2017年3月29日

地形數値化是什麼?

作者/林錫慶,現任職於財團法人國家實驗研究院國家高速網路與計算中心,主要工作為環境與災防相關的技術開發與服務平台的規劃與設計、施奕良,任職於財團法人國家實驗研究院國家高速網路與計算中心,負責環境資訊技術分析應用,主要研究方向為空間資訊分析與遙測影像處理技術。
圖一:等高線繪製。

該如何描述眼前所見到的地貌呢?

假設,你眼前有一座高山,那麼如果請你用口語化方式來描述眼前的地形起伏,你又會如何描述呢?是說巍峨高山嗎?或者是一座1200 公尺高的山?這都是一種描述方式,但都僅止於籠統概念,如果要再進階地描述,你可能就會說它共有三條登山步道,山頂有一個小湖泊,然而這些都不夠精確。

聰明的科學家用了一個很棒的點子,從空中俯瞰把地形平均分成很多細小的網格,並且把每個網格填入相對應的高度值,以平均值或者取樣點值作為高度值,這樣就可以很詳細地描述這座山的起伏了,這就是數值地形模型的概念。

圖二:藉由Google Earth,從上空觀看擎天崗磺嘴山生態保護區的實際景象。(作者提供)

如何製作數值地形?
我們先來回憶一下地理課時畫等高線的經驗吧。假設有一座山,通常老師會給我們一個平面的等高線地形圖,請各位同學試著把它的高度畫出來,來探索地形起伏,結果大概會長得像圖一。

這可以很容易的讓大家判斷地形的起伏與走勢,但總讓人覺得有點單調。而且,如果想看其他地方的地形起伏,還得要再另外畫好幾條線段。讓我們試著從空中俯瞰這座山並試著描繪它的輪廓(圖二)。

圖三:地形起伏紀錄,左下角方格的高度為710 公尺。(作者提供)
我們試著把剛剛從空中看到的景象覆蓋一個棋盤格,把一整個磺嘴山切成很多小方格,而每一個小方格都能代表著某一個特定範圍內的地形起伏。

試著用高度值來紀錄每一個方格內的地形起伏,例如:記錄左下角方格內的高度值為710 公尺(圖三)。雖然方格內高度仍有連續起伏,數位化就是把該方格內用一個高度值── 710公尺記錄下來。假設每一個方格是40×40 公尺大小,換句話說,我們每40 公尺的距離就紀錄一次地形的起伏狀況,如此可以完整紀錄整個磺嘴山的地形起伏。而格子愈小,記錄的高度變化就愈精細。

數值地形模型的概念
圖四:以規則網格記錄立體高度。(作者提供)
數值地形模型(Digital Terrain Model,DTM) 為數值地表模型(Digital Surface Model, DSM)與數值高程模型(Digital Elevation Model, DEM)的統稱,最早是美國麻省理工學院教授米勒(Charles L. Miller)於1958
年提出這樣的想法。數值地表模型包含地表上所有地貌例如地表植被(草地)、森林覆蓋、人工構造物(建築物、橋樑)與人工作物等所組成的地面高度;而數值高程模型僅表示地面高度而不去定義附著在地表上的任何資訊。

圖五:以不規則三角網格紀錄立體高度。(作者提供)

數值地形紀錄的內容主要包含X坐標、Y坐標與高度值Z,目前常用的儲存方式包含:以規則的網格點儲存高度資訊(圖四);以不規則三角網儲存高度資訊(圖五)。由於不規則三角網依據地形的起伏取樣紀錄:越密代表地形起伏變化越大,越舒緩代表地形越平坦,相較於規則網格資料,可以更清楚的紀錄地形起伏狀況。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第568期】

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