راهنمای دانلود رایگان DEM و ساخت نقشه شیب و جهت شیب در ArcGIS Pro و QGIS

چرا DEM نقطه شروع بیشتر تحلیل‌های مکانی است؟

هر پروژه‌ای که به شکل زمین و ناهمواری‌های آن ارتباط دارد، از یک نقطه مشترک آغاز می‌شود: مدل رقومی ارتفاع یا DEM. تهیه نقشه شیب و جهت شیب برای تعیین زمین‌های سازنده‌پذیر یک شهر، تعیین مسیر بهینه خط انتقال آب یا برق، تحلیل حساسیت دامنه‌ها به لغزش، استخراج شبکه آبراهه و تعیین حدود حوضه‌های آبریز، همه به یک DEM درست و متناسب با مقیاس کار شما نیاز دارند. مشکل رایج کاربران تازه‌کار این نیست که نمی‌دانند DEM چیست؛ این است که نمی‌دانند کدام منبع را برای چه کاری انتخاب کنند، چگونه کیفیت داده را ارزیابی کنند و پس از دانلود، در ArcGIS Pro یا QGIS از آن خروجی استاندارد و قابل ارائه تولید کنند.

در این آموزش گام‌به‌گام ابتدا منابع رایگان و معتبر DEM را با هم مقایسه می‌کنیم و سپس همان داده را در ArcGIS Pro و QGIS به نقشه شیب، جهت شیب و سایه‌روشن تبدیل می‌کنیم. یعنی در پایان این نوشته، یک مجموعه کامل از لایه‌های زمین‌شناختی خواهید داشت که مستقیم در گزارش، پایان‌نامه یا طرح سازمانی قابل استفاده است. این راهنما برای دانشجویان GIS، سنجش از دور، محیط زیست، جغرافیا، مهندسی عمران و آب و نیز کارشناسانی نوشته شده که برای تحلیل‌های مکانی خود به لایه ارتفاع معتبر نیاز دارند.

DEM چیست و چه تفاوتی با DTM و DSM دارد؟

مدل رقومی ارتفاع (Digital Elevation Model) بازنمایی عددی پستی و بلندی سطح زمین است. به زبان ساده، DEM یک لایه رستری است که به هر سلول آن یک عدد ارتفاع نسبت داده شده است؛ ارتفاعی که معمولاً از سطح متوسط دریا اندازه‌گیری می‌شود. وقتی این سلول‌ها را در کنار هم بچینید، سطحی سه‌بعدی از زمین ساخته می‌شود که می‌توان آن را از هر زاویه دید، روی آن تحلیل انجام داد یا از آن نقشه‌های مشتقی مانند شیب و جهت شیب تولید کرد.

در متون فارسی سه اصطلاح DEM، DTM و DSM زیاد به جای هم به کار می‌روند، در حالی که انتخاب اشتباه میان آن‌ها نتیجه تحلیل را به کلی تغییر می‌دهد. DTM یا مدل رقومی زمین، سطح برهنه زمین را نشان می‌دهد؛ یعنی سطحی که درختان، ساختمان‌ها و سایر پوشش‌های روی زمین از آن حذف شده‌اند. DSM یا مدل رقومی سطح برعکس، هر چیزی را که روی زمین قرار دارد شامل می‌شود؛ از تاج درختان گرفته تا پشت‌بام ساختمان‌ها و سازه‌های فلزی. DEM اصطلاح کلی‌تری است که بسته به منبع داده، به یکی از این دو نزدیک می‌شود.

برای محاسبه شیب، جهت شیب، طول شیب، آبراهه و حوضه آبریز باید از سطح زمین یعنی DTM استفاده کنید. اگر ناخواسته DSM دانلود کنید، پشت‌بام ساختمان‌ها و تاج درختان وارد محاسبات می‌شود؛ مثلاً شبکه آبراهه‌های استخراج‌شده در مناطق شهری کاملاً غیرواقعی خواهد بود و شیب محاسبه‌شده، شیب پشت‌بام‌هاست نه شیب زمین.

مشخصات فنی که پیش از دانلود DEM باید بدانید

پیش از دانلود، چهار مشخصت را بررسی کنید تا بعداً با نتایج عجیب روبه‌رو نشوید:

• تفکیک مکانی: اندازه هر سلول رستر را نشان می‌دهد. DEM سی‌متری یعنی هر پیکسل حدود سی در سی متر زمین را پوشش می‌دهد؛ برای مطالعه حوضه آبریز در مقیاس منطقه‌ای عالی است اما برای تحلیل شهری در مقیاس قطعه، مناسب نیست.
• تفکیک عمودی: میزان خطای برآورد ارتفاع است که در SRTM و مشابه آن چند متر برآورد می‌شود. این خطا در دامنه‌های تند و پوشش گیاهی غلیظ به بیشینه خود می‌رسد.
• سیستم مرجع مختصات: اغلب DEMهای جهانی در WGS84 توزیع می‌شوند. پیش از تحلیل، باید لایه‌های دیگر پروژه را با DEM هم‌مرجع کنید تا خطای مکانی پنهانی رخ ندهد.
• نوع ارتفاع: ارتفاع در بیشتر DEMهای جهانی از نوع اورتومتریک است؛ اگر نقاط کنترل زمینی شما با GNSS برداشت شده و ارتفاع بیضوی دارد، اختلاف ژئوئید را در مقایسه لحاظ کنید.

پنج منبع رایگان و معتبر DEM در جهان

خبر خوب این است که برای اغلب کارهای پژوهشی و اجرایی، نیازی به خرید DEM نیست. جدول زیر منابعی را جمع کرده که سال‌هاست استاندارد کارهای علمی و پروژه‌های اجرایی هستند:

SRTM یا مأموریت توپوگرافی راداری شاتل، حاصل یک مأموریت ده‌روزه فضاپیمای شاتل در سال ۲۰۰۰ است و همچنان پراستنادترین DEM جهان به شمار می‌رود. داده آن را می‌توان از EarthExplorer سازمان زمین‌شناسی آمریکا به‌راحتی دانلود کرد و برای تمام خاک ایران با تفکیک حدود یک قوس‌ثانیه، یعنی حدود سی متر، موجود است.

Copernicus GLO-30 محصول برنامه کوپرنیکوس اتحادیه اروپا است که از داده‌های اینترفرومتری ماهواره‌های TanDEM-X ساخته شده و از Copernicus Data Space قابل دریافت است. به لطف فناوری اینترفرومتری دوپایه، حفره‌ها و نویز آن کمتر از SRTM است و در مناطق همواره ابری شمال و شمال‌غرب ایران هم پوشش یکدستی دارد. اگر به دنبال یک DEM مدرن برای کل کشور هستید، انتخاب اول ما همین است.

NASADEM نسخه بازپردازش‌شده همان داده SRTM است؛ ارتفاع‌سنجی آن اصلاح شده و در بخشی از مناطق خروجی تمیزتری می‌دهد. داده‌های RTC ماهواره ALOS PALSAR هم که با تفکیک حدود دوازده و نیم متر از پورتال ASF ناسا توزیع می‌شوند، ظاهری ریزتر دارند؛ اما چون راداری هستند، در پوشش گیاهی متراکم سطح زمین را کمی بالاتر از واقعیت نشان می‌دهند. ASTER GDEM نیز از جفت‌تصاویر استریوسکوپی ساخته شده و در دامنه‌های پرشیب پله‌ها و نویز بیشتری دارد؛ به همین دلیل بیشتر گزینه پشتیبان محسوب می‌شود.

کدام DEM را برای کار خود انتخاب کنیم؟

قاعده سرانگشتی ساده است: اول پوشش و کیفیت، بعد تفکیک مکانی. برای مطالعات منطقه‌ای، حوضه آبریز، مکان‌یابی طرح‌ها و کارهای دانشگاهی در مقیاس شهر یا شهرستان، DEM سی‌متری کافی و استاندارد است و مقایسه نتایج آن با پژوهش‌های پیشین هم راحت‌تر انجام می‌شود. اگر محدوده کوچک شهری دارید و دقت بالاتری لازم است، به جای جست‌وجوی DEMهای جهانی ریزتر، تولید مدل ارتفاعی با نقشه‌برداری پهپاد یا لیدار را در نظر بگیرید؛ خروجی این روش‌ها تفکیک سانتی‌متری دارد و برای مطالعات اجرایی حرف اول را می‌زند. اگر منطقه شما ابری است یا پوشش گیاهی غلیظی دارد، حتماً نتیجه Copernicus و ALOS را کنار هم مقایسه کنید و برای سنجش خطای عمودی، چند نقطه کنترل زمینی در اختیار داشته باشید.

دانلود DEM برش‌خورده استان‌های ایران از جی‌آی‌اس‌لند

در صفحه داده رایگان GIS ایران جی‌آی‌اس‌لند، برای هر استان بسته‌ای شامل مرز استان و شهرستان‌ها به شکل Shapefile و GeoJSON، برش داده‌های OpenStreetMap شامل جاده، ساختمان و آبراهه و همین‌طور DEM همان محدوده آماده دانلود است؛ یعنی لازم نیست ساعت‌ها با صفحه‌بندی سایت‌های جهانی کلنجار بروید و بعد خودتان برش بزنید. برای پروژه‌های داخل ایران، سریع‌ترین مسیر همین صفحه است.

آموزش گام‌به‌گام ساخت نقشه شیب در ArcGIS Pro

فرض کنیم DEM سی‌متری منطقه را دانلود کرده‌اید و در یک File Geodatabase قرار داده‌اید. مسیر کار در ArcGIS Pro با جعبه‌ابزار Spatial Analyst چنین است:

1. یک پروژه جدید بسازید و لایه DEM را به نقشه اضافه کنید.
2. در پنل Geoprocessing عبارت Slope را جست‌وجو کنید (مسیر کامل: Spatial Analyst Tools و سپس Surface).
3. در پنجره ابزار، لایه DEM را به عنوان ورودی انتخاب و خروجی را در Geodatabase ذخیره کنید.
4. مقدار Output measurement را تعیین کنید؛ Degree برای گزارش‌های علمی و PERCENT_RISE برای گزارش‌های اجرایی و مطالعات شهری.
5. گزینه Z factor را فقط وقتی تغییر دهید که واحدهای افقی و عمودی متفاوت باشند؛ برای DEMهای جهانی معمولاً نیازی به تغییر نیست.
6. ابزار را اجرا کنید؛ خروجی، رستری است که به هر سلول، شدت شیب آن نقطه را نسبت داده است.

نکته مهم، نمایش است: شیب خام بدون طبقه‌بندی رنگ معنای روشنی ندارد. برای مطالعات سازنده‌پذیری شهری معمولاً شیب صفر تا دو درجه خیلی مناسب، دو تا پنج مناسب، پنج تا دوازده با محدودیت و بالاتر از دوازده درجه نامناسب طبقه‌بندی می‌شود؛ اما طبقه‌بندی نهایی را باید متناسب با موضوع و ضوابط طرح خودتان انتخاب کنید و کلاس‌ها را حتماً در Layout با برچسب واضح نمایش دهید.

ساخت جهت شیب (Aspect) و بازطبقه‌بندی آن

جهت شیب مشخص می‌کند هر سلول به سمت کدام سمت جغرافیایی پایین می‌رود و واحد آن درجه نسبت به شمال است. همان مسیر قبلی را این بار با ابزار Aspect طی کنید. خروجی خام هشت تا شانزده کلاس جهت دارد و برای بیشتر گزارش‌ها بهتر است بازطبقه‌بندی شود: دامنه‌های جنوبی و جنوب‌غربی آفتاب‌گیر برای انرژی خورشیدی و باغداری اهمیت دارند و دامنه‌های شمالی برای مطالعات رطوبت، برف و پوشش گیاهی. جهت شیب در کنار شیب، مبنای تهیه نقشه‌های مکان‌یابی با روش AHP است؛ اگر با این روش آشنا نیستید، آموزش AHP در GIS جی‌آی‌اس‌لند نقطه شروع خوبی است.

همان کارها در QGIS؛ بدون هزینه لایسنس

اگر لایسنس ArcGIS ندارید، QGIS همین توانایی را کاملاً رایگان در اختیارتان می‌گذارد. پس از افزودن DEM به پروژه، از منوی Raster به مسیر Analysis و سپس Slope بروید؛ در پنجره باز شده می‌توانید واحدهای درجه یا درصد را انتخاب و خروجی را ذخیره کنید. Aspect و Hillshade هم دقیقاً در همین مسیر در دسترس‌اند، چون همگی به موتور GDAL متصل هستند. دو نکته در QGIS اهمیت زیادی دارد: نخست، پارامترهای واحدها و مقیاس عمودی را در پنجره ابزار با دقت بخوانید؛ دوم، اگر پروژه شما در سیستم مختصات پروژه‌شده نیست، پیش از تحلیل، DEM را با ابزار Warp به یک سیستم متریک مانند UTM ناحیه مناسب منتقل کنید تا مقدار شیب محاسبه‌شده غیرواقعی نشود. برای تسلط کامل بر این تحلیل‌ها، دوره تسلط بر QGIS مرجع کامل فارسی است.

سایه‌روشن یا Hillshade؛ لعاب حرفه‌ای نقشه

هیچ نقشه زمین‌شناختی بدون سایه‌روشن کامل نیست. ابزار Hillshade با فرض یک زاویه نور، توزیع سایه و روشن زمین را می‌سازد و وقتی با شفافیت حدود پنجاه درصد، زیر لایه شیب یا کاربری اراضی قرار گیرد، برجستگی‌ها را برای چشم ملموس می‌کند. برای زاویه نور، حالت رایج نور از شمال‌غرب با ارتفاع حدود چهل‌وپنج درجه است چون سایه‌ای طبیعی‌تر می‌سازد؛ اما بسته به جهت دامنه‌های محدوده شما، حالت‌های دیگر را هم امتحان کنید تا نقشه خواناتر شود.

کاربردهای عملی شیب و جهت شیب

• مکان‌یابی: از انتخاب محل دفن پسماند و سایت نیروگاه خورشیدی تا ارزیابی تناسب اراضی برای توسعه شهری؛ شیب و جهت شیب دو معیار اصلی تقریباً همه مدل‌های AHP هستند.
• هیدرولوژی: پس از پر کردن فرورفتگی‌ها با ابزار Fill، از جهت شیب برای تعیین جهت جریان، تجمع جریان و استخراج آبراهه و حد حوضه استفاده می‌شود.
• خطر زمین‌لغزش: ترکیب شیب، جهت، سازند زمین‌شناسی و کاربری اراضی، پایه نقشه‌های حساسیت دامنه‌ها است.
• کشاورزی و حفاظت خاک: تعیین اراضی قابل کشت، طراحی آبیاری و برآورد فرسایش با مدل USLE همه به شیب و طول شیب نیاز دارند.
• زیرساخت و پهپاد: طراحی مسیر جاده و خطوط انتقال، انتخاب محل دکل‌ها و برنامه‌ریزی پرواز پهپاد بر پایه همین دو لایه انجام می‌شود.

خطاهای رایج که نتیجه تحلیل را خراب می‌کند

• ناهماهنگی سیستم مختصات: اگر DEM و لایه‌های شما یک مرجع نداشته باشند، همه چیز سر جای خودش به نظر می‌رسد اما تحلیل خروجی غلط می‌دهد؛ پیش از هر کاری Define و Project را درست اجرا کنید.
• نادیده گرفتن فرورفتگی‌ها: برای تحلیل هیدرولوژی ابتدا Fill را اجرا کنید وگرنه آبراهه‌ها وسط مسیر گم می‌شوند.
• برش بدون بافر: اگر دقیقاً به اندازه محدوده مطالعاتی دانلود و برش بزنید، سلول‌های لبه برای محاسبه کافی نیستند؛ همیشه کمی بیشتر از محدوده بگیرید.
• اشتباه گرفتن DSM و DTM: همان‌طور که گفتیم، شیب محاسبه‌شده روی DSM در واقع شیب پشت‌بام‌هاست، نه شیب زمین.
• Z factor نامناسب: وقتی واحدهای افقی درجه و عمودی متر باشد، بدون ضریب درست، شیب چند برابر مقدار واقعی به دست می‌آید.

جمع‌بندی و گام بعدی

DEM دریچه ورود شما به تحلیل‌های ارتفاعی است: یک منبع مناسب انتخاب کنید، کیفیت آن را با چند نقطه کنترل بسنجید، شیب و جهت شیب و سایه‌روشن بسازید و از این لایه‌ها در مدل‌های مکان‌یابی، هیدرولوژی یا ارزیابی خطر استفاده کنید. مسیر پیشنهادی ما این است: از صفحه داده رایگان، بسته استان خود را دانلود کنید، خروجی‌های این آموزش را گام‌به‌گام بسازید و سپس با دوره‌های ArcGIS Pro و QGIS جی‌آی‌اس‌لند تمرین را به سطح پروژه واقعی برسانید. اگر مطمئن نیستید کدام مسیر آموزشی یا روش تحلیل برای پروژه یا پایان‌نامه شما مناسب است، مشاوره رایگان ما در همان ابتدای کار مسیرتان را مشخص می‌کند.