Digitala höjdmodeller och höjdsystem : insamling av höjddata med fokus på flygburen laserskanning

Abstract

Elevation data of high quality is important. In Sweden a governmental climate and
vulnerability study (Klimat och sårbarhetsutredningen) states that some analyses of
vulnerability due to future climate changes, like hydrological analyses to estimate the risk of
flooding, do require elevation models of high quality. The present national elevation model
does not reach the accuracy requirements. Since these analyses are of national interest it has
been decided that Lantmäteriet (the Swedish mapping, cadastral and land registration
authority) shall produce a new digital elevation model. A digital elevation model is a digital
representation of the bare ground. The most common structures for storing an elevation model
are grid and TIN (Triangular Irregular Network). The new national elevation model will be
stored as a TIN, but delivered as grid. Each time data is ordered a grid is created from the
TIN. The advantage of this is that data delivered will always be updated.
Data for the new model will be collected using airborne laser scanning, lidar. Two other
remote sensing techniques used to collect elevation data are photogrammetry and radar. Of
the three techniques, lidar gives the highest accuracy, with photogrammetry only slightly
lower. Radar data is of lower quality. Maybe the most important advantage of lidar is that the
pulses can penetrate vegetation, giving more accurate bare ground elevation in dense
vegetation. Another advantage compared to photogrammetry is that lidar is an active sensor
allowing it to collect data in the dark, or under cloudy skies. Lidar also makes it possible to
collect data over large areas in short time. Direct digital capture of data makes data available
fast. A disadvantage is that large amount of data is collected. This sometimes means dataprocessing
is time consuming. Another disadvantage is that if the quality of GPS- and inertial
data, collected during the scanning to enable georeferencing, is low, the lidar data can not be
used, and has to be re-collected.

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning: Att ha tillgång till höjddata av hög kvalitet är viktigt. Enligt klimat och sårbarhetsutredningen
är det bl.a. viktigt att kunna göra bra hydrologiska modeller för att kunna beräkna
översvämningsrisker, eller risken för ras och skred p.g.a. framtida klimatförändringar. Flera
av dessa analyser anses vara av nationellt intresse. Utredningen slår också fast att den
nationella höjdmodell som finns idag inte motsvarar de noggrannhetskrav som ställs. Mot
detta som bakgrund har Lantmäteriet fått i uppdrag att ta fram en ny nationell höjdmodell.
Denna ska finnas tillgänglig som grid med en markupplösning på 2,5 x 2,5 m. Medelfelet i
höjd ska ligga under 0,5 m. Höjddata till modellen kommer att samlas in med flygburen
laserskanning, med start sommaren 2009. Arbetet beräknas ta 4,5 år.
En digital höjdmodell är en digital modell som representerar topografin i ett område. Det finns
olika sorters höjdmodeller. En DEM (Digital Elevation Model) definieras av Lantmäteriet
som en modell som representerar markytan. En höjdmodell kan lagras på olika sätt, varav de
vanligaste är grid och triangelnät. Ett grid är ett regelbundet raster där värdet i varje cell
representerar höjden i cellens centrum. Detta är den vanligaste lagringsstrukturen vid spatiala
analyser. Beräkningarna är enkla att utföra eftersom inga beräkningar av höjdvärden behöver
göras, och de flesta tillgängliga programvaror erbjuder flera olika analysverktyg. Ett
triangelnät, TIN (Triangular Irregular Network), innebär att området delas in i trianglar.
Hörnpunkterna utgörs av de kända höjdpunkterna i terrängen. För att få fram höjden i andra
punkter görs en interpolering. Den nya nationella höjdmodellen kommer att lagras som ett
triangelnät av Lantmäteriet, men när data levereras sker det i gridformat. Detta innebär att
varje gång höjddata beställs görs en interpolation för att få fram ett grid. Fördelen med detta
är att det alltid är uppdaterad data som levereras. Som det ser ut i dagsläget kommer grid med
2,5 m, 5 m, 10 m, 25 m, 50 m respektive 100 m upplösning att erbjudas.
Det är viktigt att höjddata anges i ett referenssystem för höjd, ett s.k. höjdsystem. Ett sådant
byggs upp av ett nätverk av noggrant inmätta referenspunkter s.k. höjdfixar. Vidare
inmätningar utgår sedan från dessa. Höjden som anges är höjden över geoiden, vilken kan
sägas vara en förlängning av havsytan in under land. Eftersom havsytan varierar med tiden
krävs att en nollnivå definieras. Det senaste svenska höjdsystemet utgår från samma nollnivå
som det gemensamma Europeiska. Vid satellitnavigering mäts höjden över ellipsoiden. Detta
gör att höjden behöver räknas om till höjden över geoiden. Detta görs med hjälp av en s.k.
geoidmodell.
Som nämnts tidigare kommer data till den nya svenska nationella höjdmodellen att samlas in
genom flygburen laserskanning. Tekniken går ut på att en sensor som monterats på ett
flygplan eller helikopter sänder ut korta pulser av laserljus. Sensorn registrerar sedan tiden det
tar för reflektioner från pulserna att returneras. Eftersom pulsens hastighet är känd, kan
avståndet till reflektionspunkterna beräknas. Genom att bestämma sensorns position med
hjälp av satellitpositionering, och dess riktning med tröghetsnavigering kan en
reflektionspunkts position i ett referenssystem bestämmas. Detta ger en svärm av punkter som
representerar de olika pulsernas reflektionspunkter. Det är inte enbart markytan som
reflekterar laserpulsen, utan även objekt ovan mark som vegetation och byggnader ger upphov
till reflektioner. En och samma puls kan dessutom ge upphov till fler än en reflektion. För en
höjdmodell är det enbart de punkter som härstammar från reflektion mot markytan, s.k.
markpunkter, som är intressanta. För att få fram dessa görs någon form av filtrering av data.
Filtreringen kan delvis göras automatiskt, men även manuell bearbetning kan krävas.
Exempelvis är det svårt att skilja broar från mark, vilket gör att manuell identifiering av broar
ofta behöver göras.
Två andra metoder att ta fram höjddata är fotogrammetri och radar. Fotogrammetri är en
teknik som bygger på mätning av geometrin i flygbilder. Två eller fler flygbilder monteras till
en stereomodell. Genom att mäta avstånd i bilderna kan höjden i olika punkter bestämmas.
Flygburen radar bygger på att pulser av mikrovågsenergi sänds ut från en sensor monterad på
ett flygplan. Genom att mäta tiden det tar för reflektionerna att återvända till sensorn kan
avståndet till reflektionspunkten bestämmas på liknande sätt som vid laserskanning.
Av de tre metoderna ger laserskanning högst noggrannhet, tätt följd av fotogrammetri. Radar
ger lägre noggrannhet. Kostnadsmässigt är fotogrammetri dyrast, men skillnaden mot
laserskanning är inte så stor. Om data ska samlas in över stora områden är radar klart
billigare, men med en lägre noggrannhet.
Den kanske största fördelen med laserskanning är att laserpulserna kan tränga igenom
vegetation och därmed bestämma höjden på marknivå bättre i tät vegetation. Noggrannheten
påverkas visserligen negativt men inte i lika stor utsträckning som för fotogrammetri och
radar. En annan fördel är att tekniken fungerar även vid mulen väderlek och i mörker. Detta
gör att säsongen för laserskanning är längre än för fotogrammetri som kräver molnfritt och
dagsljus. Det är även en fördel att stora områden kan skannas på kort tid och höjddata samlas
direkt i digital form. Detta gör att data kan användas kort efter skanningen. En nackdel är att
datamängden blir stor, vilket kräver bearbetning som kan göra att tidsvinsten i förhållande till
fotogrammetri blir liten. En annan nackdel är att om störningar gjort att data från
satellitpositionering och tröghetsnavigering inte håller tillräckligt hög kvalitet måste
skanningen göras om eftersom höjddata inte kan georefereras på annat sätt.
Den praktiska utvärderingen av en laserskannad höjdmodell som genomfördes visade på ett
medelfel i höjd på 25 cm, vilket ligger i det intervall man skulle kunna förvänta sig, och klart
under det krav som ställs på den nya nationella höjdmodellen. Dock var utvärderingsdata vid
tidpunkten för utvärderingen enbart tillgänglig i ett begränsat område av höjdmodellen varför
det är osäkert att dra några slutsatser av utvärderingen.

• author: Olsson, Per-Ola
• supervisor: Lars Harrie
• organization: Dept of Physical Geography and Ecosystem Science
• year: 2009
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: TIN, grid, digital elevation model, geography, physical geography, vertical reference system, lidar, photogrammetry, radar
• publication/series: Lunds universitets Naturgeografiska institution - Seminarieuppsatser
• report number: 162
• language: Swedish
• id: 1886725
• date added to LUP: 2011-04-04 09:10:20
• date last changed: 2011-12-19 11:19:07