デジタル標高モデル
火星のチトニウム・カズマのDTMの3Dレンダリング

デジタル標高モデル（DEM）またはデジタル表層モデル（DSM）は、地形やその上に重なる物体（一般的には惑星、月、小惑星）を表す標高データの3Dコンピュータグラフィックス表現です。 「グローバルDEM」とは 、離散的なグローバルグリッドを指します。DEMは地理情報システム（GIS）でよく使用され、デジタルで作成される地形図の最も一般的な基盤となっています。デジタル地形モデル（DTM）は地表のみを表しますが、DEMとDSMは樹冠や建物の屋根を表すこともあります。

DSMは景観モデリング、都市モデリング、視覚化アプリケーションには有用であるが、DTMは洪水や排水モデリング、土地利用研究[ 1 ]、地質学的アプリケーション[ 2 ]、その他のアプリケーション[ 3 ] 、惑星科学などで必要とされることが多い。

用語

デジタル表層モデルで表現されるサーフェスには、建物やその他のオブジェクトが含まれます。デジタル地形モデルは、露出した地面を表します。

科学文献において、デジタル標高モデル（DEM）、デジタル地形モデル（DTM）、デジタル表層モデル（DSM）という用語が普遍的に使用されているわけではありません。多くの場合、デジタル表層モデルという用語は地球の表面を表し、そこにあるすべての物体を含みます。DSMとは対照的に、デジタル地形モデル（DTM）は植物や建物などの物体を含まない裸地の表面を表します（右図参照）。[ 4 ] [ 5 ]

DEM は DSM および DTM の総称としてよく使用され、[ 6 ]表面についてそれ以上の定義をせずに高さ情報のみを表します。[ 7 ] 他の定義では、DEM と DTM という用語が同じになります。[ 8 ] DEM と DSM という用語が同じになります。[ 9 ] DEM を、他の形態学的要素も表す DTM のサブセットとして定義する場合もあります。 [ 10 ]または、DEM を長方形グリッド、DTM を 3 次元モデル ( TIN ) として定義する場合もあります。[ 11 ] ほとんどのデータ プロバイダー ( USGS、ERSDAC、CGIAR、Spot Image ) は、DSM と DTM の総称として DEM という用語を使用しています。SRTMやASTER GDEMなどの一部のデータセットは元々 DSM ですが、森林地帯では SRTM が樹冠にまで達し、DSM と DTM の中間の値を示します。 DTMは、建物やその他のオブジェクトを除外する複雑なアルゴリズムを使用して高解像度のDSMデータセットから作成されます。このプロセスは「地表抽出」と呼ばれます。[ 12 ] [ 13 ] 以下では、DEMという用語はDSMとDTMの総称として使用されます。

種類

地球の表面（水と氷を含む）の高さマップ。標高は正規化された8ビットグレースケールで示され、明るい値は高い標高を示す。

DEMはラスター（正方形のグリッド、標高を表す場合はハイトマップとも呼ばれる）またはベクターベースの不規則三角網（TIN）として表現できます。[ 14 ] TIN DEMデータセットはプライマリ（計測）DEMとも呼ばれ、ラスターDEMはセカンダリ（計算）DEMと呼ばれます。[ 15 ] DEMは写真測量、LIDAR、IfSARまたはInSAR、土地測量 などの技術によって取得できます（Li et al. 2005）。

DEM は通常、リモート センシング技術を使用して収集されたデータを使用して構築されますが、土地測量から構築される場合もあります。

レンダリング

スペインのシエラネバダ山脈の地形図。標高を示す視覚化ツールとして、陰影と擬似色の両方が使用されている。

デジタル標高モデル自体は数値のマトリックスで構成されていますが、DEMのデータは人間が理解しやすいように視覚的に表現されることがよくあります。この視覚化は、等高線地形図の形で表される場合もあれば、陰影や擬似カラー （または「疑似カラー」）を用いて標高を色で表現する場合もあります（例えば、最低標高を緑、赤に陰影を付け、最高標高を白にするなど）。

視覚化は、斜めから見下ろした地形の合成画像を再構成する斜め図法で行われることもあります。こうした斜め図法では、微妙な標高差を目立たせるために、 「垂直誇張」を用いて標高を誇張することがあります。 [ 16 ]しかし、一部の科学者[ 17 ] [ 18 ]は、垂直誇張は見る人に真の景観について誤解を与えるとして反対しています。

生産

地図作成者はさまざまな方法でデジタル標高モデルを作成しますが、直接の調査データ ではなくリモートセンシングを使用することが多いです。

DEMを生成するための従来の手法では、地表の直接測量によって作成されたデジタル等高線図を補間することがよくあります。この手法は、干渉法が必ずしも十分な結果が得られない山岳地帯で今でも使用されています。等高線データやその他の標高データセット（GPSまたは地上測量による）はDEMではありませんが、デジタル地形モデルと見なすことができます。DEMは、調査対象地域内の各地点で標高が連続的に得られることを意味します。

衛星地図

デジタル標高モデルを生成するための強力な技術の1つは、干渉合成開口レーダーである。これは、レーダー衛星（RADARSAT-1、TerraSAR-X、Cosmo SkyMedなど）の2回の通過、または衛星に2つのアンテナが搭載されている場合は1回の通過で、約10メートルの解像度で数十キロメートル四方のデジタル標高マップを生成するのに十分なデータを収集する。[ 19 ]他の種類の立体ペアは、デジタル画像相関法を使用して採用することができ、これは、飛行機または地球観測衛星（ SPOT5のHRS機器またはASTERのVNIRバンドなど）の同じ通過から異なる角度で撮影された2つの光学画像を取得する。[ 20 ]

SPOT 1号衛星（1986年）は、2パスステレオ相関法を用いて、地球の陸地のかなりの部分について初めて利用可能な標高データを提供しました。その後、欧州リモートセンシング衛星（ERS、1991年）が同じ手法を用いて、シャトルレーダー地形ミッション（SRTM、2000年）がシングルパスSARを用いて、そしてテラ衛星に搭載された先進宇宙搭載熱放射反射放射計（ASTER、2000年）がダブルパスステレオペアを用いて、さらなるデータを提供しました。 [ 20 ]

SPOT 5 の HRS 装置は 1 億平方キロメートルを超える立体画像を取得しました。

惑星地図作成

火星の両半球を示すMOLAデジタル標高モデル。この画像は1999年5月の『サイエンス』誌の表紙に掲載されました。

惑星科学において価値が高まっているツールとして、惑星のデジタル標高マップを作成するために使用される軌道高度測定法があります。このための主要なツールはレーザー高度測定法ですが、レーダー高度測定法も使用されます。[ 21 ]レーザー高度測定法を使用して作成された惑星のデジタル標高マップには、火星の火星探査機レーザー高度計(MOLA) マップ、 [ 22 ]月の月軌道レーザー高度計(LOLA) [ 23 ]と月高度計 (LALT) マップ、水星の水星レーザー高度計 (MLA) マップなどがあります。[ 24 ]惑星マップでは、各惑星には固有の基準面があります。[ 25 ]ニューホライズンズの長距離偵察イメージャーは、ステレオ写真測量法を使用して、冥王星と486958 アロコスの部分的な表面標高マップを作成しました。[ 26 ] [ 27 ]

DEM作成に使用される標高データの取得方法

ゲートウィングX100無人航空機

正確さ

DEMの品質は、各ピクセルにおける標高の精度（絶対精度）と地形の表現精度（相対精度）を測る尺度です。DEMの品質評価は、異なるソースからのDEMを比較することで行うことができます。[ 30 ] DEMから得られる製品の品質には、いくつかの要因が重要な役割を果たします。

  • 地形の粗さ;
  • サンプリング密度（標高データ収集方法）
  • グリッド解像度またはピクセルサイズ。
  • 補間アルゴリズム;
  • 垂直解像度;
  • 地形解析アルゴリズム;
  • リファレンス 3D 製品には、海岸線、湖、雪、雲、相関関係などの情報を提供する高品質のマスクが含まれています。

用途

コロラド州レッドロックス野外劇場のデジタル標高モデル（無人航空機による撮影）
丘の頂上から200メートル上空を飛行するPteryx UAVを使用して取得したベズミエホヴァ飛行場の3Dデジタル表面モデル
高速道路インターチェンジ建設現場のデジタルサーフェスモデル。トンネルは閉鎖されていることに注意してください。
ゲートウィングX100でアッセネデを飛行したDEMの例
デジタル地形モデルジェネレーター + テクスチャ（マップ） + ベクター

DEM の一般的な用途は次のとおりです。

出典

グローバル

2022年初頭にリリースされたFABDEMは、地球表面の地表シミュレーションを1秒角（約30メートル）の解像度で提供します。GLO-30を改変したこのデータは、森林と建物をすべて除去しています。データは非商用目的では無料でダウンロードでき、商用利用の場合は開発者のウェブサイトから有料でダウンロードできます。

代替の無料のグローバル DEM としてGTOPO30 (解像度30秒角 、 赤道に沿って約 1  km ) がありますが、品質が変動し、一部の領域では非常に劣悪です。Terra衛星の Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) 機器によるはるかに高品質の DEM も、地球の 99% で無料で利用でき、30メートルの解像度で標高を表します。同様に高い解像度は、以前はシャトル レーダー地形ミッション (SRTM) データの下で米国領土でのみ利用できましたが、地球の残りの大部分は 3 秒角の解像度 (赤道に沿って約 90 メートル) でのみカバーされていました。SRTM は極地域をカバーしておらず、山岳地帯や砂漠にはデータがない (空白の) 領域があります。SRTM データはレーダーから取得されるため、最初に反射した表面 (多くの場合、樹冠) の標高を表します。そのため、データは必ずしも地表を表すわけではなく、レーダーが最初に遭遇したものの最上部を表します。

海底標高（測深データとして知られる）データは、船舶搭載の深度測深機を用いて生成される。陸上の地形と測深データを組み合わせることで、真に地球規模の起伏モデル が得られる。SRTM30Plusデータセット（NASA World Windで使用）は、GTOPO30、SRTM、測深データを組み合わせて、真に地球規模の標高モデルを作成しようとしている。[ 33 ] Earth2014地球規模の地形と起伏モデル[ 34 ]は、1分角の解像度で階層化された地形グリッドを提供する。SRTM30plus以外に、Earth2014は南極大陸とグリーンランドの氷床の高さと岩盤（つまり、氷の下の地形）に関する情報を提供する。もう1つの地球規模モデルは、7.5秒角の解像度を持つGlobal Multi-resolution Terrain Elevation Data 2010（GMTED2010）である。これはSRTMデータに基づいており、SRTMの範囲外の他のデータを組み合わせている。 2010 年 7 月に開始されたTanDEM-X衛星ミッションにより、12 メートル未満の標高と 2 メートル未満の高度精度を持つ新しいグローバル DEM が期待されています。

最も一般的なグリッド（ラスター）間隔は50メートルから500メートルです。例えば重力測定では、基本グリッドは50メートルですが、約5キロメートルまたは10キロメートルの距離では100メートルまたは500メートルに切り替わります。

2002年以来、SPOT5号のHRS装置は1億平方キロメートル以上のステレオペアを取得し、5000万km2を超える範囲でDTED2形式のDEM（30メートルポスティング付き）を作成するために使用されました。 [ 35 ]レーダー衛星RADARSAT-2は、マクドナルド・デトワイラー・アンド・アソシエイツ社によって商業および軍事顧客にDEMを提供するために使用されています。[ 36 ]

2014年には、レーダー衛星TerraSAR-XとTanDEM-Xから取得したデータが、12メートルの解像度で均一な地球規模のカバレッジの形で利用可能になる。[ 37 ]

ALOSは2016年から全球1秒角DSMを無償で提供しており[ 38 ]、商用の5メートルDSM/DTMも提供している[ 39 ] 。

地元

多くの国の地図作成機関は、独自のDEM（数値地図）を作成しており、解像度と品質が高いものが多いものの、多くの場合、購入が必要となるため、公的機関や大企業以外にとってはコストが高すぎるのが現状です。DEMは、多くの場合、国のLIDARデータセットプログラムの成果物です。

火星の無料のDEMも利用可能であり、マーズ・グローバル・サーベイヤーの火星周回衛星レーザー高度計（MOLA）機器からのMEGDR（ミッション実験グリッドデータレコード）とNASAの火星デジタル地形モデル（DTM）があります。[ 40 ]

ウェブサイト

OpenTopography [ 41 ]は、高解像度の地球科学指向の地形データ（LIDARおよびDEMデータ）と、汎用および高性能コンピューティングシステムで実行される処理ツール、および教育リソースにアクセスできるWebベースのコミュニティリソースです。[ 42 ] OpenTopographyは、カリフォルニア大学サンディエゴ校のサンディエゴスーパーコンピュータセンター[ 43 ]を拠点とし、アリゾナ州立大学の地球宇宙探査学部およびUNAVCOの同僚と共同で運営されています。[ 44 ] OpenTopographyのコア運用サポートは、米国国立科学財団の地球科学部門が行っています。

OpenDemSearcherは、無料で利用できる中高解像度のDEMを使って地域を視覚化するマップクライアントです。[ 45 ]

月探査衛星ルナ・オービターのレーザー高度計のデータを使用してレンダリングされた、標高を10倍に誇張した月のSTL 3Dモデル

参照

DEMファイル形式

参考文献

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さらに読む

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