DEM数据组织与管理课件

1、DEM数据组织与管理1 第2章 DEM数据组织与管理 DEM数据组织与管理2 主要内容 概述 DEM数据模型 DEM数据结构 DEM数据库管理 DEM数据组织与管理3 2.0 概述 空间对象建立过程 DEM数据组织与管理4 DEM建立的一般过程 数字高程模型是地形曲面的数字化表达，也就是说，DEM是 在计算机存储介质上科学、真实地描述、表达和模拟地形曲 面实体，因此它的建立实际上是一种地形数据的建模过程。 DEM的建立首先要对地形曲面进行抽象、总结和提炼，形成 高度概括的地形曲面数据模型，然后在此数据模型基础上， 将观测数据按照一定的结构组织在一起，形成对数据模型的 表述，最后借助计算机实现数

2、据管理和地形重建。 按一定结构组织在一起的地形数据，一般通过数据库进行管 理和调度（当然小范围的数据也可采用文件形式进行管理）。 DEM数据组织与管理5 空间数据库 数据库功能：与数据结构有关 空间索引机制 遵循一般空间数据库原则 DEM数据组织与管理6 DEM DEM 数据库设数据库设 计计基本原则基本原则 DEM数据组织与管理7 2.1 DEM数据模型 空间数据模型属于概念层次的空间对象语义描述。 三种抽象类型 对象模型 网络模型 场模型 DEM数据组织与管理8 镶嵌数据模型 基本思想 在二维区域上的网络划分来覆盖整个研究区域 网络特征参数 分辨率、方位、形状、位置 类型 规则镶嵌数据模型

3、和不规则镶嵌数据模型 应用范围 连续变化空间对象模拟； 三维离散数据空间建模； DEM数据组织与管理9 镶嵌数据模型（Tessellation model）源于这样的思想：空间 对象可用相互连接在一起的网络来覆盖和逼近，或者说用在二 维区域上的网络划分来覆盖整个研究区域。 镶嵌数据模型特别适合于对三维离散空间数据的表达，以及对 具有连续变化的空间对象的模拟。网络的特征参数包括网格尺 寸、形状、方位等，对同一地理现象可以由若干不同的尺度、 不同的聚分性网络来覆盖。 镶嵌数据模型按照网格形状可分为规则镶嵌数据模型和不规则 镶嵌数据模型，镶嵌模型的典型应用是地形曲面模拟，即数字 高程模型，其中基于正

4、方形网络的镶嵌数据模型为栅格DEM， 而基于不规则镶嵌数据模型为不规则三角网DEM。 镶嵌数据模型 DEM数据组织与管理10 镶嵌数据模型 规则镶嵌数据模型 概念：就是用规则的小面块集合来逼近不规则分布的地形 曲面。在二维空间中可以有多种可能的规则格网划分方法, 如图。 基于正方形的规则镶嵌数据模型是应用最为广泛的数据模 型，同时也是目前数字高程模型的主要结构之一。 DEM数据组织与管理11 镶嵌数据模型 规则镶嵌数据模型 构造规则镶嵌模型的方法： 用数学手段将研究区域进行网格划分，把连续的地理 空间离散为互不覆盖的网格，然后对网格单元附加相 应的属性信息（即高程值）。 例如对规则格网的DEM

5、而言，一般通过曲面拟合方法求 得栅格单元的高程值。 DEM数据组织与管理12 镶嵌数据模型 规则镶嵌数据模型 评价评价 优点： （1）其数据结构为通常的二维矩阵结构，每个网格单元表示二维 空间的一个位置，不管是沿水平方向还是垂直方向，均能方便地 利用简单的数学公式访问任何位置的格网单元； （2）处理这种结构的算法比较多而且成熟，大多数计算机程序语 言都有矩阵处理功能。 （3）以矩阵形式存储和组织数据还具有隐式坐标，即格网单元的 平面坐标隐含在矩阵的行列号之中，从而不需要进行坐标数字化。 缺点：是不管地形变化复杂还是简单，均采用相同的结构，导致 数据冗余而给数据管理带来不便。 DEM数据组织与管

6、理13 镶嵌数据模型 规则格网数据模型的两个理解 格网栅格的观点：格网单元的数值即其中所有点的值，对 应实地单元区域内高程为均一高程。 点栅格观点：格网单元的数值是格网中心点的数值，其它 任意点高程通过内插方式确定 适用于什么地形？ DEM数据组织与管理14 镶嵌数据模型 不规则镶嵌数据模型 概念：概念：是指用来进行镶嵌的小面块具有不规则的形状和边界， 如图。 DEM数据组织与管理15 镶嵌数据模型 不规则镶嵌数据模型 构造方法： 在DEM中，基于三角形的不规则镶嵌模型又称为不规则三角 网（Triangulated Irregular Network，简称TIN），是DEM的 又一主要表达形式

7、。 区域内任意点的取值： 三角形顶点-取顶点值 三角形边上-通过两端点内插 三角形内-平面内插函数 TIN模型是三维空间上的分段线性模型，整个区域内连续但 不可微。 DEM数据组织与管理16 镶嵌数据模型 不规则镶嵌数据模型 评价评价 特点： 不规则三角网数字高程模型由连续的三角面组成，三 角形的形状、大小取决于不规则分布的点的位置和密 度。地形变化越简单，采样点就越少，则单元格就越 大；反之地形变化比较复杂，数据点分布比较密集， 格网单元就越小。 与规则格网的区别： TIN模型不需要维护模型的结构规则性，不但能灵活地 随地形的复杂程度而改变格网单元大小，避免平坦地 形的数据冗余，而且又能按地

8、形特征点线如山脊点、 山谷线、地形变化线等表示地形特征。 DEM数据组织与管理17 镶嵌数据模型 基于F-DEM数据模型构建的梯田DEM 特征嵌入式数据模型（Feature preserved-DEM，F-DEM） 是矢量栅格混合数据模型中的一种，即将特征要素（points、 lines and areas，PLA）嵌入到规则或不规则镶嵌数据模型中。 DEM数据组织与管理18 2.2 DEM2.2 DEM数据结构数据结构 DEM数据组织与管理19 2.2.12.2.1规则格网规则格网DEMDEM数据结构数据结构 （1 1）简单矩阵结构）简单矩阵结构 规则格网规则格网DEMDEM的数据在水平方向

9、和垂直方向的间隔相等，的数据在水平方向和垂直方向的间隔相等， 格网点的平面坐标隐含在行列号中，故适宜用矩阵形式格网点的平面坐标隐含在行列号中，故适宜用矩阵形式 进行存储，即按行（或列）逐一记录每一个格网单元的进行存储，即按行（或列）逐一记录每一个格网单元的 高程值。高程值。 同时为了实现行列号和平面位置坐标之间的转换，还需同时为了实现行列号和平面位置坐标之间的转换，还需 要 记 录 格 网要 记 录 格 网 西 南 角 的 坐 标 值 、 格 网 间 距西 南 角 的 坐 标 值 、 格 网 间 距 等 。等 。 规则格网规则格网DEMDEM的数据文件一般包含的数据文件一般包含数据头数据头和和

10、数据体数据体。 数据头数据头：定义：定义DEMDEM西南角起点坐标、坐标类型、格网间距、西南角起点坐标、坐标类型、格网间距、 行列数、最低高程以及高程放大系数等内容。行列数、最低高程以及高程放大系数等内容。 数据体数据体：按行或列分布记录的高程数字阵列。：按行或列分布记录的高程数字阵列。 DEM数据组织与管理20 ArcviewArcview的文本文件格式的文本文件格式 DEM数据组织与管理21 （2 2）行程编码结构）行程编码结构 DEMDEM行程编码的行程编码的基本思路基本思路是：对于一幅是：对于一幅DEMDEM，常常在行，常常在行( (或列或列) )方方 向上相邻的若干点具有相同的高程值

11、，因而从第一列开始，在向上相邻的若干点具有相同的高程值，因而从第一列开始，在 格网单元数值发生变化时格网单元数值发生变化时依次记录该值以及重复的个数依次记录该值以及重复的个数，应用，应用 时可利用重复个数恢复时可利用重复个数恢复DEMDEM矩阵。矩阵。 行程编码方案实际上是一种行程编码方案实际上是一种栅格数据的压缩方案栅格数据的压缩方案，能够有效的，能够有效的 减少减少DEMDEM数据存储量，特别是对平坦地区。数据存储量，特别是对平坦地区。 行程？行程？ DEM数据组织与管理22 行程长度编码课堂小练习 请对本页栅格数据进行行程编码 DEM数据组织与管理23 （3 3）块状编码结构）块状编码结

12、构 块状编码方案是行程编码方案块状编码方案是行程编码方案从一维扩展到二维从一维扩展到二维的情况，的情况， 它采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的它采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的 若干栅格。若干栅格。 该数据结构是由记录单元的初始该数据结构是由记录单元的初始 位置位置( (行、列号行、列号) )、格网单元高程、格网单元高程 值和方形区域半径值和方形区域半径( (正方形区域正方形区域 的边长，采用格网间距倍数表示的边长，采用格网间距倍数表示) ) 所组成的单元组，即所组成的单元组，即( (行号，列行号，列 号，格网高程值，区域半径号，格网高程值，区域半径) )， 整个

13、整个DEMDEM数据文件由该单元组组数据文件由该单元组组 成，成，根据初始位置和区域半径可根据初始位置和区域半径可 恢复高程矩阵恢复高程矩阵。 DEM数据组织与管理24 （4 4）四叉树结构）四叉树结构 四叉树数据结构是一种对栅格数据的四叉树数据结构是一种对栅格数据的压缩编码方法压缩编码方法。 常规四叉树：基本思想是将一幅栅格数据层或图像等分为四个部常规四叉树：基本思想是将一幅栅格数据层或图像等分为四个部 分，逐块检查其格网属性值（或灰度）；如果某个子区的所有格分，逐块检查其格网属性值（或灰度）；如果某个子区的所有格 网值都具有相同的值，则这个子区就不再继续分割，否则还要把网值都具有相同的值，

14、则这个子区就不再继续分割，否则还要把 这个子区分割为四个子区；这样依次分割，直到每个子块都只含这个子区分割为四个子区；这样依次分割，直到每个子块都只含 有有相同的属性值或灰度相同的属性值或灰度为止。为止。 实际上，在地理信息系统中不 采用常规四叉树，而是采用线 性四叉树。 DEM数据组织与管理25 2.2.2 TIN2.2.2 TIN结构结构 不规则三角网不规则三角网DEMDEM直接利用原始采样点进行地形表面的重建，由连续直接利用原始采样点进行地形表面的重建，由连续 的相互联接的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的相互联接的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布 的观测点的

15、密度和位置。的观测点的密度和位置。 A E D C B 1 6 5 4 3 2 DEM数据组织与管理26 TIN 模型基本结构元素 拓扑关系 DEM数据组织与管理27 TIN 文件组成 A E D C B 1 6 5 4 3 2 三角 形 节点 A1，5，6 B4，5，6 C3，4，6 D2，3，6 E1，2，6 三角形/节点关系表 坐标表 节点坐标 1X1，Y1， Z1 2X2，Y2， Z2 3X3，Y3， Z3 4X4， Y4，,Z4 5X5，Y5， Z5 TIN 模型基本链表结构 拓扑关系隐含 DEM数据组织与管理28 TIN 的数据结构类型 DEM数据组织与管理29 TIN 的面结构

16、TINTIN的面结构在基本链表结构基础上增加了用来描述的面结构在基本链表结构基础上增加了用来描述三角形之间三角形之间 拓扑关系拓扑关系的数据，也就是说的数据，也就是说TINTIN的面结构一般由三个表组成，即的面结构一般由三个表组成，即 坐标表、三角形顶点表以及邻接三角形表。坐标表、三角形顶点表以及邻接三角形表。 特点：由于存储了三角形之间的邻接关系，特点：由于存储了三角形之间的邻接关系，TINTIN内插、检索、等内插、检索、等 高线提取、显示及局部结构分析都比较方便。高线提取、显示及局部结构分析都比较方便。 不足：存储量较大，而且在不足：存储量较大，而且在TINTIN的编辑中要随时维护这种关系

17、。的编辑中要随时维护这种关系。 DEM数据组织与管理30 TIN 的点结构 TINTIN的点结构由坐标文件和三角形顶点的邻接指针链组成。的点结构由坐标文件和三角形顶点的邻接指针链组成。 三角形顶点的邻接点是指三角形顶点的邻接点是指共用该顶点的所有三角形其余两顶点共用该顶点的所有三角形其余两顶点 的的不重复顶点不重复顶点的集合的集合，可按顺时针或逆时针方向顺序组成。，可按顺时针或逆时针方向顺序组成。 每个顶点的邻接点顺次存储在一个链表中。每个顶点的邻接点顺次存储在一个链表中。 特点：存储量小，编辑方便。特点：存储量小，编辑方便。 不足：但三角形及其邻接关系需实时再生成，计算量比较大。不足：但三角

18、形及其邻接关系需实时再生成，计算量比较大。 1 4 3 4 5 5 2 1e e1 e2 2 6 e3 e4 3 e5 e7 e6 e8 9 e10 DEM数据组织与管理31 TIN 的点面结构 在点结构基础上，增加组成三角形三顶点的数表。在点结构基础上，增加组成三角形三顶点的数表。 特点：结构存储量与面结构的大致相当，编辑、显示比较方便。特点：结构存储量与面结构的大致相当，编辑、显示比较方便。 不足；由于三角形之间的关系是隐式的，检索与内插效率不太高。不足；由于三角形之间的关系是隐式的，检索与内插效率不太高。 1 4 3 4 5 5 2 1e e1 e2 2 6 e3 e4 3 e5 e7

19、e6 e8 9 e10 DEM数据组织与管理32 TIN 的边结构 TINTIN的边结构是从组成整个的边结构是从组成整个TINTIN模型的所有三角形中，模型的所有三角形中， 抽取其不重复边集所组成。抽取其不重复边集所组成。 特点：存储量比较小，非常适合等高线的提取特点：存储量比较小，非常适合等高线的提取 不足：编辑、内插以及检索不太方便。不足：编辑、内插以及检索不太方便。 1 4 3 4 5 5 2 1e e1 e2 2 6 e3 e4 3 e5 e7 e6 e8 9 e10 DEM数据组织与管理33 TIN 的边面结构 边面结构重点在于刻画三角形边和三角形面之间的边面结构重点在于刻画三角形边

20、和三角形面之间的 拓扑关系，一般由拓扑关系，一般由边表和邻接三角形表边表和邻接三角形表组成。在边组成。在边 表中，定义该边的起点、终点和左右相邻三角形，表中，定义该边的起点、终点和左右相邻三角形， 而邻接三角形表中则记录三角形之间的拓扑关系。而邻接三角形表中则记录三角形之间的拓扑关系。 特点特点：为上述所有结构中存储量最大的，虽然在检：为上述所有结构中存储量最大的，虽然在检 索、等高线提取等方面比较方便。索、等高线提取等方面比较方便。 不足不足：不利于动态更新和维护。：不利于动态更新和维护。 1 4 3 4 5 5 2 1e e1 e2 2 6 e3 e4 3 e5 e7 e6 e8 9 e1

21、0 DEM数据组织与管理34 不同TIN结构对比 方便,随时可用 数据维护不方便 数据维护不方便 较方便,专用算法生成 较方便,生成工作量较大 显式 隐式 隐式 隐式 显式 264 248 224 160 370 面结构 点结构 点面结构 边结构 边面结构 拓扑关系存储量结构 1 4 3 e1 e2 2 6 e3 e4 3 e5 e6 e8 2 1e9 5 e7 4 e10 5 应用 DEM数据组织与管理35 三角形结构注意点 一味追求存储量而忽视对拓扑信息的显式表达， 这样会导致应用时的信息量不足而影响执行效 率，如当要用拓扑关系时需临时生成等； 大量地存储显式关系而导致存储空间过大，不利

22、于大范围的模型建立。 DEM数据组织与管理36 p不规则三角网不规则三角网DEMDEM的的优点优点是：是： 能充分利用地貌的特征点和特征线，较好地表示能充分利用地貌的特征点和特征线，较好地表示 复杂地形；复杂地形； 可根据不同的地形，选取合适的采样点数；可根据不同的地形，选取合适的采样点数； 进行地形分析和绘制立体图也很方便。进行地形分析和绘制立体图也很方便。 p其其缺点缺点是：由于数据结构复杂，因而不便于规是：由于数据结构复杂，因而不便于规 范化管理，难以与矢量和栅格数据进行联合分析。范化管理，难以与矢量和栅格数据进行联合分析。 DEM数据组织与管理37 规则格网DEM不规则三角网TIN 优

23、点优点 简单的数据存储结构； 与遥感影像数据的相合性； 良好的表面分析功能； 较少的点可获取较高的精度； 可变分辨率； 良好的拓扑结构 缺点缺点 计算效率较低； 数据冗余； 格网结构规则； 表面分析能力较差； 构建比较费时； 算法设计比较复杂； 规则格网DEM和TIN的对比 DEM数据组织与管理38 2.2.3 2.2.3 格网与不规则三角网结构混合结构格网与不规则三角网结构混合结构 由于规则格网由于规则格网DEMDEM和不规则三角网各有优缺点，和不规则三角网各有优缺点， 在实际应用中，在在实际应用中，在大范围内一般采用规则格网大范围内一般采用规则格网 附加地形特征数据附加地形特征数据，如地形

24、特征点、山脊线、，如地形特征点、山脊线、 山谷线、断裂线等，构成全局高效、局部完美山谷线、断裂线等，构成全局高效、局部完美 的的DEMDEM，规则格网，规则格网DEMDEM被分割而形成一个局部的被分割而形成一个局部的 不规则三角网。不规则三角网。 DEM数据组织与管理39 格网与不规则三角网结构混合结构 DEM数据组织与管理40 由于特征线作为矢量数据具有比规则格网复杂由于特征线作为矢量数据具有比规则格网复杂 得多的拓扑结构和属性内容，一般还是采用混得多的拓扑结构和属性内容，一般还是采用混 合的数据结构分别进行处理。合的数据结构分别进行处理。 当然也可以设计一个一体化的数据结构同时组当然也可以

25、设计一个一体化的数据结构同时组 织这些不同类型的数据，比如将所有矢量都栅织这些不同类型的数据，比如将所有矢量都栅 格化。另外，考虑到混合结构将导致数据管理格化。另外，考虑到混合结构将导致数据管理 复杂化并降低数据检索的效率，根据研究区域复杂化并降低数据检索的效率，根据研究区域 的大小和软件性能，应用时常常将的大小和软件性能，应用时常常将其实时地完其实时地完 全转换为全转换为TINTIN的数据结构的数据结构。 DEM数据组织与管理41 2.3 DEM2.3 DEM数据库管理数据库管理 2.3.1 DEM2.3.1 DEM数据库内容数据库内容 DEMDEM已成为已成为GISGIS的核心数据库和地学

26、分析的基础数据的核心数据库和地学分析的基础数据。 DEMDEM数据与遥感影像数据、矢量特征数据、多媒体数据等数据进行融数据与遥感影像数据、矢量特征数据、多媒体数据等数据进行融 合和信息的复合处理，合和信息的复合处理，DEMDEM从单一的文件结构向复杂的信息系统发展从单一的文件结构向复杂的信息系统发展 已成为一种必然的趋势。已成为一种必然的趋势。 DEMDEM数据库属空间数据库，数据库属空间数据库，DEMDEM数据库的设计数据库的设计内容如图内容如图。 DEM数据组织与管理42 在一个关系数据库里最普通的对象是在一个关系数据库里最普通的对象是关系表关系表，其他对象如索引、视，其他对象如索引、视

27、图、序列、同义字和数据字典等都用来进行查询和数据存取。图、序列、同义字和数据字典等都用来进行查询和数据存取。 表是基本的存储结构，是一个由若干行和列的数据元素组成的二表是基本的存储结构，是一个由若干行和列的数据元素组成的二 维矩阵。维矩阵。 表的表的每一行包含了描述一个实体的所有信息每一行包含了描述一个实体的所有信息，而其中的，而其中的一列则表一列则表 示这个实体的一个属性示这个实体的一个属性。 当使用关系型数据库时，高效的空间索引至关重要。当使用关系型数据库时，高效的空间索引至关重要。 SDE：DEM数据的分解存储。数据的分解存储。 DEM数据组织与管理43 DEM数据库结构实质上是数据库结

28、构实质上是DEM的数据结构的数据结构。对于。对于TIN而而 言，一般是把言，一般是把三角形的顶点看作数据库中的基本实体三角形的顶点看作数据库中的基本实体， 并在此基础上定义是三角形顶点、三角形边、三角形并在此基础上定义是三角形顶点、三角形边、三角形 面之间的拓扑关系。面之间的拓扑关系。 在在DEM构建过程中，还有一类比较重要的数据，即构建过程中，还有一类比较重要的数据，即地形地形 特征数据特征数据，如地形断裂线、特殊边界线、山脊线、山，如地形断裂线、特殊边界线、山脊线、山 谷线等，它们是高精度逼真再现地形的保证，同时也谷线等，它们是高精度逼真再现地形的保证，同时也 是信息复合的需要，一般在是信

29、息复合的需要，一般在DEM数据库中也予以保留。数据库中也予以保留。 它们的结构如下图所示。它们的结构如下图所示。 2.3.2 DEM2.3.2 DEM数据库结构数据库结构 DEM数据组织与管理44 DEM数据组织与管理45 2.3.3 DEM2.3.3 DEM数据库数据组织数据库数据组织 定义：定义：DEMDEM数据的管理和调度方式。数据的管理和调度方式。 组织方式：组织方式：“工程工程- -工作区工作区- -图幅图幅” 工程工程：是指一个区域内的：是指一个区域内的全部全部DEMDEM数据数据。 图幅图幅：是按照一定规则对研究区域进行：是按照一定规则对研究区域进行二维划分二维划分是是DEMDE

30、M数据采集、建立、数据采集、建立、 操作和调度的基本单位，每一个图幅由若干行和若干列格网单元组成。操作和调度的基本单位，每一个图幅由若干行和若干列格网单元组成。 工作区工作区：是当前感兴趣的研究区域，一般情况下工作区就是图幅，如：是当前感兴趣的研究区域，一般情况下工作区就是图幅，如 果需要，也可将果需要，也可将多个图幅定义为一个工作区多个图幅定义为一个工作区。 图幅由坐标范围定义，通过记录每一个图幅范围的空间索引文件图幅由坐标范围定义，通过记录每一个图幅范围的空间索引文件( (工作工作 区范围通过图幅范围确定区范围通过图幅范围确定) )，即可建立工程与工作区、图幅之间的联系。，即可建立工程与工

31、作区、图幅之间的联系。 DEM数据组织与管理46 当一个工程具有不同的分辨率的当一个工程具有不同的分辨率的DEM时，则形时，则形 成细节层次模型（成细节层次模型（levels oF Detail LOD）。）。 LOD模型形成方案：模型形成方案： （1）形成某一地区不同分辨率的）形成某一地区不同分辨率的DEM，通过，通过 一体化管理建立金字塔数据库一体化管理建立金字塔数据库核心是不同分核心是不同分 辨率辨率DEM的融合。的融合。 （2）在地形可视化中，实施细节分层）在地形可视化中，实施细节分层是一个是一个 热点。热点。 DEM数据组织与管理47 图 幅 由 坐 标 范 围 定 义 ， 例 如

32、， 图 幅图 幅 由 坐 标 范 围 定 义 ， 例 如 ， 图 幅 H 的 范 围 是的 范 围 是 （270,120,280,130）。通过记录每一个图幅范围的）。通过记录每一个图幅范围的空间索引文空间索引文 件件（工作区范围通过图幅范围确定），即可建立工程与工作区、（工作区范围通过图幅范围确定），即可建立工程与工作区、 图幅之间的联系，用户可以在工程界面下，确定整个工程内任图幅之间的联系，用户可以在工程界面下，确定整个工程内任 意一点的意一点的DEM值，也可在工程内开窗、放大、漫游、查询、分值，也可在工程内开窗、放大、漫游、查询、分 析和制图。在工程析和制图。在工程-工作区工作区-图幅层次结构空间索引下，可保证图幅层次结构空间索引下，可保证 DEM数据的快速查询和无缝浏览。数据的快速查询和无缝浏览。 上述空间索引模式对格网上述空间索引模