بررسی عملکرد مدل‌های رقومی ارتفاعی در مطالعات ژئومورفولوژیکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دپارتمان جغرافیای طبیعی، دانشگاه اتوش لورند، بوداپست، مجارستان

2 دپارتمان جغرافیای طبیعی، دانشگاه اتوُش لورند، بوداپست، مجارستان

چکیده

سابقه و هدف: مدل‌های رقومی ارتفاعی از جمله ابزارهای پرکاربرد در علوم زمین خصوصاً در مطالعات ژئومورفولوژیک هستند. اگرچه انواع متعددی از مدل‌های رقومی ارتفاعی با ویژگی‌های متفاوت وجود دارد، تعداد محدودی از آنها به صورت رایگان در دسترس محققان قرار دارند. از طرفی تمام مدل‌های رقومی ارتفاعی عملکرد یکسانی ندارند. اندازه پیکسل یا سلول و الگوریتم تهیه مدل رقومی ارتفاعی از جمله مهمترین عوامل تأثیرگذار بر عملکرد مدل‌ها هستند. بنابراین یکی از مهمترین نکات در زمینه استفاده از مدل‌های رقومی ارتفاعی، انتخاب بهترین و مناسب‌ترین مدل رقومی ارتفاعی برای مطالعات ژئومورفولوژیک است. بر این اساس، در این تحقیق با هدف شناسایی مناسب‌ترین مدل رقومی ارتفاعی، چهار مدل رایج و رایگان مورد ارزیابی قرار گرفتند تا در نهایت با توجه به عملکرد هرکدام، مناسب‌ترین مدل برای مطالعات ژئومورفولوژیک شناسایی شود. انتخاب مدل رقومی ارتفاعی مناسب منجر به ارائه مطالعات با کیفیت و نتایج قابل قبول در مطالعات ژئومورفولوژی خواهد شد.

مواد و روش‌ها: در این مطالعه از چهار مدل رقومی ارتفاعی رایگان شامل SRTM، ASTER، AW3D30 و ALOS PALSAR استفاده شد. قدرت تفکیک مکانی در مدل‌های مورد استفاده برای سه مورد اول حدوداً 30 متر و برای مدل ALOS PALSAR 5/12 متر است. به منظور ارزیابی کمّی عملکرد مدل‌های رقومی ارتفاعی مورد استفاده، از پارامترهای خطای ریشه میانگین مربعات یا RMSE، ژئومورفون، شیب، منحنی هیپسومتری و نیمرخ عرضی استفاده شده. با انتخاب پارامترهای مورد نظر عملکرد مدل‌های رقومی ارتفاعی از جنبه‌های مختلف از جمله دقّت عمودی، افقی و تأثیر اندازه سلول مورد ارزیابی قرار گرفت. به منظور رفع خطای مربوط به مدل‌های رقومی ارتفاعی، عملیات Fill بر روی تمام مدل‌های مورد استفاده اعمال شد.

بحث و نتایج: بر اساس شاخص RMSE، مدل AW3D30 با مقدار 77/6 کمترین خطا را داشته و پس از آن مدل‌های SRTM با 36/7 و ALOS PALSAR با 02/8 قرار گرفته‌اند، در حالی که مدل ASTER بیشترین خطا را با مقدار 95/11 نشان داده است. مقایسه طبقات ژئومورفون نشان داد که مدل ALOS PALSAR، مجموع مساحت طبقات معادل 76/120 کیلومتر مربع را به دست داده که نزدیک‌ترین مقدار به مساحت واقعی منطقه (5/121 کیلومتر مربع) است. در مقابل، سه مدل دیگر مساحت مشابهی معادل 9/119 کیلومتر مربع را محاسبه کردند. همچنین نتایج نشان داد که مدل SRTM در طبقه‌بندی لندفرم‌ها، از جمله لندفرم دره با مساحت 6/10 کیلومتر مربع، نزدیک‌ترین مقدار را به مدل ALOS PALSAR (96/8 کیلومتر مربع) داشته است. بررسی مقادیر شیب نیز بیانگر آن بود که مدل ALOS PALSAR بیشترین مقدار شیب را معادل 73/74 درجه ثبت کرده است، در حالی که مقادیر حداکثر شیب در مدل‌های SRTM، AW3D30 و ASTER به ترتیب برابر با 99/68، 37/68 و 36/66 درجه بوده است. نمودارهای هیپسومتری نیز نشان دادند که مدل‌های ALOS PALSAR و SRTM عملکرد مشابهی داشته‌اند؛ برای مثال در ارتفاع نسبی 39، مساحت نسبی به ترتیب 80/94 و 94/95 محاسبه شد، در حالی که مقادیر متناظر در مدل‌های ASTER و AW3D30 به ترتیب 84/88 و 47/89 بود. نیمرخ‌های عرضی نشان دادند که مدل ASTER کمترین دقّت عمودی را داشته و مقادیر ارتفاعی را بیشتر از سایر مدل‌ها برآورد کرده است.

نتیجه‌گیری: در این تحقیق از مجموعه‌ای از ابزارها برای ارزیابی و شناسایی مناسب‌ترین مدل رقومی ارتفاعی در مطالعات ژئومورفولوژی استفاده شد. براساس نتایج این تحقیق، با وجود اینکه مدل رقومی ALOS PALSAR از قدرت تفکیک مکانی بالاتری برخوردار است، مدل SRTM مناسب‌ترین مدل رایگان برای استفاده از مطالعات ژئومورفولوژی خصوصاً در ایران است. پوشش فضایی کل کشور و عملکرد بسیار نزدیک به مدل ALOS PALSAR مهمترین دلیل انتخاب این مدل است. همچنین نتایج تحقیق نشان داد که یکی از محدودیت‌های این تحقیق نبود مدل‌های دقیق محلی به منظور صحت‌سنجی نتایج است. از این رو برای مطالعات آینده پیشنهاد می‌شود از یک مدل رقومی ارتفاعی با دقّت مکانی بالا به منظور صحت‌سنجی استفاده شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Performance Evaluation of Digital Elevation Models in Geomorphological Studies

نویسندگان [English]

  • Kaveh Ghahraman 1
  • Balázs Nagy 2
1 Department of Physical Geography, Eötvös Loránd University, Budapest, Hungary
2 Department of Physical Geography, Eötvös Loránd University, Budapest, Hungary
چکیده [English]

Introduction: Digital Elevation Models, also known as DEM, are widely utilized tools in Earth sciences, particularly in geomorphological studies. Although various DEMs with distinct characteristics exist, only a limited number are freely accessible to researchers. Furthermore, not all DEMs exhibit identical performance. Factors such as pixel or cell size and the algorithm employed in DEM generation are among the most critical elements influencing their performance. Therefore, one of the most crucial considerations in employing DEMs is selecting the most suitable and optimal model for geomorphological studies. In this context, the present study aims to identify the most appropriate DEM by evaluating four commonly used and freely available models. Ultimately, based on the performance of each model, the most suitable DEM for geomorphological investigations will be determined. Selecting an appropriate DEM will contribute to producing high-quality studies and obtaining reliable results in geomorphological research.

Materials and Methods: This study utilized four freely available DEMs including SRTM, ASTER, AW3D30, and ALOS PALSAR. The spatial resolution of the first three models is approximately 30 meters, while that of ALOS PALSAR is 12.5 meters. To quantitatively assess the performance of these DEMs, the study employed parameters such as the Root Mean Square Error, geomorphons, slope, hypsometric curve, and cross-sectional profile. By selecting these parameters, the DEMs were evaluated from various aspects, including vertical accuracy, horizontal accuracy, and the impact of cell size. Additionally, to mitigate errors inherent in the DEMs, the Fill operation was applied to all models used in the study. The fill sink tool is available in most of the commonly used GIS software.

Results and Discussion: According to the RMSE index, the AW3D30 model exhibited the lowest error with a value of 6.77, followed by the SRTM and ALOS PALSAR models with values of 7.36 and 8.02, respectively, while the ASTER model showed the highest error with a value of 11.95. The comparison of geomorphon classes revealed that the ALOS PALSAR model produced a total class area of 120.76 km², which is the closest estimation to the actual area of the region (121.5 km²). In contrast, the other three models yielded similar areas of approximately 119.9 km². The results further indicated that the SRTM model provided landform classifications, including valleys with an area of 10.6 km², that were closest to those derived from the ALOS PALSAR model (8.96 km²). The analysis of slope values also demonstrated that the ALOS PALSAR model recorded the steepest maximum slope, equivalent to 74.73°, whereas the maximum slope values in the SRTM, AW3D30, and ASTER models were 68.99°, 68.37°, and 66.36°, respectively. The hypsometric curves likewise showed that the ALOS PALSAR and SRTM models exhibited similar performance; for example, at a relative elevation of 39, the corresponding relative areas were 94.80 and 95.94, while the corresponding values for the ASTER and AW3D30 models were 88.84 and 89.47, respectively. The cross-sectional profiles indicated that the ASTER model had the lowest vertical accuracy and tended to overestimate elevation values compared to the other models.

Conclusion: In this study, a set of tools was employed to assess and identify the most suitable DEM for geomorphological studies. Based on the findings, despite the superior spatial resolution of the ALOS PALSAR model, the SRTM model emerged as the most appropriate freely available DEM for geomorphological applications, particularly in Iran. The primary reasons for selecting this model include its nationwide spatial coverage and its performance, which closely approximates that of the ALOS PALSAR model. Additionally, one of the key limitations identified in this study was the absence of high-precision local models for result validation. Consequently, for future studies, it is recommended to utilize a high-resolution DEM to enhance the accuracy and reliability of validation processes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Geomorphology
  • Digital Elevation Model
  • Geomorphon
  • Hypsometric Curve
  • Cross Profile