DEM

Digital Elevation Models

• 수치표고모형(DEM)은 수치지형 또는 수심측량 데이터에 관한 일반적인 용어로써, 일반적으로 식생과 인공지물을 포함하지 않는 지형만의 높이를 의미하며, 강, 호수의 DEM 높이 값은 수표면을 나타냅니다.
• DEM은 일반적으로 DTM(Digital Terrain Model)과 비슷한 의미로 사용됩니다.
• USGS(U.S. Geological Survey)의 정의 : DEM은 보통 높이의 기준면으로부터 측정한 z값을 사용하여 x, y 방향으로 일정한 간격의 지형에 대한 높이 값을 수치지도 형식으로 표현한 것입니다.
• 이 정의는 NIMA(National Imagery and Mapping Agency)에서 작성한 DTED(Digital Terrain Elevation Data)의 정의와 유사합니다.

DEM의 기하학적 구조는 규칙격자망(Regular Grid, Elevation Matrix)과 불규칙삼각망(Triangular Irregular Network, TIN)이 있으며 각각 장단점을 가지고 있습니다.

DTM(Digital Terrain Model)

• DEM과 유사한 뜻으로 사용되며, 동일한 간격의 z값을 가집니다. DTM은 DEM과 비슷하지만 지형을 좀 더 정확하게 묘사하기 위해 불규칙적으로 간격을 갖는 불연속성(breakline)이 존재 한다는 것이 다릅니다.
• DTM의 최종적인 결과는 특정 지형을 명확히 묘사하는 것이며, 등고선은 지형의 실제 형태에 가깝도록 DTM으로부터 생성하곤 합니다.

DSM(Digital Surface Mode)

• DEM에 식생, 건물, 도로 등 자연 및 인공 지형지물의 표고 값이 포함된 것을 나타냅니다.
• 원거리통신관리, 산림관리, 3D 시뮬레이션 등에 이용됩니다.

규칙격자망

• 일정 크기 사각형 격자지점의 표고행렬로 지형기복 변화를 표현하는 방법입니다.
• 규칙적인 격자의 교차점에서의 고도를 저장하며, 보통 불규칙한 기준점 집합으로부터 정교한 보간 기법을 거쳐 계산됩니다.
• 일반적으로 격자의 크기는 기준점 사이의 거리보다 더 작으며, 불연속선이나 높이를 나타내는 점에 의해 표현된 지질학적 정보도 규칙적인 격자로 형성됩니다.
• 장점
  • 고도만 저장되므로 자료의 구조가 간단함
  • 등고선, 경사각, 경사 방향 계산, 음영이나 분지를 표현 하는데 유용
  • 행렬 처리를 적용함에 있어서 계산 시간이 빠름
• 단점
  • 복잡한 지형의 표현 시 격자 간격을 좁게 해야 함
  • 표면을 표현하기 위해 높은 밀도의 점들을 저장해야 함
  • 규칙적인 격자에서 불연속선을 표현하는 데 따르는 문제점

불규칙삼각망(TIN)

• 불규칙삼각망은 원래의 자료 점들을 Delaunay 삼각망을 활용하여 불규칙한 형태의 연속적인 삼각형을 연결시켜 지형의 기복을 표현합니다.
• 장점
  • 기복이 심한 지역에서 효과적으로 사용될 수 있음
  • 자료의 중복을 줄일 수 있으므로 지형을 효과적으로 표현
  • 최소한의 표고점을 이용하여 능선이나 곡선과 같은 지형 구조 특성을 반영한 보간을 할 수 있다는 점
• 단점
  • 점들의 불규칙한 구조로 인해 각각의 점들을 저장하려면 대상에 대한 더 많은 정보가 필요함
  • 등고선, 능선, 합수선, 인공구조물 등을 가로질러 TIN이 구성되면 실제 지형 특성을 반영하기 못함
  • 수치등고선으로 TIN을 구성할 때 동일 등고선 상의 꼭짓점들 안으로 TIN이 구성되면 그 TIN 내부는 평지로 표현이 됨

원천 자료에 따른 DEM 구축 방법 별 특성

구분	소요 장비	경제성	정확성	현시성
지상 측량	Total Station, GPS	시간경비과다	우수	우수
종이 지도	Digitizer	수동, 시간 과다	지도에 달림	지도에 달림
	Scanner GEOVEC	자동, 기술적 애로	지도에 달림	지도에 달림
수치 지도	MAP 지도 S/W	우수	지도에 달림	지도에 달림
기존 사진(사진 측량)	해석도화기	양호	우수	사진에 달림
신규 촬영(사진 측량)	수치도화기	촬영비 추가	우수	우수
원격 탐사	Image Processor	우수	개선 중	우수
레이저 측량	레이저 고도계	우수	우수	우수

DEM 추출 방법 – 수치 지도 활용

• 이미 제작된 수치지도를 이용하여 DEM을 구축하는 방법으로 수치지도의 등고선 및 고도점의 좌표를 추출하여 DEM을 생성합니다.
• DEM 생성 시 고려해야 할 사항
  • 수치지도 제작 시기가 오래되었을 경우 현재의 지표 및 지물의 정보가 부족
  • 인공지물 밀집 지역일 경우 고도 추출점이 표기되어 있지 않을 수 있음
• 따라서, 수치지도로 DEM을 작성할 때에는 항공사진 혹은 보다 대축척의 수치지도, 지상측량 등의 보조 자료를 이용하여 등고선 및 고도점을 보완해야 합니다.
• 등고선 데이터는 제한된 범위의 정확도를 가진 DEM을 구축합니다.
  • 기대할 수 있는 최대의 정확도는 등고선 간격의 1/2 정보
• 등고선으로부터 DEM을 생성하는 것은 대부분의 상용 소프트웨어(PCI, Erdas Imagine) 등에서 지원합니다.

DEM 추출 방법 – 항공사진 측량

• 항공사진(또는 항공영상)을 이용한 DEM 구축 방법은 현재 실용화된 방법 중 가장 정확하고 최신의 수치 고도 자료를 얻을 수 있습니다.
  • 항공사진측량용 카메라로 촬영된 입체 항공사진을 이용하여 해석도화기와 도화사의 작업을 통해 수동으로 DEM을 추출하는 방법
  • 항공사진을 스캐닝하거나 항공사진 측량용 디지털카메라로 획득한 항공 영상을 이용하여 수치도화기에서 자동으로 DEM을 추출하는 방법
• 항공사진(또는 항공영상)을 이용하면 지형은 물론이고 지물에 대한 DEM 구축이 가능합니다.

DEM 추출 방법 – 위성 영상

• 위성영상의 해상력이 높아지고 이동한 위치에서 반복 촬영한 동일 지점의 영상을 획득할 수 있게 됨으로써 위성영상으로부터 DEM 구축이 가능해집니다.
• 위성영상은 항공사진에 비하여 포함면적이 넓고, 주기적으로 영상을 얻을 수 있으므로 최신의 정보를 획득하는데 소요되는 시간과 비용을 절감할 수 있습니다.
• 위성영상에 항공사진의 수치사진측량기법을 적용하여 자동으로 DEM을 생성할 수 있습니다.

DEM의 정확도

• 수치표고모델의 정확도는 선형적으로 보간 된 DEM과 지도나 GPS 자료와 같은 참조자료와의 비교를 통한 RMSE(root-mean square error) 값을 이용합니다.
• DEM의 정확도는 데이터의 스케일과 공간 해상도, 격자 간격에 영향을 많이 받습니다.
  • DEM의 수평정확도는 표고행렬의 수평간격에 영향을 많이 받음
  • DEM의 수직정확도는 원시 데이터의 질과 공간 해상도, 자료의 수집과 처리과정에 많은 영향을 받음
• 등고선으로부터 구축된 DEM의 평가 기준(Carrara, 1997)
  • 수치 지도의 등고선 근처에 배치된 격자점의 표고는 그 등고선의 표고와 일치하거나 큰 차이가 없어야 함
  • 두 등고선으로 포위된 영역 내에 있는 격자점의 표고는 두 등고선 표고 사이의 표고이며, 두 등고선 사이에서 선형 변화함
  • 경사 변화가 완만한 지역에서도 DEM은 지형을 현실적으로 묘사하여야 함
  • 일정 규모이상의 인공 지물에 대한 정보를 DEM으로부터 추출할 수 있어야 함

DEM 자동 제작 방법