L数字地形高程模型

1、L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型科技论文（报告）组成 题目 姓名 作者通讯地址 摘要：简要说明本文内容，不超过300字 关键词：3-5个 前言：说明为什么要写本文 正文：可分成几个部分专门说明 结语：对全文进行总结 参考文献：文中引用的文献均要编号并在文中注明L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型水信息学导论第三讲数字地形高程模型（DEM）与流域空间分析L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型数字地面模型数字地面模型 数字地面模型(DigitalTerrainModel，DTM) 是用数字形式表示地表事物空间位置和性质的地理信息模型。地面(Terrain

2、)在空间信息中的含义指空间点位(X、Y、Z)，其中Z值具有广泛的含义，可以指具有数量特征的地理事物和地理现象如地形、气温、降水量，也可以指相关的定性特征如土壤类别、地貌类型。在空间数据库中，一般用属性字段表达空间事物第三维特征，由于属性表可有多个字段，表述地物的不同性质，因此Z值还具有多维性。因为Z值不具有完全的三维空间坐标性质，因此把DTM看作25维模型。按照这个观点，遥感影像、数字地图、数学方程式组解析形式表达的地面事物，都可视为DTM。地理信息是具有空间维、时间维和属性维的多维信息。从这个观点看，DTM是地理信息的一种表达思想和方法，并且与信息具体的处理技术建立了联系。L数字地形高程模型

3、数字地形高程模型数字地形高程模型数字高程模型数字高程模型什么是数字高程模型： Digital Elevation Model 描述地面高程空间分布的数学模型。L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型数字高程模型数字高程模型 数字高程模型用来表达地形起伏。 地形作为基本的地理要素，影响和制约着其他地理要素的空间结构、空间分布和发展演化，因此地理空间分析对地形十分重要。 DEM可以为其他地理要素提供地形信息。 地面植被空间信息从DEM获得点位高程数据，可以进行植被的地形分布规律研究； 用DEM进行遥感图像正射校正，不但可以纠偏，而且可以使平面图像像元具有地形高程信息。 用DEM，可以对流

4、域进行三维空间分析L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型DEM的表示法 一个地区的地表高程的变化可以采用多种方法表达，用数学定义的表面或点、线、影像都可用来表示DEM。 L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型DEM的表示法 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拟合，根据有限个点进行拟合形成高程曲面。 L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型DEM的表示法 图形方法 线模式:等高线是表示地

5、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。 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； 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。 L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型DEM的表示法 L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型DEM的主要表示模型 由于地型变化复杂，没有明显规律，难以用连续的数学方程表达，一般将地面按一定的方法划分成若干个多边形，从而形成一个离散网络，并用

6、这个离散网络描述地面高程的空间变化。 每一个网络单元，即单元网格的高程用该多边形的平均高程或代表点的高程表示。DEM最主要的三种表示模型是：规则格网模型，等高线模型和不规则三角网模型 L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型DEM的主要表示模型 规则格网模型 规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域空间划分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素，对应一个高程值。L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型 高程矩阵（规则矩形格网）高程矩阵（规则矩形格网）:D

7、EMDEM来源于直接规则矩形格网采来源于直接规则矩形格网采样点或由规则或不规则离散数据点内插产生。由于计算机对矩样点或由规则或不规则离散数据点内插产生。由于计算机对矩阵的处理比较方便，特别是以栅格为基础的阵的处理比较方便，特别是以栅格为基础的GISGIS系统中高程矩阵系统中高程矩阵已成为已成为DEMDEM最通用的形式。最通用的形式。 规则格网模型L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型规则网格模型规则网格模型将区域空间分为规则将区域空间分为规则的网格单元（可以是的网格单元（可以是正方形或三角形），正方形或三角形），每个单元对应一个数每个单元对应一个数值。值。XYL数字地形高程模型数字

8、地形高程模型数字地形高程模型DEM的主要表示模型 对于每个格网的数值有两种不同的解释。第一种是格网栅格观点，认为该格网单元的数值是其中所有点的高程值，即格网单元对应的地面面积内高程是均一的高度，这种数字高程模型是一个不连续的函数。 第二种是点栅格观点，认为该网格单元的数值是网格中心点的高程或该网格单元的平均高程值，这样就需要用一种插值方法来计算每个点的高程。计算任何不是网格中心的数据点的高程值，使用周围4个中心点的高程值，采用距离加权平均方法进行计算，当然也可使用样条函数和克里金插值方法。L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型DEM的主要表示模型 规则格网的高程矩阵，可以很容易地用

9、计算机进行处理，特别是栅格数据结构的地理信息系统。它还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形，使得它成为DEM最广泛使用的格式，目前许多国家提供的DEM数据都是以规则格网的数据矩阵形式提供的。 格网DEM的缺点是不能准确表示地形的结构和细部。为避免这些问题，可采用附加地形特征数据，如地形特征点、山脊线、谷底线、断裂线，以描述地形结构。L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型DEM的主要表示模型 格网DEM的另一个缺点是数据量过大，给数据管理带来了不方便，通常要进行压缩存储。DEM数据的无损压缩可以采用普通的栅格数据压缩方式，如游程编码、块码等，但是由于DEM 数

10、据反映了地形的连续起伏变化，通常比较“破碎”，普通压缩方式难以达到很好的效果；因此对于网格DEM数据，可以采用哈夫曼编码进行无损压缩；有时，在牺牲细节信息的前提下，可以对网格DEM进行有损压缩，通常的有损压缩大都是基于离散余弦变换（Discrete Cosine Transformation，DCT）或小波变换（Wavelet Transformation）的，由于小波变换具有较好的保持细节的特性，近年来将小波变换应用于DEM数据处理的研究较多。L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型DEM的主要表示模型 等高线模型 等高线模型表示高程，高程值的集合是已知的，每一条等高线对应一个已知

11、的高程值，这样一系列等高线集合和它们的高程值一起就构成了一种地面高程模型。L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型DEM的主要表示模型 等高线通常被存成一个有序的坐标点对序列，可以认为是一条带有高程值属性的简单多边形或多边形弧段。由于等高线模型只表达了区域的部分高程值，往往需要一种插值方法来计算落在等高线外的其它点的高程，又因为这些点是落在两条等高线包围的区域内，所以，通常只使用外包的两条等高线的高程进行插值。 L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型DEM的主要表示模型 不规则三角网（TIN）模型 规则格网DEM在计算和应用方面有许多优点，但也存在许多难以克服的缺陷 在地

12、形平坦的地方，存在大量的数据冗余； 在不改变格网大小的情况下，难以表达复杂地形的突变现象； 在某些计算，如通视问题，过分强调网格的轴方向。L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型DEM的主要表示模型 不规则三角网（Triangulated Irregular Network, TIN）是另外一种表示数字高程模型的方法，它既减少规则格网方法带来的数据冗余，同时在计算（如坡度）效率方面又优于纯粹基于等高线的方法。 TIN模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果点不在顶点上，该点的高程值通常通过线性插值的方法得到（在边上用边的两

13、个顶点的高程，在三角形内则用三个顶点的高程）。所以TIN是一个三维空间的分段线性模型，在整个区域内连续但不可微L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型DEM的主要表示模型 TIN的数据存储方式比格网DEM复杂，它不仅要存储每个点的高程，还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系，三角形及邻接三角形等关系。TIN模型在概念上类似于多边形网络的矢量拓扑结构，只是TIN模型不需要定义“岛”和“洞”的拓扑关系。L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型DEM的主要表示模型 不规则三角网数字高程由连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不

14、规则分布的测点，或节点的位置和密度。不规则三角网与高程矩阵方法不同之处是随地形起伏变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样点的位置，因而它能够避免地形平坦时的数据冗余，又能按地形特征点如山脊、山谷线、地形变化线等表示数字高程特征。 L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型DEM的建立 DEM数据采集方法 数字摄影测量方法:这是DEM数据采集最常用的方法之一。利用现有的自动记录装置（接口）的立体测图仪或立体坐标仪、解析测图仪及数字摄影测量系统，进行人工、半自动或全自动的量测来获取数据，如航空测量。 地面测量: 利用自动记录的测距经纬仪（常用电子速测经纬仪或全站经纬仪）在野外实测。这种速

15、测经纬仪一般都有微处理器，可以自动记录和显示有关数据，还能进行多种测站上的计算工作。其记录的数据可以通过串行通讯，输入计算机中进行处理。 现有地图数字化:利用数字化仪对已有地图上的信息（如等高线）进行数字化的方法，目前常用的数字化仪有手扶跟踪数字化仪和扫描数字化仪。 空间传感器:利用全球定位系统GPS，结合雷达和激光测高仪，在空间（卫星）进行数据采集。 L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型 DEMDEM的数据采集的数据采集u以航空或航天遥感图以航空或航天遥感图像为数据源像为数据源 :这种方法是这种方法是由航空或航天遥感立体由航空或航天遥感立体像对，用摄影测量的方像对，用摄影测量的

16、方法建立空间地形立体模法建立空间地形立体模型，量取密集数字高程型，量取密集数字高程数据，建立数据，建立DTMDTM。采集数。采集数据的摄影测量仪器包括据的摄影测量仪器包括各种解析的和数字的摄各种解析的和数字的摄影测量与遥感仪器。影测量与遥感仪器。 L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型 DEMDEM的数据采集的数据采集u以地形图为数据源以地形图为数据源 :主要以比例尺不大于主要以比例尺不大于1 1：1 1万的国万的国家近期地形图为数据源，从中量取中等密度地面点集家近期地形图为数据源，从中量取中等密度地面点集的高程数据，建立的高程数据，建立DEMDEM。 L数字地形高程模型数字地形高

17、程模型数字地形高程模型 DEMDEM的数据采集的数据采集u以地面实测记录为数据源以地面实测记录为数据源 用电子速测仪用电子速测仪( (全站仪全站仪) )和电子手簿或测距经纬仪配和电子手簿或测距经纬仪配合合PC1500PC1500等袖珍计算机，在已知点位的测站上，观测等袖珍计算机，在已知点位的测站上，观测到目标点的方向、距离和高差三个要素。计算出目标到目标点的方向、距离和高差三个要素。计算出目标点的点的x x、y y、z z三维坐标，存储于电子手簿或袖珍计算机三维坐标，存储于电子手簿或袖珍计算机中，成为建立中，成为建立DEMDEM的原始数据。这种方法一般用于建立的原始数据。这种方法一般用于建立小

18、范围大比例尺小范围大比例尺( (比例尺大于比例尺大于1 1：5000)5000)区域的区域的DEMDEM，对，对高程的精度要求较高。高程的精度要求较高。 L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型DEM的建立 DEM数据质量控制 数据采集是DEM的关键问题，研究结果表明，任何一种DEM内插方法，均不能弥补取样不当所造成的信息损失。数据点太稀会降低DEM的精度；数据点过密，又会增大数据量、处理的工作量和不必要的存储量。这需要在DEM数据采集之前，按照所需的精度要求确定合理的取样密度，或者在DEM数据采集过程中根据地形复杂程度动态调整采样点密度。 由于很多DEM数据来源于地形图，所以DEM

19、的精度决不会高于原始的地形图。例如U.S.G.S.用数字化的等高线图，通过线性插值生产的最精确的DEM的最大均方误差（RMSE）为等高线间距的一半，最大误差不大于两个等高线间距。通常用某种数学拟合曲面生产的DEM，往往存在未知的精度问题，即使是正式出版的地形图同样存在某种误差，所以在生产和使用DEM时应该注意到它的误差类型。L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型DEM的建立 DEM数据质量控制 DEM的数据质量可以参考美国U.S.G.S.的分级标准，共分为三级：第一级，最大绝对垂直误差50米、最大相对垂直误差21米，绝大多数7.5分幅产品属于第一级；第二级DEM数据对误差进行了平滑

20、和修改处理，数字化等高线插值生产的DEM属于第二级，最大误差为两个等间距，最大均方误差为半个等间距；第三级DEM数据最大误差为一个等间距，最大均方误差为三分之一个等间距。 L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型国内外现有的DEM产品 中国 国家基础地理信息中心 各省测绘局 美国 USGSL数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型

21、基于DEM的流域实质空间分析 流向流向 累积流累积流 坡度坡度 流长流长 河流线河流线 子流域及边界子流域及边界 L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型流向 流向，即水流从一个单元网格向其相邻网格流动的方向，在规则网格模型中，水流有8种不同方向（D8法），分别用8个不同的整数表示：流向 表示整数 东 1东南 2南 4 西南 8西 16 西北 32北 64东北 128 L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型流向 流向根据数字地型高程确定。原则是水流向其8个相邻网格中高程最低的网格中流去，图3是一个计算流向及其它参数的示意图。图3(a)中各网格数字为地型高程值。图3(b)为

22、根据DEM计算得到的流向。流向确定后。即可根据流向标出水流运动的线性流网(汇流网络, Routing Network), 如图3(d)。流网唯一确定了各网格之水流向流域出口运动的路径, 是研究水流运动的重要参数。L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型400382358338281 4222436038432929827621124369355332318275222243583503122742701112437438436435023512812812812L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型累积流累积流(Flow

23、Accumulation) 累积流又可称为累积流入网格数，即水流流入某一网格的上游网格总数，根据流向计算。累积流是计算流域面积的依据。某一单元网格以上流域面积即是单元网格面积乘以该网格的累积流，流域出口单元网格的累积流应等于整个流域单元网格总和。L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型坡度坡度(Slope ) 坡度为单元网格与其相邻8个单元网格中地型变化最大的网格之坡度，即沿流向的坡度，用090之间的整数表示。坡度在研究水流运动时是一个很重要的参数，不仅影响水流运动的速度，也影响水流运动的长度。坡度计算公式如下： tan(i)=(Hi-Hj)/D 当FDi=1，4，16，64时 tan(i)=(Hi-Hj)/1.414D 当FDi=2，8，32，128时 i为i单元的坡度。Hi为i单元地形高程。Hj为沿FDi方向与i单元相邻的单元地形高程。 L数字地形高程模型数字地形高程模型数字地形高程模型单元汇流长度单元汇流长度 为单元中心点汇流至下一相邻单元中心点的距离，假定汇流路径为由两单元中心点高程连接而成的三角形边坡，则单元汇流长度计算公式为： Li =L/cosi 当FDi=1，4，16，64时 L