Sayısal Yükseklik Modelleri (DEM), Sayısal Yüzey Modelleri (DSM) ve Sayısal Arazi Modelleri (DTM) hakkında bilmeniz gereken her şey

Gezegenimiz; dağlar, vadiler, doğal yaşam alanları ve insan yapımı nesnelerle dolu, hareketli bir yer. Sayısal yükseklik verileri, bu yüksek ve alçak noktaları ile nesneleri görünür hale getiriyor.

Yükseklik modellemesi için birçok yöntem vardır. Sayısal Yükseklik Modeli terimi genellikle Sayısal Yüzey Modelleri ve Sayısal Arazi Modellerini kapsayan genel bir terim olarak kullanılır. Bunların hepsini ayrıntılı olarak açıklayacağız.

Sayısal Yükseklik Modelleri nedir?

Sayısal Yükseklik Modeli (Digital Elevation Model-DEM), coğrafi bir alanın topografyasının, coğrafi olarak düzeltilmiş nokta tabanlı veya alan tabanlı bir grid şeklinde üç boyutlu sayısal temsilidir ve Dünya yüzeyinin yüksekliğini ve eğimini kodlar. Şu anda en yaygın DEM’ler dikdörtgen gridler (“diziler”) ve raster görüntü dosyası depolama formatları kullanmaktadır. Üçgen düzensiz ağlar (TIN’ler), eş yükseklik eğrileri ve nokta bulutları gibi sayısal topografya için alternatif yapılar, grid olmadıkları için burada tanımlanan DEM’ler değildir.

DEM’ler nasıl oluşturulur?

Yükseklik verisi elde etmek için genellikle tek bir standart optik görüntü yeterli değildir. Derinliği algılamanın bir yoluna ihtiyacınız vardır. İşte en yaygın yöntemlerden bazıları.

• SAR interferometrisi (diğer adıyla InSAR): Bu yöntem, aynı bölgenin farklı açılardan çekilmiş birden fazla radar görüntüsünü toplamak ve 3 boyutlu bir temsil oluşturmak için sentetik açıklıklı radar (SAR) kullanır.
• Stereo Fotogrametri: InSAR’a benzer, ancak bir uyduya, uçağa veya drone’a monte edilmiş optik bir sensör aracılığıyla aynı alanın birden fazla kez görüntülenmesiyle gerçekleştirilir.
• LiDAR (diğer adıyla Lazer Yükseklik Ölçümü): LiDAR sensörleri lazer ışınları gönderir ve yansıyan ışığı ölçerek Dünya yüzeyinin yüksekliğini belirler. Bu yöntem, raster grid yerine genellikle daha az homojen veri sağlayan bir nokta bulutu oluşturur. Ancak nokta bulutları, daha kolay işleme için raster gridlere dönüştürülebilir.
• Eş yükseklik eğrilerinin sayısallaştırılması: Mevcut bir kontur haritasını kullanarak, CBS yazılımı ile yükseklik verilerini çıkarabilirsiniz.
• Arazi ölçümü: Bilinen XYZ konumları değerlendirilerek, komşu alanlar teodolit, total station, GNSS vb. bir cihaz kullanılarak ölçülür. Bu yöntem kolay değildir: uzman iş gücü, çok fazla zaman ve çok dikkatli girdiler gerektirir.

Sayısal yükseklik modellerinin (DEM) farklı alt türleri vardır. Bunlardan en önemlileri sayısal yüzey modelleri (DSM) ve sayısal arazi modelleridir (DTM).

Sayısal Yüzey Modelleri (DSM’ler) nedir?

Sayısal Yüzey Modeli, bitki örtüsü ve binalar gibi tüm doğal ve insan yapımı yapılarla birlikte bir yüzeyi gösterir. Dünya yüzeyinin üzerinde yükselen tüm nesnelerin yansıtıcı yüzeylerini gösterir.

Özetle, DSM’ler zemini ve üzerindeki tüm nesneleri temsil eder.

DSM’lerin yaygın uygulamaları

DSM’ler yüzeyi ve yer üstündeki tüm özelliklerini temsil ettiğinden, özellikle halihazırda yapılaşmış alanlar zaman içinde değiştiğinde, kentsel planlamada önemlidirler.

DSM’ler, havacılıkta pist yaklaşma bölgesi ihlallerini tespit etmek için idealdir; bu da uçaklar için en güvenli iniş rotalarının belirlenmesi anlamına gelir. Bunun ötesinde,

DSM’ler görselleştirme, afet yönetimi, navigasyon, bitki örtüsü yönetimi, karar verme ve daha birçok alanda kullanılabilir.

Sayısal Arazi Modelleri (DTM) nedir?

Sayısal arazi modelleri, Dünya yüzeyini herhangi bir doğal veya insan yapımı özellik içermeden temsil eder.

Farklı ülkeler arasında bu üç modelin tanımları değişebilir. Ancak en yaygın olarak, DSM’ler doğal ve insan yapımı özellikleri içerirken, DTM’ler içermez.

DSM ve DTM arasındaki farklar, özellikle çok sayıda yüksek binanın bulunduğu yoğun gelişmiş kentsel alanlarda en belirgin şekilde ortaya çıkar.

Manhattan veya Hong Kong Adası gibi yerler, arazinin nasıl ölçülmesi gerektiği ve yüzeydeki nesnelerin etkisini ortadan kaldırmak için yükseklik verilerinin ne kadar düzeltilmesi gerekebileceği konusunda önemli ölçüde etkiye sahip olabilir.

DTM’ler nasıl oluşturulur?

DTM’ler, sayısallaştırılmış eş yükseklik eğrileri ve hatta ağaçların ve binaların yükseklik değerleri ile yerel çevrelerindeki yükseklik değerleri arasındaki farkı kullanan DSM’lerden bile çeşitli yöntemlerle oluşturulabilir.

Bu nedenle, sayısal yükseklik modelleri (DTM’ler), LiDAR’dan stereofotogrametriye, InSAR’dan DGNSS’ye ve arazi ölçümüne kadar, sayısal yükseklik modelleri (DEM’ler) oluşturmak için kullanılan yöntemlerin herhangi birinden, farklı detay seviyelerinde oluşturulabilir.

Peki, DSM’ler ile DTM’ler arasındaki fark nedir?

Aşağıdaki şekiller, DSM’lerin DTM’lerden nasıl farklı olduğunu göstermektedir.

Sayısal yüzey modeli (DSM), çevrenin hem doğal hem de insan yapımı özelliklerini gösterir.

Ancak aşağıda gösterildiği gibi, bir sayısal yükseklik modeli (DTM) yalnızca nehirler ve sırtlar gibi doğal arazi detaylarını korur.

● Termal Kamera Dalga Boyu Aralığı

Termal kameralar 8–14 mikrometre (8000-14.000 nanometre) aralığındaki uzun dalga IR radyasyonu algılar. Nesnelerin yaydığı ısıl radyasyon bu bantta yoğun olduğundan, termal kameralar dış aydınlatmaya ihtiyaç duymaz; tamamen kendi yayılan ısı üzerinden çalışır.

Bir DTM, bir DSM’den türetilebilir, ancak bunun tersi mümkün değildir.

Yer üstü nesnelerinin yükseklik bilgilerini oluşturmak için DSM ve DTM’nin birleştirilmesine genellikle nDSM (normalleştirilmiş Sayısal yüzey modeli) oluşturma denir. Bunun matematiği oldukça basit ve sezgiseldir: DSM – DTM = nDSM.

DSM/DTM’lerin kalitesi ve doğruluğu

DEM türevli ürünlerin kalitesini etkileyen çeşitli faktörler vardır:

• Düşey çözünürlük
• Arazi pürüzlülüğü
• Örnekleme yoğunluğu ve bunun sonucunda ortaya çıkan konumsal çözünürlük veya piksel boyutu
• Arazi analizi algoritması
• İnterpolasyon algoritması
• Kıyı şeridi, kar, bulutlar, su kütleleri vb. hakkında bilgi içeren yüksek kaliteli maskelere sahip referans 3B ürünler.

DEM’lerin yaygın uygulamaları

Sayısal yükseklik modelleri (DEM’ler) genellikle altyapı yönetimi, hidroloji ve akış yönü çalışmaları ile arazi kullanım planlamasında kullanılır.

Özellikle daha büyük konumsal ölçeklerde topografik ve kabartma haritaların eş yükseklik eğrilerinin üretilmesinde son derece kullanışlıdırlar:

• Su akışının veya kütle hareketlerinin (örneğin, toprak kaymalarının) modellenmesi
• Fiziksel modeller oluşturmak (örneğin kabartma haritalar)
• Hava fotoğraflarının veya uydu görüntülerinin düzeltilmesi
• 3 boyutlu görselleştirmelerin oluşturulması
• Yerçekimi ölçümlerinin (örneğin, gravimetri, fiziksel jeodezi) azaltılması (arazi düzeltmesi)
• Fiziksel coğrafya ve jeomorfolojide arazi analizi

Yükseklik verilerini nerede bulabileceğimize geçmeden önce, üç tür arasındaki farkları özetleyelim:

• Sayısal Yükseklik Modeli (DEM), hem DSM’leri hem de DTM’leri kapsayan bir yükseklik modeli terimidir. Genellikle, ölçek ve ortam nedeniyle, DSM ve DTM arasında ayrım yapmak gereksizdir (düşük konumsal çözünürlüklü veri kaynaklarından oluşturulan yükseklik modelleri, küçük farklılıkları zaten algılayamaz).
• Sayısal Yüzey Modeli (DSM), çevrenin hem doğal hem de yapay özelliklerini yakalayan bir yükseklik modelidir. Binaların, ağaçların, elektrik hatlarının ve diğer nesnelerin üst kısımlarını içerir. Genellikle, bu model bir gölgelik modeli olarak görülür ve üzerinde başka hiçbir şey bulunmayan zemini algılar.
• Sayısal Arazi Modeli (DTM), çıplak arazi yükseklik modelidir. DTM’ler, çıplak arazinin üzerinde, kalıcı olanlar da dahil olmak üzere hiçbir özelliği içermez. Bu nedenle, yüzeydeki nesnelerle ilgili yükseklik bilgilerini elde etmek için DSM’lerle eşleştirilebilirler. DTM’ler genellikle DEM’leri güçlendirmek için kullanılır.

DEM’lere nasıl erişebilir, açabilir ve okuyabilirsiniz?

QGIS gibi serbest yazılımlar ile NV5 ENVI ve Catalyst gibi profesyonel uzaktan algılama yazılım araçları, DEM dosyalarını açmanıza ve okumanıza olanak tanır.

DEM’ler hangi formattadır?

Çevrimiçi olarak bol miktarda yükseklik verisi mevcut olduğundan, ihtiyaçlarınıza uygun olanı bulduğunuzda, hemen işe koyulabilirsiniz.

Bildiğimiz gibi, DEM’ler nokta (vektör) veya piksel (raster) içeren dosyalardır ve her nokta veya piksel bir yükseklik değeri içerir. .csv ve .tif’ten .flt ve .dem’e kadar çeşitli dosya formatlarında bulunurlar.

DEM analizinin temelleri nelerdir?

DEM analizi dört temel bileşeni içerir:

1. Veri toplama: Görüntü alımı veya yeryüzünün taranması
2. Veri modelleme: görüntü işleme, fotogrametri, interferometri vb. gibi disiplinler arası yaklaşımlar
3. Veri yönetimi: veri kodlama, veri yapılandırma, konumsal veritabanı tekniği, bilgisayar grafikleri
4. Uygulama geliştirme: şehir planlama, maden yönetimi, ölçme, jeomorfoloji analizi, tesis yönetimi, inşaat mühendisliği, kaynak yönetimi, jeoloji mühendisliği, peyzaj tasarımı, tehlike belirleme ve izleme, hatta bilgisayar oyunları ve füze/uçak navigasyonu

DEM’lerin kullanım ve uygulama alanları, elde edilme yöntemlerinden daha da çeşitlidir. Konum verilerini kullanan hemen hemen her endüstri veya sektör için ilgili ve yararlı olan genel kullanım alanlarından bazıları şunlardır:

• Eğim analizi
• Yön analizi
• Drenaj ağlarının ve su toplama havzalarının sınırlarının belirlenmesi
• Jeolojik yapıların belirlenmesi
• Görüş alanı analizi
• 3B simülasyonlar
• Değişim analizi
• Ortorektifikasyon
• Ek yükseklik eğrisi üretimi

Sayısal yükseklik modelleri oluşturmak için hangi verilere ihtiyacınız var?

DEM’leri oluşturmanın anahtarı, tahmin ettiğiniz gibi, konumsal olarak (X ve Y eksenlerinde) tanımlanan yükseklik verileridir (Z).

Bu yükseklik, genellikle ortalama deniz seviyesi olmak üzere, arazideki rastgele bir referans noktasına göre her zaman normalleştirilir.

Bu, bilinen ve tutarlı bir gözlem referans noktası ve değerlendirilen alanın tutarlı bir ölçüm yöntemi olması gerektiği anlamına gelir.

Yükseklik veri noktalarının nasıl elde edildiği (önceki bölümdeki yakalama yöntemlerine bakın), hangi düzeltmelerin yapılması gerektiğini ve noktaların nasıl enterpolasyonunun yapılması gerektiğini belirler.

Uydular, yörünge tutarlılığı ve her görüntüyle birlikte gelen tüm meta verilerle (örneğin, iz bilgisi ve geliş açısı içeren yörünge dosyası) bilinen gözlem noktasını ve aynı zamanda tutarlı bir elde etme metodolojisini, bir alanı nispeten sürekli olarak tarayarak ve yüksekliği tekdüze bir şekilde ölçerek sunar.

Uydu verilerinden elde edilen DEM’ler söz konusu olduğunda, stereoskopik analiz için optik görüntü setlerinin kullanılması ile interferometrik analiz için radar bilgilerinin kullanılması arasında önemli bir ayrım yapılır.

Sayısal yükseklik modellerinin doğruluğu nedir?

DEM doğruluğu, genellikle DEM noktaları ve referans noktaları karşılaştırılarak hesaplanan yüksekliklerin Karekök Ortalama Kare Hatası (RMSE) hesaplanarak tahmin edilir.

Ancak, DEM’in doğruluğu sadece yükseklik (düşey) bileşeninden ibaret değildir.

DEM doğruluğunu etkileyen faktörler nelerdir?

DEM kalitesi, veri toplama yöntemleri, girdi verilerinin niteliği ve DEM’i geliştirmek için kullanılan teknikler gibi birbiriyle ilişkili çeşitli faktörlere bağlıdır.

DGPS gibi manuel yöntemlerden stereoskopik uydu görüntüleri gibi pasif yöntemlere ve aktif RADAR veya LiDAR toplama yöntemlerine kadar farklı yükseklik verisi toplama yöntemlerinin, dikkat edilmesi gereken kendi önyargıları ve hata kaynakları vardır.

Örneğin, manuel yöntemler örnekleme önyargısına eğilimlidir ve diğer toplama tekniklerinde görülen atmosferik etki veya diğer yaygın önyargılara nadiren maruz kalır.

Manuel olmayan yöntemler için DEM doğruluğunu etkileyen bazı temel faktörlere bakalım:

• Atmosferik ve iyonosferik etki
• Zamansal dekorelasyon
• Eş kayıt hataları
• Faz hataları ve sinyal dekorelasyonu
• “Gölge” etkileri

DEM çözünürlüğü

Belirli bir proje veya uygulama için DEM’in uygunluğunu değerlendirirken her zaman dikkate alınması gereken üç ana çözünürlük türü vardır: uzamsal çözünürlük ve dikey çözünürlük.

• Uzamsal çözünürlük

Uzamsal çözünürlük, örnekleme noktaları arasındaki mesafeye göre belirlenir. Bu mesafe, stereoskopik görüntülerde olduğu gibi nispeten tekdüze, RADAR ve LiDAR’da olduğu gibi biraz tekdüze veya manuel yöntemlerle elde edilen DEM’lerde olduğu gibi oldukça değişken olabilir.

• Düşey çözünürlük

DEM’in en önemli özelliklerinden biri düşey doğruluğu veya düşey çözünürlüğüdür.

Yükseklik verilerinin düşey çözünürlüğü, modellenen veya tespit edilen yükseklik ile yüzeyin gerçek veya zeminde doğrulanmış yüksekliği arasındaki olası yükseklik farkı olarak tanımlanır.

• -Zamansal çözünürlük

DEM seçmeden önce dikkate alınması gereken son bir çözünürlük, zamansal çözünürlüktür, yani DEM’i oluşturmak için kullanılan yükseklik verilerinin ne kadar yakın zamanda elde edildiğidir.

Bu, bazı değişiklik analizleri yapmak istiyorsanız veya bitki örtüsü veya yeni inşaat gibi zamansal olarak oldukça değişken bir şeyi incelemek için DSM kullanıyorsanız özellikle önemlidir.

DEM’lerde düşey hataları nasıl okunur

DEM’lerdeki düşey hatalar genellikle çukurlar veya tepe noktaları olarak sınıflandırılır.

Çukur nedir?

Çukur, daha yüksek rakım değerleriyle çevrili bir alandır. İç drenaj alanı olan çöküntü veya çukur olarak da adlandırılır.

Nereden gelirler? Bazı çukurlar, özellikle buzul bölgelerinde ve obrukların bulunduğu bölgelerde doğal olabilir, ancak çoğu çukur genellikle DEM’deki kusurlardır.

Tepe nedir?

Öte yandan, sivri uç olarak da bilinen tepe, daha düşük değerli hücrelerle çevrili bir alandır.

Bunlar genellikle doğal özelliklerdir ve yukarıda belirtildiği gibi akış yönünün hesaplanmasına daha az zarar verirler.

Çukurlar ve tepeler nereden gelir?

Belirli bir DEM’deki çukur sayısı, genellikle daha kaba çözünürlüklü DEM’lerde daha yüksektir.

Çukurlar ayrıca, yükseklik verilerinin tamsayı olarak depolanmasından da kaynaklanabilir. Bu, düşey kabartmanın düşük olduğu alanlarda sorunlara neden olabilir.

Genellikle, 30 metre çözünürlüklü bir DEM’de hücrelerin %1’inin çukurdan oluştuğunu görebilirsiniz. Bu oran, üç saniyelik bir DEM için %5’e kadar çıkabilir.

DEM’lerde, DEM’in oluşturulması sırasında sistematik örnekleme hatalarından kaynaklanan ve şeritlenme kalıntıları olarak bilinen başka bir hata türü de görebilirsiniz. Bu hata da düz alanlardaki tamsayı verilerinde en belirgin şekilde görülür.

Özet: DEM’ler, DSM’ler ve DTM’ler

Özetlemek gerekirse, Sayısal Yükseklik Modeli veya DEM, düzenli bir yükseklik bilgisi gridine sahip raster veri kümesi için genel bir terimdir. DEM’ler, bir alanın hesaplamaları ve daha ileri analizleri ile yükseklik temelli analizler için yaygın olarak kullanılır.

Sayısal Yüzey Modelleri veya DSM’ler, bitki örtüsü ve binalar gibi doğal ve insan yapımı yapılar dahil olmak üzere bir yüzeyi yakalar. ‘Çıplak toprak’ üzerinde yükselen tüm özelliklerin yansıtıcı yüzeylerini gösterir.

Son olarak, Sayısal Arazi Modelleri veya DTM’ler çıplak toprak yükseklik modelidir ve bu nedenle bitki örtüsü, binalar ve diğer yer üstü nesnelerden arındırılmıştır.

Küresel DEM’leri bulabileceğiniz birçok yer vardır. Ücretsiz uydu verilerinden LiDAR kaynaklarına kadar. .csv ve .tif’ten .txt ve .dem’e kadar çeşitli dosya formatlarında bulunurlar. Yükseklik verileri tarayıcıda doğrudan görüntülenemediğinden, Coğrafi Bilgi Sistemi (CBS) veya başka bir özel uygulama yazılımına ihtiyacınız olacaktır. DEM dosyalarını tanıyan bazı yazılım programları arasında NV5 ENVI, PCI Geomatica Catalyst ve QGIS bulunur.

DEM’ler, acil durum hazırlığı için sel tahmini ve sel etki analizi dahil olmak üzere birçok coğrafi ve hidrolojik modelleme yapmak için kullanılabilir.

Makine öğrenimi algoritmaları, DEM verilerinden daha fazla bilgi elde etmek için uygulanabilir; örneğin, veri boşluklarını doldurmak ve resmi tamamlamak için görüntü doldurma.

Yükseklik verileri, altyapı projeleri, jeoloji çalışmaları, arkeolojik bulgular ve Mars gibi kendi gezegenimiz dışındaki gezegenleri keşfetmek için girdi olarak kullanılabilir.

Dr.Altan YILMAZ