Merging local DTMs : Heli-Dem project, problems and solutions

Official cartographic bases in Europe include Digital Terrain Models (DTMs); in recent years, different countries and regions have produced their own DTMs. Since unique and strictly rules did not exist, in some cases the elevation data are not consistent at the borders between countries or regions. HELI-DEM (HELvetia-Italy Digital Elevation Model) project aims at developing a unique DTM for the alpine area between Lombardy and Piedmont Italian regions and Ticino and Grisons Swiss cantons. To achieve the aim, different DTMs have been acquired, both at low and medium/high resolution and accuracy. Before merging the available DTMs, a validation of the input data has been performed in three steps: low resolutions (LR) DTMs have been cross validated in their overlaps, then they have been validated by HR (high resolution) DTMs; a final check has been made by geodetic techniques, using existing monographs and by ad hoc surveyed areas by GNSS RTK technique. The comparisons confirm the correctness and the accuracy of the available data. Different procedures can be adopted to produce a unified output DTM from different original elevation data. In general, three independent operations are necessary: alignment of the available DTMs to a common reference frame, interpolation of the DTMs on the output grid and merging of the interpolated elevations between two or more DTMs where they overlap. The order in which the operations are performed depends on the adopted procedure. Three different procedures have been studied and implemented. The first two procedures are similar and differ in the order in which the operations of merging and interpolation are done: in the former the input DTMs are independently interpolated on the output grid and then the results are merged by averaging their overlaps; in the latter the DTMs are unified into a unique dataset that is interpolated on the output grid. The third method acts in an opposite way: the nodes of the output grid are back-transformed from the final reference frame to each reference frame of the input DTMs; then each input DTM, still gridded, is interpolated on the back-transformed nodes of the final grid; finally the individual estimated elevations are merged and averaged. Inside the HELI-DEM project and for its final purpose the two first procedures have been compared and the former has been adopted to produce the final DTM. In particular a bicubic polynomial model has been used to interpolate the DTMs on the final grid. When the bad configuration of the input points produces an unstable system, different regularization approaches have been compared. Following the selected procedure, the final product of HELI-DEM has been created through the merging of the low and medium resolution available data. The output grid, georeferenced in ETRF2000 and composed by 8000 rows and 14500 columns covers the whole project area. After the conclusion of the project, also the third method has been studied, implemented and tested on HELI-DEM data: a new unified DTM has been created. This solution seems to be optimal because does not bring to unstable systems and does not requires regularization methods. The high resolution data have been used to correct the unified low resolution DTM, trying to avoid sharp discontinuities. The HR DTM has been resampled on the LR grid nodes, then the differences with respect to LR DTMs have been computed and a low pass filter has been applied to the corrections; finally the filtered model has been added to the LR one. All the produced datasets have already been published by an open access geoservice.

In Europa le basi cartografiche ufficiali comprendono i Modelli Digitali del Terreno (Digital Terrain Models, DTMs) e negli ultimi anni i vari stati hanno prodotto i loro DTM. Poichè però non esistono regole uniche e rigorose da seguire, in molti casi i dati di altezza risultano non consistenti tra loro nelle zone di confine tra due regioni o stati. Il progetto HELI-DEM (HELvetia-Italy Digital Elevation Model) ha lo scopo di produrre un DTM unificato che copra la fascia alpina al confine tra le due regioni italiane Lombardia e Piemonte e i due cantoni svizzeri Ticino e Grigioni. Sono quindi stati acquisiti diversi DTM, sia a medio/bassa sia ad alta risoluzione e accuratezza. Prima di effettuare l'operazione di unificazione dei DTM disponibili, é stata svolta la validazione degli stessi a tre diversi livelli: i DTM a bassa risoluzione sono stati cross-validati tra loro nelle loro zone di sovrapposizione, in seguito questi ultimi sono stati validati mediante i dati ad alta risoluzione; infine è stato effettuato anche un controllo mediante l'utilizzo di monografie geodetiche già esistenti e di dati raccolti ad hoc tramite tecniche GNSS in modalità RTK. Le analisi hanno confermato la correttezza e l'accuratezza dei dati disponibili. Per produrre un DTM unificato a partire da differenti modelli di altezza si possono utilizzare procedure differenti. In generale sono necessarie tre distinte operazioni: l'allineamento dei DTM disponibili allo stesso sistema di riferimento, l'interpolazione dei DTM su una griglia comune e infine l'unificazione dei dati interpolati nelle zone di sovrapposizione. A seconda della procedura utilizzata cambia l'ordine in cui queste tre operazioni vengono eseguite. A questo proposito sono state studiate tre diverse procedure. Le prime due sono simili tra loro e differiscono solo per l'ordine in cui le operazioni di unificazione e interpolazione vengono eseguite: nel primo caso i DTM di input vengono interpolati indipendentemente sulla griglia di output e poi i risultati vengono unificati mediandoli nelle zone di sovrapposizione, nel secondo caso invece i DTM vengono prima unificati tutti in un unico dataset, il quale viene poi interpolato sulla griglia di output. Il terzo metodo invece agisce al contrario rispetto agli atri due: i nodi della griglia di output vengono trasformati all'indietro dal sistema di riferimento finale al sistema di riferimento di ciascun DTM di input; in questo modo ciascun DTM di input, ancora grigliato, viene interpolato su questi nodi; infine le quote stimate individualmente vengono unificate e viene calcolata la loro media. Le due prime procedure sono state confrontate all'interno del progetto HELI-DEM e, poiché la prima ha dato risultati migliori, è stata utilizzata per produrre il DTM finale. Per interpolare i DTM sulla griglia finale è stata utilizzato un modello polinomiale bicubico. Sono state studiate diverse soluzioni di regolarizzazione per stabilizzare i sistemi prodotti da una cattiva configurazione dei nodi di input. Il prodotto finale del progetto HELI-DEM è quindi stato prodotto seguendo la procedura scelta, unificando i DTM a media e alta risoluzione disponibili. La griglia finale, georeferenziata in ETRF2000 e composta da 8000 righe e 14500 colonne, copre tutta l'area di progetto. Dopo la conclusione del progetto, anche il terzo metodo è stato studiato, implementato e testato sui dati disponibili per HELI-DEM, producendo un nuovo DTM unificato. Questa soluzione sembra ottimale in quanto non porta a instabilità dei sistemi di interpolazione e non richiede l'applicazione di metodi di regolarizzazione. I dati ad alta risoluzione sono infine stati usati per correggere il DTM unificato a bassa risoluzione: il DTM ad alta risoluzione è stato ricampionato sui nodi del DTM unificato, sono state poi calcolate le differenze rispetto al DTM unificato e un filtro passa-basso è stato applicato alle correzioni. Queste ultime sono poi state aggiunte al DTM unificato. Tutti i dataset prodotti sono stati pubblicati su un geoservizio ad accesso libero da parte degli utenti.