ábra. A lejtőmeredekség és lejtőkitettség térképek. Jegyezzük meg, hogy az eredmény még csupán lejtőmeredekségeket tartalmaz. Ezt a RECLASS modulban átosztályozva jutunk lejtőkategória térképhez. Ugyanez vonatkozik a kitettség-térképre is, hiszen jelenleg csupán egy 0-tól 360-ig változó értékeket tartalmazó rétegünk van (ahol 0 Észak, és a számok K-felé kezdenek növekedni, azimut). A 4/8/16/stbosztatú beosztást ugyancsak a RECLASS paranccsal készíthetjük el. A párbeszédablak felső részén találjuk még az Analytical hillshading pontot. Ezzel domborzatárnyékolást hozhatunk létre, mely remekül megmutatja a mintaterület domborzati viszonyait. A panelen definiálhatjuk a napsugarak beesési szögét (Sun elevation angle ), valamint azok irányát is (Sun azimuth in degrees ). Az elkészült képet érdemes szürkeárnyalatos palettával megjeleníteni (4. ábra).
4. ábra. A domborzatárnyékolás módszere. Egy raszteres felszínmodell (mint amilyen az SRTM is) segítségével a terület szintvonalait is legeneráltathatjuk. Ehhez a GIS Analysis legördülő menü Surface Analysis pontjában található Feature Extraction menüpont CONTOUR parancsát használjuk (5. ábra). 5. ábra. A CONTOUR panel A panel első sorában (input raster image) keressük ki a létező modellünk nevét, a második sorban pedig adjunk egy új nevet. Ez a vektoros állomány fogja tartalmazni a szintvonalakat. A Minimum contour value, valamint a Maximum contour value értékeit a szoftver automatikusan tölti ki a modellben előforduló legkisebb és legnagyobb értékek alapján. Ezeket az esetek döntő többségében módosítanunk kell: egyrészt egész értékre kerekítjük, hogy a szintvonalaink értékei is egészek legyenek, másrészt a minimum értéket úgy módosítsuk, hogy a Contour interval pontnál definiálandó szintvonal-lépésközhöz igazodjon. Példánkban a minimum érték 86,514 m. Mivel hegyek is találhatók a mintaterületen, így a szintvonal lépésköze nem lehet túl alacsony érték, mert egyrészt a vonalak túlzottan sűrűn helyezkednének el, másrészt az SRTM adatbázisnak is behatárolt a pontossága. Itt most 10 m-es lépésközzel fogunk dolgozni. A 86,514 m-es minimum értéket tehát úgy módosítjuk, hogy egyrészt kerekítjük, másrészt, hogy az a 10 m-es lépésközhöz igazodjon. Ezek alapján a Minimum contour value értékét 90-re állítjuk. A panel alsó részén található Generalize contour data pontot érdemes bejelölni, ekkor a szoftver a túlzottan aprólékos szintvonalfutást kissé átlagolja, így a térkép könnyebben értelmezhető lesz. A parancs végrehajtása után megjelenik a szintvonalakat tartalmazó vektoros állomány (6. ábra).
6. ábra. Szintvonalak generálása. A vektoros állományt exportálhatjuk más formátummá (pl. shp vagy dxf). Számos esetben előfordul, hogy keresztszelvényt szeretnénk készíteni egy raszteralapú adatbázisunk pixelértékei alapján. Ehhez a GIS Analysis legördülő menü Database Query pontjában található PROFILE parancsot fogjuk használni. A parancs igen sokoldalú, itt csupán a hagyományosnak mondható, szakasz mentén elhelyezkedő értékek lekérdezését vesszük át. Első feladatként létre kell hoznunk egy vonalat, mely a szelvény alapjául szolgál. Ezt a már megismert módon, a DIGITIZE paranccsal ( ) hozzuk létre úgy, hogy az objektum típusa vonal legyen. A PROFILE panelen a szelvény típusa (Profile type) a bal felső marad (Over space). A két üres sor közül az elsőbe (Vector file containing profile line) a böngészővel kiválasztjuk a szelvény-vonalat, a második sorba (Name of the image to be profiled) pedig azt a raszteres állományt, amelyről a szelvényt készítjük. Hozzuk létre a szelvényt az SRTM adatbázisán a fenti módon. Az így kapott eredményt a 7. ábra mutatja.
7. ábra. Keresztszelvény az SRTM adatbázis egy részletén. Az elkészült szelvényre trendvonalat is illeszthetünk, valamint a Save to clipboard gombbal a vágólapra másolva más szoftverekbe illeszthetjük, vagy elmenthetjük azt. Az egyes modellek esetében fontos kérdés, hogy van-e eltérés közöttük, azaz kell-e számolnunk a különböző modellek és verziók közötti eltérésekkel. Ehhez az IDRISI után a Global Mapper szoftvert fogjuk használni, mert az IDRISI-től eltérően ez a szoftver nem érzékeny a különböző raszterek eltérő pixelméreteire, csupán a földrajzi fedést figyeli. Adatbázisunk egy másik globális modell, az ASTER-GDEM lesz, így vizsgálataink előtt nézzük meg a modell létrejöttének körülményeit. A GDEM adatbázisát az USA és Japán közös fejlesztésének eredményeként 2009-ben publikálták. A TERRA műholdon elhelyezett ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) érzékelő felvételeiből állították elő az 1 szögmásodperces térbeli felbontású, 1 *1 kiterjedésű felszín-csempéket. Minden pixel esetében rendelkezésre áll egy becsült pontossági érték is, mely ugyancsak letölthető. A hibát főként az USA és Japán területén vizsgálták, de néhány más területen is végeztek hibabecslést. Az átlagos mért hibát 0,69 m-nek adták meg. Az adatbázis újragenerált második verzióját 2011 őszén publikálták. Az addig alkalmazott algoritmusokat újakra cserélték, és az előzőnél pontosabb modellt publikáltak. Ennek átlagos hibája 0,2 m. A következőkben megvizsgáljuk a két verzió közötti különbségeket. Ehhez le kell töltenünk a GDEM adatbázisait, melyet a http://gdem.ersdac.jspacesystems.or.jp/ oldalon tehetjük meg, az ingyenes regisztráció után. A Global Mapperben megjelenítve a két verziót, első ránézésre is jól látszanak különbségek (8. ábra).
8. ábra. A GDEM adatbázis 1-es és 2-es verziói A 2-es verzió sokkal dinamikusabb, a lokális változások jelentősebbek, az 1-es verzió ehhez képest kevésbé rögös. Hasonlítsuk össze a két modellt. Ehhez a szoftver Combine Terrain menüpontját fogjuk használni (9. ábra), miután a File legördülő menü Open Data File(s) pontjában megnyitottuk mindkét felszínmodellt. 9. ábra. A Global Mapper Combine Terrain Layer menüpontja A felugró panelen megadjuk, hogy milyen módon szeretnénk összehasonlítani a két réteget. Ebben az esetben a kivonás (Subtraction) alkalmas a vizsgálatunkhoz. A következőkben megadjuk a két összehasonlítandó réteg nevét, majd megnyomjuk az Ok gombot (10. ábra).
10. ábra a Combine Terrai Layer párbeszédablaka Az eredményábrán jól látható, hogy több méter eltérés van a két verzió között, annak ellenére, hogy ugyanabból az adatforrásból készültek. A kurzorral a felszínen mozogva szoftver bal alsó sarkában a mindenkori eltérés értékét láthatjuk (11. ábra). 11. ábra. A GDEM V1 és GDEM V2 különbségtérképe A kapott eredményt a File legördülő menü Export pontjának Export Raster/Image format alpontjával el is menthetjük. Vizsgáljuk meg, hogy a felszínmodellek mennyiben térnek el a valóságtól. Ez utóbbit a 1:10 000 méretarányú EOTR szelvények fogják képviselni, mely alapján elkészítettük a terület domborzatmodelljét (12. ábra).
12. ábra. Az EOTR térképek alapján generált domborzatmodell. A fenti módszerrel különbségeket képezve megállapíthatjuk, hogy a két verzió nemcsak egymáshoz, de a térképi alapú modellhez képest is komoly eltéréseket produkál (13. ábra, bal kép). 13. ábra. A GDEM V1 eltérései az EOTR 10 000 alapján generált modellhez képest A második kiadású modellt kivonva az EOTR felületből az előzőhöz hasonló jellegű, de részleteiben eltérő különbség-térképet kapunk (13. ábra, jobb kép). A kész különbségtérképeket az fentebb leírt módon exportálhatjuk. A különbségek megfigyeléséhez hasznos segítség, ha a modellre ráfeszítjük a hibatérképet. Ehhez nyissuk meg a magasságmodellek valamelyikét, valamint a különbségtérképet. A felső gombsorban található 3D View gomb segítségével valós helyzetben jeleníthetjük meg a különbségek helyeit, megkönnyítve ezzel a problematikus részek azonosítását (14. ábra).
14. ábra. A magasságmodellre feszített hibatérkép 3D nézetben A kutatás a TÁMOP 4.2.4.A/2-11-1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése országos program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.