数字高程模型 第1章概论

.,数字地面模型,徐斌长安大学,.,教学方法：1.多媒体+板书2.自学和讨论3.上机实习教学组织方式：1.课堂授课:本课程的基础知识部分主要通过课堂授课方式进行组织。2.上机实习课:结合理论知识，培养学生使用GIS软件进行地形分析的实际动手能力。,.,学时安排：理论课30，上机实习6考核方式：理论考试80%，上机操作10%，平时10%,.,教材：汤国安.数字高程模型教程.北京：科学出版社，2010参考文献：李志林.数字高程模型.武汉：武汉大学出版社，2000汤国安.地理信息系统教程.北京：高等教育出版社，2006基础知识：地图学，地理信息系统、计算机基础知识、数据库原理,.,第1章概论,.,主要内容,地表形态表达：从模拟到数字,DEM：概念与理解,数字高程模型的信息特征：从DEM到DTM,数字高程模型的系统结构与功能,数字高程模型与地理信息系统的关系,数字高程模型应用范畴与前景,.,1.地表形态表达：从模拟到数字,.,1.1数字地形的表达,人类为了认识和改造地球，利用地形图表示地表形态是其中之一。地表形态是从模拟到数字、可以划分为以下几个阶段：,.,（1）早期由于测绘知识的缺乏，对地表形态采用象形绘图的方法。如山体用鱼鳞符号。,.,（2）17世纪以后，以写景方式进行地图刻画。如晕渲法、透视写景法、地貌单元图。,.,首曲线：首曲线，也叫基本等高线，是按基本等高距绘出的等高线。在地形图上以0.1mm的细实线描绘，如1：5万地形图上首曲线依次为：10m、20m、30m等等。计曲线：为了阅读方便，从起点起，每隔四根等高线加粗描绘一根等高线，这根加粗的等高线就是计曲线。间曲线：在地势平坦的区域，如用基本间隔绘制地形图，往往在一幅图内没有几根等高线，表达不了实际地形情况。采用为基本等高距的一半的等高距绘制等高线，这种等高线叫做间曲线。助曲线：也叫辅助等高线，通常按四分之一等高距描绘等高线，但也可以按任意高度描绘等高线。助曲线用以表示首曲线和间曲线尚无法表示的重要地貌，在图上以短虚线描绘。,（3）18世纪，测绘技术的发展，高程数据和平面数据的获取成为可能，以等高线形式进行地表形态的模拟。,.,地图的表示方法等高线,.,地图的表示方法分层设色法,此法是制图学家雷马虚克发明。以一定的颜色变化次序或色调深浅来表示地貌的方法。首先将地貌按高度划分若干带；各带规定具体的色相和色调，称为“色层”。能醒目地显示地势各高程带的范围、不同高程带地貌单元的面积对比，具有立体感，但不能量测。设色的原则，是按地面由低到高，以绿、黄、棕等颜色分别表示平原、高原和高山，以浓淡不同的蓝色表示海洋的不同深度带。,.,地图的表示方法分层设色法,.,（4）19世纪，平版印刷技术的发展使得联系色调变化和阴影变化模拟不规则的地表形态成为可能。该方法的特点是阴影显示斜坡的能力（三维可视化的能力）。,.,（5）20世纪地形图的主要表示方法是等高线法和地貌晕渲法；上述方法是在二维环境中对三维现实世界的模拟和表达；上述方法不能解决我们实际应用中的可测量性，同时该方法描述的结果不符合我们的视觉感受，因此出现一种既可以符合人类的视觉感受，还具有恢复真实地形且具有可测量性的表达方法是制图和测绘等领域的研究目标。,.,.,（6）20世纪60年代以后，由于空间技术和通讯技术的迅速发展，出现了遥感技术，并且该技术迅速得到广泛的应用，同时计算机的出现以及广泛的使用，各种数字地形的表达方法得到迅速发展。1958年，Miller与LaFamme最初是为了高速公路的自动设计提出数字地面模型（DTM，DigitalTerrainModel）。地形表达从模拟表达时代走向数字表达时代。,.,2.DTM：概念与理解,数字地面模型（DTM，DigitalTerrainModel）：是利用一个任意坐标场中大量选择的已知X，Y，Z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示，或者说，DTM就是地形表面简单的数字表示。数字地面模型是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。Terrain一词西方语言中有地形、地面、地表和地块的释义，很多测绘学家把terrain理解为地形，因此DTM又称为数字地形模型。,.,DTM与DEM,自从DTM概念提出后，又相继出现了许多其他相近术语，如DHM、DGM、DTEM（见表1.1）。其中，应用最为广泛的数字模型就是DEM（DigitalElevationModel），即数字高程模型。随着地理信息系统、空间数据基础设施等的发展和建设，DEM已经作为一个独立的产品而存在，并越来越广泛的用来代替传统地形图中等高线对地形的描述，成为“4D”产品之一和地理信息系统的核心数据库及地学分析的基础数据库。DEM已经成为地形数字化表达的专有名词。需要注意，在一般概念中，虽然DTM通常被理解为数字高程模型，但事实上DTM趋向于表达比DEM更为广泛的内容。,.,2.DEM：概念与理解,.,2.DEM：概念与理解,.,2.DEM：概念与理解,从狭义角度定义：DEM是区域地表面海拔高程的数字化,表达。这种定义将描述的范畴集中限制在“地表”、“海拔高程”及“数字化表达”内，意义较为明确，也是人们一般,理解与接受的DEM概念。但是，随着DEM的应用向海,底、地下岩层及某些不可见地理对象（如等气压面）的延伸，有必要提出更为广义的定义。,从广义角度定义：DEM是地理空间中地理对象表面海拔,高度的数字化表达。该定义中描述对象不再局限于“地表,面”，因而具有更大的包容性，如有海底DEM、下伏岩层DEM、大气等压面DEM等。,.,H11,DEM=,M,H,Hm,2.DEM：概念与理解数学意义上的数字高程模型是定义在二维空间上的连续函数H=f（x,y）DEM=Mi=(Pj)Pj(xj,yj,Hj)D,j=1,Ln,i=1,L,m当为正方形格网时，这时的DEM称为基于格网的DEM（GridbasedDEM）,LLLL,H2mMHnmnm,H21n1,H12H22MHn2,高程矩阵,.,2.DEM：概念与理解当为三角形时，这时实质上是用互不交叉、互不重叠的连接在一起的三角形网络逼近表面，这时的DEM称为基于不规则三角网的DEM（IrregularTriangulatedNetworkbasedDEM，简写为TINbasedDEM）,DEM,=Ti,Ti=(Pj,Pl,Pk),为三角剖分准则,.,2.DEM：概念与理解Grid与TINDEM的维数2.5D表面模型,Z2,Z1,Z1还是Z2?,格网DEM对于陡崖等特殊地形处理需要考虑更多细节,.,2.DEM：概念与理解,DEM的研究内容：,数据采集方法,地形建模与内插技术数据组织与管理地形分析,地形可视化,不确定性分析,.,2.DEM：概念与理解,数字高程模型的类型,.,2.DEM：概念与理解,按结构分类：,.,2.DEM：概念与理解,按连续性分类：,.,2.DEM：概念与理解,按范围分类：,局部DEM,地区DEM,全局DEM,.,2.DEM：概念与理解,DEM的特点,精度恒定性,表达多样性,更新实时性,尺度综合性,.,DEM的特点,精度的恒定性：常规的模拟地图随着时间的推移，图纸由于环境的改变而会产生变形，从而失掉原有的精度。DEM采用数字媒介，从而能保持原有的精度。表达的多样性：地形数据经过计算机处理后，可产生多种比例尺的地形图、剖面图、立体图、明暗等高线图；通过纹理映射、与遥感影像数据叠加，还可逼真的再现三维地形景观，并可通过飞行模拟浏览地形的局部细节或整体概貌。更新的实时性：DEM由于是数字的，增加或修改的信息只在局部进行，并且有计算机自动完成，可保证地图信息的实时性。尺度的综合性：较大比例尺、较高分辨率的DEM自动覆盖较小比例尺、较低分辨率的DEM所包含的内容，如1米分辨率DEM自动包含10米、25米、100米等较低分辨率DEM信息。,.,3.DEM的信息特征：从DEM到DTM,.,DEM和DTM的区别与联系（1）数字地形模型是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述；数字高程模型中地形属性仅为高程。（2）在地理信息系统中，DEM是建立DTM的基础数据，其它的地形要素可由DEM直接或间接导出，称为“派生数据”，如坡度、坡向。（3）高程模型最常见的表达是相对于海平面的海拔高度，或某个参考平面的相对高度，所以高程模型又叫地形模型。实际上地形模型不仅包含高程属性，还包含其它的地表形态属性，如坡度、坡向等。,.,数据获取,建模,处理优化,DEM,解译（分析）,可视化分析,现实世界,地面形态表达,4.DEM系统结构与功能地形分析地学分析与应用,.,4.DEM系统结构与功能：建模,.,（1）数学方法：用数学方法来表达，可以采用整体拟合方法，即根据区域所有的高程点数据，用傅立叶级数和高次多项式拟合统一的地面高程曲面。也可用局部拟合方法，将地表复杂表面分成正方形规则区域或面积大致相等的不规则区域进行分块搜索，根据有限个点进行拟合形成高程曲面。,.,（2）图形方法：A线模式：等高线是表示地形最常见的形式。其它的地形特征线也是表达地面高程的重要信息源，如山脊线、谷底线、海岸线及坡度变换线等。B点模式：用离散采样数据点建立DEM是DEM建立常用的方法之一。数据采样可以按规则格网采样，可以是密度一致的或不一致的；可以是不规则采样，如不规则三角网、邻近网模型等；也可以有选择性地采样，采集山峰、洼坑、隘口、边界等重要特征点。,.,（3）图像方式：主要是指各种影像数据对地形的描述。,.,4.DEM系统结构与功能：操作,DEM修改：增、删、移、拖等DEM滤波：高通滤波，低通滤波DEM转换：,DEM聚合：合并，叠加，压缩，重采样,.,4.DEM系统结构与功能：可视化,.,4.DEM系统结构与功能：分析,.,4.DEM系统结构与功能：分析,.,4.DEM系统结构与功能：分析,.,4.DEM系统结构与功能：分析,.,4.DEM系统结构与功能：分析,.,4