Modele numerice altitudinale ale terenului disponibile liber

Introducere

Utilizarea modelelor numerice altitudinale în diverse domenii, cum ar fi geomorfologia, hidrologia, protecția mediului etc, a devenit mult mai facilă odată cu disponibilitatea din ce în ce mai crescută, în ultimii ani, a acestor modele distribuite în mod gratuit. Procedeul creării MNAT-urilor din hărți topografice este un procedeu ce necesită un mare consum de timp, tocmai din acest motiv posibilitatea reorientarii către surse de altimetrie disponibile liber reprezintă un pas înainte, cel puțin din punct de vedere al economiei de timp.

Articolul de față își propune trecerea în revistă a celor mai importante modele numerice altitudinale ale terenului disponibile în mod gratuit și care au o acoperire globală sau sunt de interes pentru zona României, indiferent de metoda de obținere a acestora (digitizare, stereoscopie, interferometrie etc). Sursele de altimetrie și batimetrie sunt prezentate în ordinea cronologica apariției acestora fiind grupate pe proiecte (în cazul în care un proiect a generat mai multe seturi/versiuni de date). De menționat este și faptul că resursele nu se mărginesc la cele expuse în cadrul acestui material, existând și alte surse de date de altimetrice, atât globale cat și de interes regional sau local. Pentru mai multe amănunte este indicată consultarea sectiunii Resurse.

ETOPO5

Acest set de date (Fig. 1), ce reunește atât informații de altimetrie cat și de batimetrie, reprezintă unul dintre cele mai vechi seturi de date de acest fel, datând din anul 1988 cand Margo Edwards și mai apoi Universitatea din Washington au reusit să integreze informațiile provenite din mai multe surse într-un singur produs cu acoperire globală. ETOPO5 este în prezent distribuit de NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) prin intermediul NGDC (National Geophysical Data Center). Principalele surse pentru acest MNAT au fost următoarele:

• US Naval Oceanographic – pentru zonele oceanice
• US Defense Mapping Agency – pentru SUA, Europa de Vest, Japonia și Corea
• Bureau of Mineral Resources, Australia – Australia
• Department of Industrial and Scientific Research, New Zealand – Noua Zeelandă
• US Navy Fleet Numerical Oceanographic Center

Rezoluția spațială a modelului este de 5 minute de arc (aproximativ 9,2 km la Ecuator), valorile de altitudine sau de adâncime fiind în unități metrice întregi (sunt reprezentate valorile din centrul fiecărei celule). Sistemul de coordonate este World Geodetic System (WGS84). În ceea ce privește acuratețea verticală a ETOPO5, aceasta este în relație directă cu nivelul de calitate al datelor utilizate pentru diferite zone, variind de la 1 m până la 150 m.

Datele sunt disponibile pentru descărcare în format binar prin intermediul unui serviciu de FTP (ETOPO5.DOS sau ETOPO5.DAT). De asemenea datele mai pot fi descărcate și în format GeoTIFF, acestea fiind distribuite de EEA (European Environment Agency).

Fig. 1 – Setul de date ETOPO5

Caracteristici ETOPO5
Rezoluție spațială	5 minute de arc (aproximativ 9,2 km la Ecuator)
Sistem de coordinate	World Geodetic System (WGS84)
Nivel de referință vertical	Mean Sea Level (MSL)
Acuratețe verticală	1-150 m
Extindere	90° N – 90° S, 180° V – 180° E
Anul apariției	1988

ETOPO2v2

NOAA a introdus în 2001 un nou set de date altimetrice și batimetrice sub denumirea de ETOPO2, acesta fiind actualizat în iunie 2006 cu o noua versiune: ETOPO2v2 (Fig. 2), de asemenea cu acoperire globală. Rezoluția este îmbunătățită față de ETOPO5, fiind de 2 minute de arc (aproximativ 3,7 km la Ecuator). Datele sunt disponibile prin intermediul NGDC (în diferite formate: NetCDF, GRD98, ASCII, HDF), existând două tipuri de fișier celulă-raster: unul în care limitele celulelor este reprezentat de valori pare de latitudine și longitudine și cel de-al doilea în care aceste limite sunt date de valori impare de latitudine și longitudine.

Fig. 2 – Setul de date ETOPO2v2

Sursele pe baza cărora a fost creat ETOPO2v2 sunt (Fig. 3):

• Baza de date Smith & Sandwell cu privire la batimetria Oceanului Planetar (rezoluția spațială de 2 minute de arc) din 1978
• Proiectul GLOBE, detaliat în cele ce urmează
• The International Bathymetric Chart of the Atlantic Ocean (IBCAO) – bază de date conținând batimetria zonelor aflate la mai mult de 64° latitudine nordică
• Coastal Relief Model (CRM) – pentru zonele de coastă ale Statelor Unite ale Americii
• Date de batimetrie ale Marilor Lacuri, proprietate a NGDC
• Batimetria Mării Caspice sub formă de izobate; accesibile grație Caspian Environment Programme

Fig. 3 – Sursele de informații pentru ETOPO2v2 (sursa imaginii: NGDC)

Caracteristici ETOPO2v2
Rezoluție spațială	2 minute de arc (aproximativ 3,7 km la Ecuator)
Sistem de coordinate	World Geodetic System (WGS84)
Nivel de referință vertical	Mean Sea Level (MSL)
Extindere	90° N – 90° S, 180° V – 180° E
Anul apariției	2006

ETOPO1

Reprezintă ultima și totodata varianta oficială a seriei ETOPO, lansată de către NOAA în 2009, după o perioadă de prelucrare a datelor începută în august 2008, care a implicat colectarea și aducerea datelor la un numitor comun în ceea ce privește sistemul de coordonate: World Geodetic System (WGS84), precum și armonizarea valorilor de batimetrie și altimetrie în concordanță cu nivelul mării (doar datele referitoare la Marea Caspică au fost supuse acestui ultim proces, fiind modificate cu 28 m pentru a putea fi integrate modelului final, restul datelor fiind deja referențiate față de MSL). Așa cum este declarat în documentația ce insoțește produsul final, setul ETOPO1 (Fig. 4) are ca principale scopuri urmatoarele: prognoza, modelare și avertizarea în caz de tsunami, modelarea circulației oceanice și reprezentarea suprafeței terestre.

Fig. 4 – Setul de date ETOPO1 – reprezentare NOAA (sursa imaginii: NGDC)

Rezoluția spațială este din nou îmbunătățită față de versiunea anterioară, find de 1 minut de arc de cerc (aproximativ 1,8 Km la Ecuator). Un alt aspect de noutate introdus prin ETOPO1 față de ETOPO2v2 și ETOPO5 este și disponibilitatea setului de date globale în două modalități diferite: Ice Surface – valorile de altitudine corespund suprafeței calotelor glaciare în zona Antarcticei și a Groenlandei (Fig. 5) și Bedrock – altitudinile sunt reduse la nivelul rocii de sub calotele glaciare (Fig. 6).

Fig. 5 – Setul de date ETOPO1 – Ice Surface

Fig. 6 – Setul de date ETOPO1 – Bedrock

Sursele care au stat la baza acestei actualizări a seriei ETOPO,în afară de cele utilizate pentru versiunile anterioare și implicit deținute deja de NGDC, au următoarea proveniență:

• Antarctic Digital Database (ADD)
• European Ice Sheet Modeling Initiative (EISMINT)
• Scientific Committee on Antarctic Research (SCAR)
• Japan Oceanographic Data Center (JODC)
• Caspian Environment Programme (CEP)
• Mediterranean Science Commission (CIESM)
• National Aeronautics and Space Administration (NASA)
• National Snow and Ice Data Center (NSIDC)
• Scripps Institute of Oceanography (SIO)
• Leibniz Institute for Baltic Sea Research (LIBSR)

Pentru crearea ETOPO1 au fost folosite mai multe tipuri de informații: delimitarea zonei de coastă, batimetrie, topografie, date ce integrează batimetria și topografia (în zonele de coastă) și informații privind limita inferioară a calotelor glaciare (Fig. 7). Mai multe detalii referitoare la sursele utilizate și la modul de procesare al acestora pot fi obținute de aici. De remarcat este faptul că mare parte din topografie este bazată pe informații derivate din modelul SRTM (în afară de zonele situate la nord de 60° N și la sud de 54° S, pentru care s-a utilizat GLOBE), un atu important față de versiunile anterioare.

Fig. 7 – Sursele de informații utilizate la crearea ETOPO1 (Sursa imaginii: NGDC)

ETOPO1 poate fi de asemenea descărcat prin intermediul NGDC (în diferite formate: NetCDF, GRD98, ASCII, xyz, HDF).

Caracteristici ETOPO1
Rezoluție spațială	30 secunde de arc (aproximativ 1 km la Ecuator)
Sistem de coordinate	World Geodetic System (WGS84)
Nivel de referință vertical	Mean Sea Level (MSL)
Extindere	90° N – 90° S, 180° V – 180° E
Anul apariției	2009

Cu toate ca nu acesta este scopul articolului de față, analizând din punct de vedere calitativ evoluția seriei ETOPO (Fig. 8) putem concluziona următoarele: în mod cert există o îmbunătățire a datelor, cel puțin în ceea ce priveste rezoluția spațială. Dacă privim totuși în zona Dobrogei de Nord putem observa că suprafețe însemnate se află sub nivelul mării (cu valori negative destul de însemnate) și asta chiar în cazul ultimei versiuni, ETOPO1. Cu siguranță însă că aceste mici artefacte pot fi remediate și modelul numeric altitudinal poate fi folosit ulterior, cel puțin pentru reprezentări cartografice.

Fig. 8 – Setul de date ETOPO

DTED (Digital Terrain Elevation Data)

Pentru a putea susține activitățile militare, NGA (National Geospatial-Intelligence Agency) a dezvoltat o serie de modele numerice altitudinale având rezoluții spațiale diferite: DTED 0 (aproximativ 1 km la Ecuator; este singurul set de date de acest fel care a fost pus la dispoziția celor interesați, în mod gratuit) construit pe baza DTED 1 (100 m), iar ultimul MNAT creat este DTED 2 (30 m).

În ceea ce privește DTED 0, acesta are o acuratețe verticală mai mică de 30 m și orizontală de mai puțin de 50 m. Modelul este împărțit pe fișiere cu latura de 1 grad, fără a depăși valorile întregi de latitudine sau longitudine. Rezoluția spațială a modelului DTED 0 variază în ceea ce privește valoarea de longitudine în funcție de latitudine, astfel:

ZONA	Latitudine	Rezoluție
I	0° – 50° Nord – Sud	30 × 30 secunde
II	50° – 70° Nord – Sud	30 × 60 secunde
III	70° – 75° Nord – Sud	30 × 90 secunde
IV	75° – 80° Nord – Sud	30 × 120 secunde
V	90° – 90° Nord – Sud	30 × 180 secunde

Caracteristici DTED 0
Rezoluție spațială	30 secunde de arc
Sistem de coordinate	World Geodetic System (WGS84)
Nivel de referință vertical	Mean Sea Level (MSL)
Acuratețe verticală	< 30 m
Extindere	90° N – 90° S, 180° V – 180° E
Anul apariției	1996

GTOPO30

În anul 1996, o altă instituție nord-americană – USGS (United States Geological Survey), lansează popriul produs de altimetrie (nu conține și date referitoare la batimetrie) ce acoperă întreaga suprafață terestră, GTOPO30 (Fig. 9 și Fig. 10), cu o rezoluție de 30 de secunde de arc (aproximativ 1 km la Ecuator). Elaborarea acestui produs a durat 3 ani de zile. Având în vedere valoarea rezoluției se înțelege că utilizarea GTOPO30 este pretabilă în principal în cazul analizelor și reprezentărilor la nivel global, continental sau regional, folosirea acestui model la scări mari fiind neindicată. Valorile de altitudine (cuprinse în intervalul -407 – 8752) sunt reprezentate în corelație cu MSL – Mean Sea Level.

Fig. 9 – Setul de date GTOPO30

Fig. 9 – Fig. 10 – Detaliu GTOPO30

Pentru descărcarea setului de date, prin intermediu EROS (Earth Resources Observation and Science) Data Center (în formatul DEM, introdus tot de către USGS), acesta a fost împărțit în 33 de tile-uri (Fig. 11).

Fig. 11 – Împarțirea pe tile-uri a setului de date GTOPO30 (Sursa imaginii: USGS)

La baza GTOPO30 stau 8 surse diferite de date (Fig. 12). Ponderea utilizării lor (exprimată în procente din totalul suprafeței terestre) de către USGS se prezintă în felul următor:

• Digital Terrain Elevation Data (DTED): 50.0%
• Digital Chart of the World: 29.9%
• USGS 1-degree DEM’s: 6.7%
• Army Map Service 1:1,000,000-scale maps: 1.1%
• International Map of the World 1:1,000,000-scale maps: 3.7%
• Peru 1:1,000,000-scale map: 0.1%
• New Zealand DEM: 0.2%
• Antarctic Digital Database: 8.3%

Fig. 12 – Sursele de date pentru GTOPO30 (Sursa imaginii: USGS)

Pentru mai multe informații cu privire la GTOPO30 se recomandă citirea documentației oficiale.

Caracteristici GTOPO30
Rezoluție spațială	30 secunde de arc (aproximativ 1 km la Ecuator)
Sistem de coordinate	World Geodetic System (WGS84)
Nivel de referință vertical	Mean Sea Level (MSL)
Acuratețe verticală	aproximativ 30 m
Extindere	90° N – 90° S, 180° V – 180° E
Anul apariției	1996

GLOBE

GLOBE (Global Land One-km Base Elevation) (Fig. 13 și Fig. 14)) reprezintă continuarea eforturilor NOAA, după lansarea în 1988 a ETOPO5, în parteneriat cu alte nume importante din domeniul geospațial, de a produce și a pune la dispoziția utilizatorilor interesați modele numerice altitudinale și în același timp de a spori calitatea acestor seturi de date. De la începutul proiectului și până la lansarea oficială a MNAT-ului în 1999 au trecut 8 ani. Unul dintre principalele motive care au dus la demararea procesului de creare a setului GLOBE a fost necesitatea la momentul respectiv a unui model capabil să susțină eforturile de procesare a imaginilor satelitare. Sedințele de lucru ținute în cadrul acestui proiect au dus, printre altele, și la punerea fundației a ceea ce avea să devină SRTM – Shuttle Radar Topographic Mission. De asemenea, susținătorii proiectului au făcut toate demersurile necesare pentru a convinge DMA (Defense Mapping Agency, actualmente NIMA – National Imagery and Mapping Agency) să lanseze un model altitudinal derivat din DTED 1, ceea ce a dus la apariția DTED de nivel 0.

Fig. 13 – Setul de date GLOBE

Fig. 14 – Detaliu GLOBE

Acuratețea pe verticală variază, ca și în cazul celorlalte modele numerice altitudinale globale, în funcție de sursa utilizată pentru o anumită suprafață și poate varia între 0 și 250 m. Printre sursele principale care stau la baza proiectului GLOBE se numără DTED de nivel 0 și 1 și GTOPO 30 (în total GLOBE combină date provenite din 11 surse de informație – Fig. 15). Dintre actorii principali care au luat parte la proiect enumerăm: NIMA, USGS, DLR , NOAA/NGDC, acesta din urmă fiind și organismul care distribuie datele, în paralel cu AUSLIG – Australian Surveying and Land Information Group (aceasta fiind una dintre condițiile punerii la dispoziție a modelului numeric altitudinal pentru Australia). Modelul numeric altitudinal poate fi descărcat sub formă de tile-uri (16 în total – Fig. 16) în format GeoTIFF de la adresa dedicată. Mai multe detalii cu privire la GLOBE puteți găsi aici.
Se preconizează că urmatoarea versiune – GLOBE 2.0 va conține și date de batimetrie, de asemenea cu acoperire globală.

Fig. 15 – Surse de date pentru GLOBE (Sursa imaginii: NGDC)

Fig. 16 – Împarțirea pe tile-uri a setului de date GLOBE (Sursa imaginii: NGDC)

Caracteristici GLOBE
Rezoluție spațială	30 secunde de arc (aproximativ 1 km la Ecuator)
Sistem de coordinate	World Geodetic System (WGS84)
Nivel de referință vertical	Mean Sea Level (MSL)
Acuratețe verticală	0-250 m
Extindere	90° N – 90° S, 180° V – 180° E
Anul apariției	1999

SRTM

Incontestabil cel mai utilizat model numeric altitudinal, încă de la apariția acestuia în urma misiunii navetei Endeavour din 2000, datele SRTM – Shuttle Radar Topographic Mission (Fig. 17) se detașează de modelele numerice anterioare în principal prin rezoluția spațială net suprioară.Dacă pentru teritoriul SUA este disponibilă varianta de 30 metri, pentru restul lumii (între 60° N și 54° S – Fig. 18) momentan poate fi accesată liber versiunea de 90 m. Întregul proiect a fost coordonat de NASA (National Aeronautics and Space Administration) și NGA (National Geospatial-Intelligence Agency).

Fig. 17 – Detaliu SRTM

Fig. 18 – Gradul de acoperire cu date SRTM (Sursa imaginii: NASA )

Pentru teritoriul României datele SRTM reproiectate în Stereo 70 pot fi descărcate de aici. Tot la pagina respectivă se pot afla mai multe detalii referitoare la setul de date SRTM și la alte posibilităti de accesare a acestora.

Un alt material interesant este și cel de aici, care tratează diferențele existente între versiunea inițială (V1) și cea îmbunătățită (V2), lansată mai tarziu, pentru zona Dobrogei de Nord.

Caracteristici SRTM
Rezoluție spațială	90 m (pentru teritoriul SUA este accesibilă și versiunea de 30 m
Sistem de coordinate	World Geodetic System (WGS84)
Nivel de referință vertical	Mean Sea Level (MSL)
Acuratețe verticală	aprox 10 m
Extindere	60° N – 54° S, 180° V – 180° E
Anul apariției	2000

Concomitent cu preluarea datelor de topografie de către NASA în banda C, pe naveta Endeavour a funcționat și un senzor aparținând Agenției Spațiale Germane – DLR (Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahr), aflată în colaborare cu Agenția Spațială Italiană – ASI (Agenzia Spaziale Italiana) cu ajutorul căruia au fost preluate imagini radar în banda X pe baza cărora a fost creat un model numeric altitudinal superior, din punct de vedere al detaliilor înregistrate, celui distribuit de NASA, cu o rezoluție spațială de aproximativ 25 m la latitudini medii (cum este și cazul României) și cu o acuratețe verticală sporită, de aproximativ 6 m. Acoperirea suprafeței terestre (în limitele 60° N – 54° S) nu este însă completă, lipsind zone însemnate. Pentru România acoperirea este prezentată în Fig. 19.

Fig. 19 – Acoperirea cu SRTM distribuit de DLR pentru România (Sursa imaginii: DLR)

Se pare că, de fapt, achiziția acestor date topografice a avut și un caracter de test pentru ce avea să urmeze și anume lansarea celor doi sateliți TerraSAR-X (2007) și TanDEM-X (2010) a căror misiune de preluare a unor noi date de altimetrie (cu o rezoluție spațială de 12 m și o acuratețe verticală mai bună de 2 m) ar trebui să se finalizeze în 2013.

Datele (Fig. 20) au fost recent făcute publice (decembrie 2010) și pot fi descarcate prin intermediul serviciului EOWEB sub forma unor tile-uri (format DTED) cu latura de 15 minute, împreună cu fișiere (format DTED) ce reprezintă valoarea erorii verticale pentru fiecare locație (Fig. 21). De menționat faptul că DLR SRTM nu a fost rectificat în funcție de corpurile de apă, în consecință linia țărmului nu este definită iar suprafața apei nu apare întotdeauna plană.

Fig. 20 – Detaliu DLR SRTM

Fig. 21 – Reprezentarea acurateței verticale pentru DLR SRTM

Caracteristici DLR SRTM
Rezoluție spațială	aproximativ 25 m pentru latitudini medii
Sistem de coordinate	World Geodetic System (WGS84)
Nivel de referință vertical	Mean Sea Level (MSL)
Acuratețe verticală	aprox 10 m
Extindere	60° N – 54° S, 180° V – 180° E (zona nu este acoperită în întregime, existând goluri importante de date)
Anul apariției	2010

ASTER GDEM

În iunie 2009 este lansat modelul numeric altitudinal ASTER GDEM (Global Digital Elevation Model) – Fig. 22, obținut prin metoda stereoscopiei din imagini satelitare. ASTER reprezintă unul dintre principalii senzori montați pe platforma Terra aparținând NASA.

Fig. 22 – Deatliu ASTER GDEM

La obținerea modelului altimetric din surse ASTER au contribuit atat NASA cât și Ministerul Economiei, Comerțului și Industriei din Japonia (METI ), iar întregul proces a durat aproximativ un an. Datele pot fi descărcate, sub forma unor tile-uri cu latura de 1 grad, din două surse: Earth Remote Sensing Data Analysis Center (ERSDAC ) și Land Processes Distributed Active Archive Center (LP DAAC).

În cursul lunii octombrie 2011 este așteptată lansarea unei noi versiuni, îmbunătățită, a ASTER GDEM (Version 2 ).

Chiar dacă rezoluția spațială este superioarâ celei oferite de modelul SRTM, nu putem concluziona că ASTER GDEM oferă o bază solidă pentru analize și interpretări bazate pe MNAT. De altfel, atât NASA cât și METI sugerează că această primă versiune ar trebui considerată experimentală și având în primul rând o valoare științifică. ASTER GDEM prezintă numeroase artefacte care nu au putut fi eliminate în cadrul primei etape de prelucrare (Fig. 23). Informații suplimentare pe aceasta temă pot fi gasite aici sau aici .

Fig. 23 – Modelul ASTER GDEM prezintă artefacte în unele zone

Caracteristici ASTER GDEM
Rezoluție spațială	30 m
Sistem de coordinate	World Geodetic System (WGS84)
Nivel de referință vertical	Mean Sea Level (MSL)
Acuratețe verticală	20 m
Extindere	83° N – 83° S, 180° V – 180° E
Anul apariției	2009

Concluzii

Atăt numărul, cât și calitatea modelelor numerice altitudinale disponibile liber a crescut mult în decursul ultimelor două decenii. Eforturile depuse de instituții și oraganisme în acest sens vor avea cu siguranță un impact însemnat în acest domeniu, în următoarea perioadă. Seturile de date disponibile momentan satisfac mare parte din necesitățile cu privire la surse de date de altimetrie și batimetrie, însă în mod cert vor fi făcute publice alte modele numerice de o calitate superioară care vor contribui la creșterea eficienței și a calității produselor derivate din MNAT.