DEM与大比例尺数字地形图的应用.ppt

DEM与大比例尺数字地形图的应用 2020年3月27日星期五 邹进贵 7 1DEM的应用 7 2大比例尺数字地形图的应用 主要内容 DEM的应用 数字高程模型 DEM DigitalElevationModel 它是用数字来表示地球表面地形地貌的一种方式 DEM有多种表达方法 包括规则格网 三角网 等高线等 本节介绍规则格网数字高程模型 格网通常是正方形 它将区域空间切分为格网单元 每个格网对应一个二维数组和一个高程值 用这种方式描述地面起伏称为格网数字高程模型 DEM的应用 一 求单点高程 如图所示 设要求解正方形格网 1 1 一 2 2 中点户的高程 正方形格网的边长为S 四个角点的高程分别为z11 z2l z12 z22 根据四个顶点作出一个双线性 双曲面 多项式 即 DEM的应用 二 求地表面积 地表面积的计算可看做是其所包含的各个格网的表面积之和 若网格中有特征高程点 则可将格网分解为若干个小三角形 求出它们斜面面积之和作为格网的表面积 若格网中没有高程点 则可计算网格对角线交点处的高程 用四个共顶点的斜三角形面积之和作为格网的表面积 空中三角形面积的计算公式如下 式中 Si为三角形边长 按下式计算 DEM的应用 三 求体积 DEM体积由四棱柱 无特征高程点格网 与三棱柱体积进行累加得到 下表面为水平面或参考平面 计算公式为 式中 hi为各地表点相对于下表面点的高差 A3与A4分别是三棱柱与四棱柱的底面积 举例如下 DEM的应用 DEM的应用 四 三维图形显示 DEM三维图形显示是通过三维到二维的坐标转换 隐藏线处理 把三维空间数据投影到二维屏幕上 DEM的应用 五 地形断面图 在工程建设中 常需要作出某一方向或某一线路的地形断面图 铅垂平面和地形面相截 将地形断面轮廓线平行投影到平面上 所得到的投影轮廓面称为地形断面 1 断面图坐标系和比例尺 断面图是一种立面图 其横轴x方向表示剖面线的水平长度 坐标原点作为起点位置 如果剖面线是多段的折线 则将折线拉成一条直线表示 y方向表示断面轮廓线的高程 可选择一个合适的高程作为坐标原点的高程 断面图纵横方向的比例尺一般是不相同的 垂直比例尺较水平比例尺放大2 10倍 扩大倍数的多少 与所作断面图中最低点与最高点的高差有关 DEM的应用 五 地形断面图 2 断面轮廓线的高程 剖面线端点和转点的高程按求单点高程方法计算 剖面线中间点的高程 在求剖面线和格网边的交点后 再按格网点的高程进行内插计算 或者是在剖面线上以一定间隔按求单点高程方法逐点计算 DEM的应用 六 等高线的绘制 等高线图就是一种描绘地形高度的等值线图 根据规则格网DTM自动绘制等高线 主要包括以下两个步骤 1 利用DTM的矩形格网点的高程内插出格网边上的等高线点 并将这些等高线点按顺序排 即等高线跟踪 2 利用这些顺序排列的等高线点的平面坐标x Y进行插补 即进一步加密等高线点并绘制成光滑曲线 举例如下 DEM的应用 六 等高线的绘制 假设某河谷的地形数据见下表和图 我们的目的是将这组离散的数据点用距离加权插值方法格网成M N的网格数 DEM的应用 六 等高线的绘制 河谷离散点图 DEM的应用 六 等高线的绘制 用距离加权插值法得到的等高线图 DEM的应用 七 立体透视图的绘制 DEM透视立体图能更好的反映地形的立体形态 非常直观 随着计算机图形处理工作的增强以及屏幕显示系统的发展 使立体图形的制作具有更大的灵活性 人们可以根据不同的需要 对同一个地形形态作各种不同的立体显示 基本处理过程如下 1 透视变换2 色调计算3 隐藏面消除4 图形输出举例说明 DEM的应用 七 立体透视图的绘制 示例一 DEM的应用 七 立体透视图的绘制 示例二 DEM的应用 七 立体透视图的绘制 示例三 DEM的应用 七 立体透视图的绘制 示例四 DEM的应用 八 地形的坡度 坡向分析 坡度和坡向的计算通常在3 3个DTM网格窗口中进行 窗口在DTM矩阵中连续移动后完成整幅图的计算工作 DEM的应用 八 地形的坡度 坡向分析 坡度示意图 坡向示意图 DEM的应用 九 DEM的可视化 1 通视性分析 通视分析有着广泛的应用背景 典型的例子是观察哨所的设定 显然观察哨的位置应该设在能监视某一感兴趣的区域 视线不能被地形挡住 这就是通视分析中典型的点对区域的通视问题 与此类似的问题还有森林中火灾监测点的设定 无线发射塔的设定等 有时还可能对不可见区域进行分析 如低空侦察飞机在飞行时 要尽可能躲避敌方雷达的捕捉 飞行显然要选择雷达盲区飞行 DEM的应用 九 DEM的可视化 1 通视性分析 DEM的应用 九 DEM的可视化 2 飞行模拟 DEM图象通过与TM图象中7个不同波段进行叠加 生成仿真的真彩色或假彩色三维地形模型 DTM 在此基础上进行飞行模拟 在飞行模拟环境中 可以根据观察的需要 对地面显示速度 方位 观察位置 高程和透视角度等进行交互控制 完全达到身临其境的效果 同时 它能将大范围 广视角和小范围 高精度有机地结合起来进行显示 可以从不同的高度 方位由远及近地观察大洋山的总体及部分特征 DEM的应用 九 DEM的可视化 2 飞行模拟 DEM的应用 九 DEM的可视化 3 虚拟城市 基于大比例尺城区地形图生成的三维城市模型可称为虚拟城市 由于具备丰富的数据来源 可生成包括点状符号在内的较详细的各地物要素的三维模型 结合平面图形上的各类注记 可以为地图模型增加街道 街区 建筑物等的三维注记 如果有典型建筑物的图像 可以为相应的模型贴上纹理 这样能使建立的三维城市模型更加生动逼真 通过改变观察角度 高度能够实现在虚拟城市内的模拟行走 低空飞行等等 DEM的应用 九 DEM的可视化 3 虚拟城市 DEM的应用 十 流域水文特征及土木特征 DEM为人们定量描述流域水文变化提供了丰富的数据源 能自动提取流域水文特征 土木工程是DEM应用的最早的一个领域 可用于工程项目中的开挖填方 线路勘测设计 水利建设工程等 大比例尺数字地形图的应用 一 基本量算 大比例尺数字地形图是工程建设进行规划 设计 施工的重要资料 在工程规划 设计阶段 要以地形图为底图进行工程建 构 筑物的平面和高程布设 在地形图上进行量算工作 1 量取图上点的坐标值 大比例尺地形图 在内图廓的四角注有实地坐标值 如图7 7所示 欲在图上量测P点的坐标 可在P点所在小方格 过P点分别作平行于X轴和y轴的直线eg和fh 按比例尺量取af和ae的长度 则 大比例尺数字地形图的应用 一 基本量算 2 确定地面点的高程 如图7 8所示 p点正好在等高线上 则其高程与所在的等高线高程相同 如果所求点不在等高线上 如k点 则过k点作一条大致垂直于相邻等高线的线段mn 量取mn的长度d 再量取mk的长度d1 A点的高程Hk 可按比例内插求得 即 式中 Hm为m点的高程 h为等高距 大比例尺数字地形图的应用 一 基本量算 3 求两点间的距离和坐标方位角 分别量取两点的坐标值 则按坐标反算公式计算坐标方位角和两点间的距离 如下图 大比例尺数字地形图的应用 一 基本量算 4 图形面积的量算 解析法 多边形的面积量算 在量取多边形各顶点的坐标后 按解析法计算面积 如果是曲线围成的图形 可沿曲线标出许多点 用短的直线段代替曲线 量取这些点的坐标后 仍按解析法计算面积 图解法 量算图形面积也可使用求积仪 求积仪是一种专门供图上量算面积的仪器 适用于任意曲线图形 量算面积时 将描迹点按顺时针方向沿图形轮廓线移动一周 便可得到面积 大比例尺数字地形图的应用 二 按一定方向绘制断面图 如图7 9 a 欲沿MN方向绘制断面图 可在绘图纸上绘制MN水平线 如图7 9 b 过M点作MN的垂线作为高程轴线 然后在地形图上自M点分别量取至a b c N各点的距离 并在图7 9 b 上自M点沿MN方向截出相应的a b N各点 再在地形图上读取各点高程 在图7 9 b 上按高程轴线向上画出相应的垂线 用光滑曲线将各高程线顶点连接起来 即得MN方向的断面图 大比例尺数字地形图的应用 三 根据等高线计算体积 根据地形图上的等高线是计算土方 库容的方法之一 如图7 10为一土丘 欲计算l00m以上的土方量 首先量算各等高线范围内的面积 再以等高距相乘求出每一等高线层的体积 将各层体积相加 即得总的体积 各层的体积可分别按台体和锥体的公式计算 设为各等高线内的面积 h为等高距 为最上一条等高线至山顶的高度 则 大比例尺数字地形图的应用 四 带状土工建筑物土石方量算 在地形图上求路基 渠道 堤坝等带状土工建筑物的开挖或填筑土 石 方 可采用断面法 根据纵断面线的起伏情况 按基本一致的坡度划分为若干同坡度路段 各段的长度为 过各分段点作横断面图 如图7 11所示 量算各横断面的面积为 则第i段的体积为 大比例尺数字地形图的应用 五 土地平整的填挖土石方计算 根据地形图来量算平整土地区域的填挖土石方 方格法是常用的方法之一 首先在平整土地的范围内按一定间隔d 一般为5 20m 绘出方格网 如图7 12所示 量算方格点的地面高程 注在相应方格点的右上方 为使挖方与填方大致平衡 可取各方格点高程的平均值作为设计高程H0 则各方格点的施工标高hi为 将施工标高注在地面高程的下面 负号表示挖土 正号表示填土 在图上按设计高程确定填挖界线