DEM과 TIN
3-1 3차원 지형모델링
1. 수치표고모형
지표면은 수학적으로 연속적인 면이라 할 수 있는데 이러한 지표면을 묘사하기 위해서는 일정량의 점을 선택하고 보간법을 사용하여 지표면의 수치모델을 생성하다.
컴퓨터를 이용하여 보간을 수행할 때 가장 어려운 점은 불충분한 데이터와 관측 오차에 의해서 발생하는 문제들이며 지표면을 묘사하는데 사용되는 데이터 구조에는 TIN(Triangulated Irregular Networks), 규칙적 간격의 그리드, 등고선의 3가지가 있다.
수치표고모형은 수치지형 또는 수심측량 데이터에 관한 일반적인 용어로서 DEM(Digital Elevation Models)이라하는데, 일반적으로 식생과 인공지물을 포함 하지 않는 지형만의 높이를 의미하며, 강, 호수의 DEM 높이값은 수표면을 나타냄
DEM은 일반적으로 DTM(Digital Terrain Model)과 비슷한 의미로 사용된다.
2. TIN(Triangulated Irregular Network)
TIN은 불규칙적인 x, y좌표와 z값의 간격으로부터 계산된 삼각형의 집합으로서 서로 겹치지 않음
TIN은 경사, 각도, 표면적, 길이의 계산, 부피측정과 토공량 분석, 등고선 생성, 표면 z값의 보간 등에 유용하다.
도랑이나 하천의 중앙선, 제방, 봉우리와 같은 작은 개체의 정확한 위치를 나타낼 경우에는 DEM 보다 TIN을 사용하면더 정확하게 모델링이 가능하다.
TIN의 벡터 데이터 구조는 질점(mass point)과 분리선으로 처리된 불규칙한 간격의 점, 선, 면 데이터에 기초하며 삼각형과 인접한 개체의 위상관계를 저장하다.
3. 등고선의 표현
등고선이란 평면에서 같은 표고를 가진 선을 말한다. 등고선은 고도의 시각적인 정보 컨텐츠를 가지고 있기 때문에 이차원으로 인쇄된 지도에서 평면의 변화와 높이를 아주 잘 표현하다.
예전에는 각 지점에 대한 표고를 수동으로 해석하여 손으로 직접 그려서 등고선을 생성하였으나, 최근에 와서는 사진측정학적 편집을 통하여 생성
현재 대부분의 GIS 소프트웨어는 등고선을 생성할 수 있는 기능이 포하다.되어 있다.
4. 지형의 시각화와 분석
시각은 사람에게 중요한 감각이며 일반적으로 시각을 통해 많은 정보를 얻는데 디지털 지형 모델은 컴퓨터를 기반으로
구현되고 분석된다는 이점이 있기 때문에 매우 높은 시각화 능력을 갖고 있다.
시각화와 더불어 지형자료는 공간분석을 수행할 때 매우 유용하며 지형 자료의 분석으로 생성된 대부분의 정보는
지리정보시스템에서 입지선정 모델의 입력자료로 생성된다.
문제가 새로운 길, 도시 또는 주거시설을 짓기 위한 최상의 위치를 찾는다거나, 특정한 동물 또는 식물종을 찾기 위한 최적의
장소를 인식하는 등 지형 자료의 분석은 항상 중요한 요인이 되고 있다.
3-2 수치표고모형
1. DEM의 생성
수치표고모형은 수치 지형 또는 수심측량 데이터에 관한 일반적인 용어로써 DEM(Digital Elevation Models)이라고도 하며 일반적으로 DEM은 식생과 인공지물을 포하다.하지 않는 지형만의 표고값을 의미하고 수치표고모형은 일반적으로 표고 자료와 형태학적 정보로 구성되어 있다.
현재, 대부분의 수치표고모형 자료는 다음과 같은 네 가지 방법으로 수집된다.
- 지상측량
- 사진측정학적 방법
- 수치지도
- RADAR, LiDAR, sonar
이상의 네 가지 방법으로 취득한 표본 데이터로부터 그리드 모델을 생성하기 위해서는 일정한 위치에서 입력된 데이터에 기초한 자료가 필요한데 표본 데이터로부터 그리드 모델을 생성하는 기법은 다양하나 입력 데이터와 모델링된 표면이 각각 다른 특성을 가지고 있기 때문에 일반적으로 보간법을 사용하다.
2. DEM의 정확도 평가
DEM의 특성을 기술하는데 사용되는 품질 측정 변수는 응용에 필요한 실제 데이터의 요구사항과 유용성 문제에 역점을 두는 것의 2가지 범주로 나눌 수 있다.
효과적인 품질측정 시스템은 DEM 생성시 무엇을 고려해야 하는가를 알려줌
DEM에 사용된 품질측정 시스템은 자료의 취득과 생성 등 다양한 단계의 데이터 완성도를 측정하는데 적합해야 하다.
일반적으로 데이터가 센서에서 얻어지기 때문에, 품질측정 시스템의 디자인은 센서의 특성에 맞도록 고안된다.
미지의 지상기준에 대한 DEM을 평가하는 데에는 센서의 특정 유형에 관한 질적인 문제를 이해할 필요가 있다.
3. DEM의 응용
매핑 : 평면도, 지형도, 수치정사사진, 침수비율도(FIRM), 습지지도, 이다.야도, 국가도, Corridor Map
교통분야 : 교통과 안전, 비행과 안전, 항해와 안전
수중분야 : 자원 관리, 해저지형학, 수중 고고학
기타 공학분야 : 해안 기술, 물의 공급과 질, 폭풍우 관리,
군사분야
상업분야 : 농장 경영, 여가,
3-3 불규칙삼각망
- TIN의 해석
규칙 사각격자에서는 지형의 모든 부분에 직접 접근하며 x, y 좌표를 가진 어느 점의 표고를 알고자 한다면 이 좌표들이 인덱스값으로 2차원적 배열에 기록된다.
TIN은 포인터 구조이기 때문에 TIN에서 이 방법은 쉽지 않으며 좌표가 정해진 point의 표고를 알고자 한다면 각 삼각형을 검증하는 방법이 있으나 이 방법은 다소 효율이 떨어짐
특정한 점에서 TIN에 접근하는 3가지 방법을 요약하면 다음과 같음
- 쿼드트리를 이용한 방법
- 평면상 점의 위치를 이용한 방법
- Jump-and-Walk strategy
2. 지형에서의 수학적 계산
지형에서의 차(subtracting)는 제거된 지형의 고도값 앞에 마이너스 부호를 붙인 것과 같음
Piecewise linear 하다.수의 결합이 다시 Piecewise linear 하다.수를 산출하기 때문에 두 TIN의 결합은 정확히 수행되며, 새로운 TIN에 저장된다.
3. TIN에서 등고선 계산
수치표고모델로부터 획득할 수 있는 가장 유용한 구조 중의 하나는 등고선으로, 표고데이터를 시각화하는 가장 흔하고 자연스러운 방법이다.
등고선은 주로 입지계획에 응용되는데 새로운 입지가 선정될 때의 요구사항 중 하나는 1000m 미만의 표고의 입지가 될 것
GIS에 의한 공간 질의는 적어도 특정 표고를 가진 형태의 객체를 요구할 것인데 여기서는 주어진 표고를 가진 선분과 연결시키기 위해 등고선이란 용어 사용하다.
TIN에서 등고선을 결정하기 위한 방법
- 첫 번째 방법은 등고선을 결정하기 위해 TIN을 스캔하는 것
- 두 번째 방법은 등고선을 더 효율적으로 찾아낼 수 있도록 처리하는 것이다.
cf. 여기서 최종적인 문제는 등고선이 잘 표현되도록 표고를 선택하는 것으로, 이는 분류의 한 형태이다.
4. TIN의 시각화
GIS가 수행해야 할 기본적인 작업단계 중의 하나가 지리 데이터의 시각화인데 데이터를 시각화하는 방법은 지형에 사용된 표현, 즉 수치표고모델에 기반하다.
TIN은 Z-monotone의 표면을 형성하는 3차원 공간의 삼각형 집합으로 간주된다.
3-4 등고선
1. 등고선의 개념
등고선은 지표면의 동일 해발고도점을 연결한 선으로 계곡선(計曲線), 주곡선(主曲線), 간곡선(間曲線), 조곡선(助曲線) 등이 있다.
우리나라의 1:50,000 지형도에서 계곡선, 주곡선, 간곡선의 등고선간격은 각각 100m, 20m, 10m이다.
등고선은 지형을 수평면으로 절단하였을 때 절단된 선이 투영면상에 정사 투영된 곡선이므로 등고선은 같은 같은 표고를 가지고 있는 점들을 연결한 곡선이다.
동일 등고선 상에 있는 모든 점의 높이값은 동일하며 반드시 폐합되며 도중에 끊어지지 않음
절벽과 동굴지역을 제외하면 절대 교차하거나 만나지 않으며 일반적으로 경사가 같은 곳에서는 등고선 간격이 같으며 경사가 급한 곳에서는 간격이 좁고, 경사가 완만한 곳에서는 넓고 등고선 간의 최단 거리 방향은 최대 경사의 방향을 나타냄
2. 등고선의 계산
등고선의 선분은 가장 가파른 경사의 첫 번째 방향을 측정하다.으로써 결정되는데 데이터 포인트의 작은 neighborhood에 대하여 작업자는 육안으로 수행할 수 있으므로 수직으로 경사선을 교차하는 level curve의 방향을 측정할 수 있다.
좀 더 객관적으로 최대경사의 방향은 인접한 데이터간의 3차원 경사 계산을 비교하다.으로써 측정되며 경사는 데이터 사이의 거리에 역수를 취하여 곱해진 높이 차이고 등고선은 정확한 각도에서 최대경사선을 교차해야 하다.
3. 등고선의 시각화
GIS는 도시계획, 자원관리, 환경관리, 재해정보 관리, 마케팅, 토지관리, 군사정보 시스템 등 다양한 분야에서 활용되고 있으나 2차원의 자료만으로는 정보 전달이나 그 응용분야에 한계가 있다.
특히 지리정보를 이용하는 각종 시뮬레이터 및 가상현실 시스템의 응용분야가 증가하다.에 따라 실제 지형을 정확하게 표현하기 위한 지형의 3차원 시각화의 필요성이 증가하고 있다.
3차원 지형의 시각화는 컴퓨터 그래픽스, 데이터베이스 기술, 공간객체 모델링 등의 기술이 통합적으로 요구되는데 현재 지형의 3차원 시각화는 그래픽 도구를 이용하여 가상의 이미지를 생성하는 방법과 실측 지형 데이터를 사용하는 방법 두 방법의 혼합형 등으로 나눌 수 있다.
DEM과 TIN
3-1 3차원 지형모델링
1. 수치표고모형
지표면은 수학적으로 연속적인 면이라 할 수 있는데 이러한 지표면을 묘사하기 위해서는 일정량의 점을 선택하고 보간법을 사용하여 지표면의 수치모델을 생성하다.
컴퓨터를 이용하여 보간을 수행할 때 가장 어려운 점은 불충분한 데이터와 관측 오차에 의해서 발생하는 문제들이며 지표면을 묘사하는데 사용되는 데이터 구조에는 TIN(Triangulated Irregular Networks), 규칙적 간격의 그리드, 등고선의 3가지가 있다.
수치표고모형은 수치지형 또는 수심측량 데이터에 관한 일반적인 용어로서 DEM(Digital Elevation Models)이라하는데, 일반적으로 식생과 인공지물을 포함 하지 않는 지형만의 높이를 의미하며, 강, 호수의 DEM 높이값은 수표면을 나타냄
DEM은 일반적으로 DTM(Digital Terrain Model)과 비슷한 의미로 사용된다.
2. TIN(Triangulated Irregular Network)
TIN은 불규칙적인 x, y좌표와 z값의 간격으로부터 계산된 삼각형의 집합으로서 서로 겹치지 않음
TIN은 경사, 각도, 표면적, 길이의 계산, 부피측정과 토공량 분석, 등고선 생성, 표면 z값의 보간 등에 유용하다.
도랑이나 하천의 중앙선, 제방, 봉우리와 같은 작은 개체의 정확한 위치를 나타낼 경우에는 DEM 보다 TIN을 사용하면더 정확하게 모델링이 가능하다.
TIN의 벡터 데이터 구조는 질점(mass point)과 분리선으로 처리된 불규칙한 간격의 점, 선, 면 데이터에 기초하며 삼각형과 인접한 개체의 위상관계를 저장하다.
3. 등고선의 표현
등고선이란 평면에서 같은 표고를 가진 선을 말한다. 등고선은 고도의 시각적인 정보 컨텐츠를 가지고 있기 때문에 이차원으로 인쇄된 지도에서 평면의 변화와 높이를 아주 잘 표현하다.
예전에는 각 지점에 대한 표고를 수동으로 해석하여 손으로 직접 그려서 등고선을 생성하였으나, 최근에 와서는 사진측정학적 편집을 통하여 생성
현재 대부분의 GIS 소프트웨어는 등고선을 생성할 수 있는 기능이 포하다.되어 있다.
4. 지형의 시각화와 분석
시각은 사람에게 중요한 감각이며 일반적으로 시각을 통해 많은 정보를 얻는데 디지털 지형 모델은 컴퓨터를 기반으로
구현되고 분석된다는 이점이 있기 때문에 매우 높은 시각화 능력을 갖고 있다.
시각화와 더불어 지형자료는 공간분석을 수행할 때 매우 유용하며 지형 자료의 분석으로 생성된 대부분의 정보는
지리정보시스템에서 입지선정 모델의 입력자료로 생성된다.
문제가 새로운 길, 도시 또는 주거시설을 짓기 위한 최상의 위치를 찾는다거나, 특정한 동물 또는 식물종을 찾기 위한 최적의
장소를 인식하는 등 지형 자료의 분석은 항상 중요한 요인이 되고 있다.
3-2 수치표고모형
1. DEM의 생성
수치표고모형은 수치 지형 또는 수심측량 데이터에 관한 일반적인 용어로써 DEM(Digital Elevation Models)이라고도 하며 일반적으로 DEM은 식생과 인공지물을 포하다.하지 않는 지형만의 표고값을 의미하고 수치표고모형은 일반적으로 표고 자료와 형태학적 정보로 구성되어 있다.
현재, 대부분의 수치표고모형 자료는 다음과 같은 네 가지 방법으로 수집된다.
- 지상측량
- 사진측정학적 방법
- 수치지도
- RADAR, LiDAR, sonar
이상의 네 가지 방법으로 취득한 표본 데이터로부터 그리드 모델을 생성하기 위해서는 일정한 위치에서 입력된 데이터에 기초한 자료가 필요한데 표본 데이터로부터 그리드 모델을 생성하는 기법은 다양하나 입력 데이터와 모델링된 표면이 각각 다른 특성을 가지고 있기 때문에 일반적으로 보간법을 사용하다.
2. DEM의 정확도 평가
DEM의 특성을 기술하는데 사용되는 품질 측정 변수는 응용에 필요한 실제 데이터의 요구사항과 유용성 문제에 역점을 두는 것의 2가지 범주로 나눌 수 있다.
효과적인 품질측정 시스템은 DEM 생성시 무엇을 고려해야 하는가를 알려줌
DEM에 사용된 품질측정 시스템은 자료의 취득과 생성 등 다양한 단계의 데이터 완성도를 측정하는데 적합해야 하다.
일반적으로 데이터가 센서에서 얻어지기 때문에, 품질측정 시스템의 디자인은 센서의 특성에 맞도록 고안된다.
미지의 지상기준에 대한 DEM을 평가하는 데에는 센서의 특정 유형에 관한 질적인 문제를 이해할 필요가 있다.
3. DEM의 응용
매핑 : 평면도, 지형도, 수치정사사진, 침수비율도(FIRM), 습지지도, 이다.야도, 국가도, Corridor Map
교통분야 : 교통과 안전, 비행과 안전, 항해와 안전
수중분야 : 자원 관리, 해저지형학, 수중 고고학
기타 공학분야 : 해안 기술, 물의 공급과 질, 폭풍우 관리,
군사분야
상업분야 : 농장 경영, 여가,
3-3 불규칙삼각망
규칙 사각격자에서는 지형의 모든 부분에 직접 접근하며 x, y 좌표를 가진 어느 점의 표고를 알고자 한다면 이 좌표들이 인덱스값으로 2차원적 배열에 기록된다.
TIN은 포인터 구조이기 때문에 TIN에서 이 방법은 쉽지 않으며 좌표가 정해진 point의 표고를 알고자 한다면 각 삼각형을 검증하는 방법이 있으나 이 방법은 다소 효율이 떨어짐
특정한 점에서 TIN에 접근하는 3가지 방법을 요약하면 다음과 같음
- 쿼드트리를 이용한 방법
- 평면상 점의 위치를 이용한 방법
- Jump-and-Walk strategy
2. 지형에서의 수학적 계산
지형에서의 차(subtracting)는 제거된 지형의 고도값 앞에 마이너스 부호를 붙인 것과 같음
Piecewise linear 하다.수의 결합이 다시 Piecewise linear 하다.수를 산출하기 때문에 두 TIN의 결합은 정확히 수행되며, 새로운 TIN에 저장된다.
3. TIN에서 등고선 계산
수치표고모델로부터 획득할 수 있는 가장 유용한 구조 중의 하나는 등고선으로, 표고데이터를 시각화하는 가장 흔하고 자연스러운 방법이다.
등고선은 주로 입지계획에 응용되는데 새로운 입지가 선정될 때의 요구사항 중 하나는 1000m 미만의 표고의 입지가 될 것
GIS에 의한 공간 질의는 적어도 특정 표고를 가진 형태의 객체를 요구할 것인데 여기서는 주어진 표고를 가진 선분과 연결시키기 위해 등고선이란 용어 사용하다.
TIN에서 등고선을 결정하기 위한 방법
- 첫 번째 방법은 등고선을 결정하기 위해 TIN을 스캔하는 것
- 두 번째 방법은 등고선을 더 효율적으로 찾아낼 수 있도록 처리하는 것이다.
cf. 여기서 최종적인 문제는 등고선이 잘 표현되도록 표고를 선택하는 것으로, 이는 분류의 한 형태이다.
4. TIN의 시각화
GIS가 수행해야 할 기본적인 작업단계 중의 하나가 지리 데이터의 시각화인데 데이터를 시각화하는 방법은 지형에 사용된 표현, 즉 수치표고모델에 기반하다.
TIN은 Z-monotone의 표면을 형성하는 3차원 공간의 삼각형 집합으로 간주된다.
3-4 등고선
1. 등고선의 개념
등고선은 지표면의 동일 해발고도점을 연결한 선으로 계곡선(計曲線), 주곡선(主曲線), 간곡선(間曲線), 조곡선(助曲線) 등이 있다.
우리나라의 1:50,000 지형도에서 계곡선, 주곡선, 간곡선의 등고선간격은 각각 100m, 20m, 10m이다.
등고선은 지형을 수평면으로 절단하였을 때 절단된 선이 투영면상에 정사 투영된 곡선이므로 등고선은 같은 같은 표고를 가지고 있는 점들을 연결한 곡선이다.
동일 등고선 상에 있는 모든 점의 높이값은 동일하며 반드시 폐합되며 도중에 끊어지지 않음
절벽과 동굴지역을 제외하면 절대 교차하거나 만나지 않으며 일반적으로 경사가 같은 곳에서는 등고선 간격이 같으며 경사가 급한 곳에서는 간격이 좁고, 경사가 완만한 곳에서는 넓고 등고선 간의 최단 거리 방향은 최대 경사의 방향을 나타냄
2. 등고선의 계산
등고선의 선분은 가장 가파른 경사의 첫 번째 방향을 측정하다.으로써 결정되는데 데이터 포인트의 작은 neighborhood에 대하여 작업자는 육안으로 수행할 수 있으므로 수직으로 경사선을 교차하는 level curve의 방향을 측정할 수 있다.
좀 더 객관적으로 최대경사의 방향은 인접한 데이터간의 3차원 경사 계산을 비교하다.으로써 측정되며 경사는 데이터 사이의 거리에 역수를 취하여 곱해진 높이 차이고 등고선은 정확한 각도에서 최대경사선을 교차해야 하다.
3. 등고선의 시각화
GIS는 도시계획, 자원관리, 환경관리, 재해정보 관리, 마케팅, 토지관리, 군사정보 시스템 등 다양한 분야에서 활용되고 있으나 2차원의 자료만으로는 정보 전달이나 그 응용분야에 한계가 있다.
특히 지리정보를 이용하는 각종 시뮬레이터 및 가상현실 시스템의 응용분야가 증가하다.에 따라 실제 지형을 정확하게 표현하기 위한 지형의 3차원 시각화의 필요성이 증가하고 있다.
3차원 지형의 시각화는 컴퓨터 그래픽스, 데이터베이스 기술, 공간객체 모델링 등의 기술이 통합적으로 요구되는데 현재 지형의 3차원 시각화는 그래픽 도구를 이용하여 가상의 이미지를 생성하는 방법과 실측 지형 데이터를 사용하는 방법 두 방법의 혼합형 등으로 나눌 수 있다.