数字地面模型原理及应用 (自动保存的)

1、数字地面模型原理及应用课程复习大纲第一讲概论1. 熟练掌握地图表达地表形态的内容和基本特点；掌握等高线地形图的特性；A 对客观存在的特征和变化规则的一种科学的概括（综合）和抽象。基本特性：可量测性Z数学法则；一览性Z制图综合；直观性Z内容符号。B 等高线地形图：用来准确描述地貌形态的地图。特点：所有的地形信息都正交地投影在水平面上；用线化和符号表示缩小后的地物；地物高度和地形起伏信息有选择性的用等高线进行表达。2. 熟练掌握影像表达地表形态的特点和优势；特点：周期短；覆盖面广；现势性强；能够重建实际地形的立体模型；能够进行精确的三维量测优势：细节丰富；成像快速；直观逼真；3. 熟练掌握模型的概

2、念；熟练掌握模型的层次；模型：用来表现其它事物的一个对象或概念，是按比例缩减并转变到我们能够理解的形式的事物本体。模型的层次：建模的初级阶段：概念模型（基于个人的经验与知识在大脑中形成的关于状况或对象的模型。），模拟的模型：物质模型，基于数字系统的定量模型：数学模型（根据问题的确定性和随机性可分为函数模型和随机模型。）。4. 熟练掌握数字高程模型的概念；掌握数字高程模型的分类体系；熟练掌握数字高程模型的特点；概念：通过有限的地形高程数据，实现对地形曲面的数字化模拟，或者说是地形表面形态的数字化表示。狭义概念：DEM是区域地表面海拔高程的数字化表达。广义概念：DEM是地理空间中地理对象表面海拔高

3、度的数字化表达。数学上的：DEM是定义在二维空间上的连续函数H=f(x,y)，即区域D的采样点或内插点Pj按某种规则连接成的面片M的集合数字高程模型的研究内容：地形数据采集；地形建模与内插；数据组织与管理；地形分析与地学应用；DEM可视化；不确定性分析和表达。数字高程模型分类体系：特点：精度的恒定性；表达的多样性；更新的实时性；尺度的综合性。5. 熟练掌握数字高程模型与数字地面模型的联系与区别；数字地面模型：描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列。数字地面模型是对某一种或多种地面特性空间分布的数字描述，是叠加在二维地理空间上的一维或多维地面特性向量空间，是地理信息系统（GIS）空间数据

4、库的某类实体或所有这些实体的总和。数字地面模型的本质共性是二维地理空间定位和数字描述。所有数字地面模型所包含的任何一个可转换为数字的地面特性数据，都与特定的二维地理坐标值相结合。数字地面模型所包含的地面信息类型（GIS）：地貌信息；基本地物信息；主要的自然资源和环境信息；主要的社会经济信息6. 熟练掌握地形高程数据的获取方法；地形图数字化：主要数据源，可通过手工数字化、半自动等高线跟踪、扫描数字化等方式实现影像数据：包括航空影像和卫星影像数据，是大范围、高精度、高分辨率DEM建立的最有价值的数据源野外（地面测量）：可获得最精确的高程和平面数据，但工作量大、周期长、成本高第二讲 DEM数据组织与

5、管理1. 掌握空间数据模型设计的基本原则；1) 适用性：满足主要用户的需求，并充分兼顾潜在用户的需求；2) 运行性：快速显示和查询，保持正常运行，可以及时提供数据产品；3) 更新性：能对数据库中的数据进行增加、修改和删除，方便地扩充和进行数据更新；4) 相关性：保证与其它基础地理信息产品的相关性，使数据库在数学基础、坐标系统以及产品一致性方面相关；5) 相容性：与其它数据库系统兼容，可以共享或相互交换数据；6) 先进性：采用科学的技术手段，使系统保持一定的先进性；7) 高质量：与原始资料一致，数据质量可靠，数据标准、规范；8) 完备性：除了基本的数据体外，有完备的元数据内容；9) 安全性：有严

6、密的权限控制机制。2. 熟练掌握镶嵌数据模型的概念和基本思想；掌握镶嵌数据模型的基本原理和构造方法；概念：基本思想：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区域。基本原理：用规则的小面块集合来逼近不规则分布的地形曲面。结构方法：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。3. 熟练掌握规则镶嵌数据模型的优点和缺点；优点：A 其数据结构为二维矩阵结构，格网单元表示二维空间位置，利用数学公式访问方便，算法多且成熟；B 具有隐式坐标，不需要进行坐标数字化。缺点：不管地形变化复杂还是简单，均采用

7、相同的结构，导致数据冗余而给数据管理带来不便。4. 熟练掌握行程编码结构的基本思路；掌握块状编码结构的基本原理；熟练掌握四叉树数据结构的基本思想；行程编码结构的基本思路：对于一幅DEM，常常在行（或列）方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依次纪录该值以及重复的个数，应用时可利用重复个数恢复DEM矩阵。块状编码结构的基本原理：行程编码方案从一维到二维的扩展，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。四叉树数据结构的基本思想：首先把一幅图象或一幅栅格地图(2n×2n，n1)等分成4部分，逐块检查其栅格值，若每个子区中所有栅格都含有

8、相同值，则该子区不再往下分割，否则，将该区域再分割成4个子区域，如此递归地分割，直到每个子块都含有相同的灰度或属性值为止，称为自上往下(Top to Down)的四叉树 。四叉树数据结构实质：把原来大小相等的栅格集合转变成大小不等的正方形集合，并对不同尺寸和位置的正方形集合赋予一个位置码。熟练掌握规则格网DEM与不规则三角网（TIN）数据结构之间优缺点比较，并熟练掌握模型采用何种结构主要考虑的因素；5. 熟练掌握元数据的概念；掌握DEM元数据的基本作用。第三讲 DEM数据获取方法1. 掌握坡度的概念和计算方法；坡度：表示地表面在该点倾斜程度的一个量。基于矢量数据的算法：坡度=arctan(h*

9、L/P) (P为测区面积，l是测区等高线长度，h是等高距。)2. 熟练掌握DEM数据源的三大属性；数据分布:指采样数据位置及分布数据密度:指采样数据的密集程度，与研究区域的地貌类型和地形复杂程度相关.(采样间隔、单位面积内的点数、单位线段上的采样点数、截止频率)数据精度：与数据源、数据采集方法和数据采集的仪器密切相关。3. 熟练掌握采样的理论背景；理论背景：地表包含无穷多的点；特定区域的地表信息可通过DEM的重建完整表达出来；只需要测量表达相应地表所需要的数据点以达到一定的地形表面精度和可信度即可。 4. 熟练掌握基本的采样方法；1) 沿等高线采样在模型上沿等高线采集高程点，可按等距离间隔记录

10、数据或按等时间间隔记录数据方式进行，适合于地形复杂及陡峭地区；2) 规则格网采样通过规定X和Y轴方向的间距来形成平面格网，在立体模型上量测这些格网点的高程。方法简单、精度较高、作业效率也较高；特征点可能丢失；3) 剖面法采样方法类似规则格网采样，区别在于格网法中量测点是在格网的两个方向上都规则采样，而剖面线法只沿一个方向即剖面方向采样；其采样速度优于格网采样，但精度较格网采样低；4) 渐进采样法先按预定的比较稀疏的间隔进行采样，获得一个较稀疏的格网，然后分析是否需要对格网加密；5) 选择性采样为了准确反映地形信息，根据地形特征进行的选择性采样。突出优点在于只需少量的点便能使其所代表的地面具有足

11、够的可信度；6) 混合采样选择采样与规则格网采样或选择采样与渐进采样相结合，在地形突变处以选择采样的方式进行，然后将这些特征线和另外一些特征点加入到规则格网数据中。具有格则格网采样与渐进采样的优点，但数据的存储管理与应用均较复杂。5. 熟练掌握DEM原始数据粗差处理的特殊性。不存在平差问题；粗差大小难于界定；DEM不但强调高程数据的准确性，更为重要的是还要强调对地形表达的真实性，故DEM原始数据粗差探查要从单个独立数据、局部地形和整体区域三方面综合考虑第四讲 DEM内插1. 熟练掌握DEM内插的概念：根据相邻若干参考点高程值求出待定点高程值。2. 熟练掌握必须进行DEM内插的情况；A. 现有的

12、离散点的分辨率与所要求的不符，需要重新插值；B. 现有的连续曲面的数据模型与所需的数据模型不符，需要重新插值；C. 现有的数据不能完全覆盖所要求的区域范围，需要插值。3. 熟练掌握DEM的本质；DEM的实质就是一个分片的曲面（平面）模型，无论是DEM建立还是DEM点的高程内插，一般都是在局部范围进行。4. 熟练掌握DEM内插的基本原理和方法分类；DEM内插的基本原理：1. 任意一种内插方法都是基于原始地形起伏变化的连续光滑性，或者说邻近的数据点间有很大的相关性才可能由邻近的数据点内插出待定点的高程；2. 对高程点的位置变换和加密处理，其数学基础是二元函数逼近，即利用已知地形采样点集的三维空间数

13、据坐标，展铺一张连续的数学曲面，将任一待求点的平面坐标代入曲面方程，可求得该点的高程数据。DEM内插的方法分类：a) 整体内插：在整个区域用一个数学函数来表达地形曲面。b) 分块内插：将地形区域按一定的方法进行分块，对每一块根据地形曲面特征单独进行曲面拟合和高程内插。c) 逐点内插法：以内插点为中心，确定一个邻域范围，用落在邻域范围内的采样点计算内插点的高程值。熟练掌握逐点内插法的基本概念和原理；掌握逐点内插法的基本步骤；概念：以内插点为中心，确定一个邻域范围，用落在邻域范围内的采样点计算内插点的高程值。原理：基本步骤：定义内插点的邻域范围；确定落在邻域内的采样点；选定内插数学模型；通过邻域内

14、的采样点和内插数学模型计算内插点的高程。掌握整体内插、分块内插、逐点内插和剖分内插的优缺点比较。第五讲不规则三角网TIN的建立1. 熟练掌握基于不规则三角网的数字高程模型的概念；基于不规则三角网的数字高程模型（TIN）是指用一系列不交叉、互不重叠的连接在一起的三角形来表示地形表面。2. 掌握TIN的基本元素；3. 熟练掌握TIN模型中三角形几何形状的基本原则；1) 尽量接近正三角形；2) 保证最近的点形成三角形；3) 三角形网络唯一。(在同一准则下，由不同的位置开始建立三角形网络，其最终的形状和结构应是相同的。)4. 掌握常用的三角剖分准则，熟练掌握空外接圆准则；三角剖分准则p 空外接圆准则在

15、TIN中，过每个三角形的外接圆均不包含点集的其余任何点。p 最大最小角准则在两相邻三角形形成的凸四边形中，这两三角形中的最小内角一定大于交换凸四边形对角线后所形成的两三角形的最小内角。p 最短距离和准则在TIN中，一点到基边两端的距离和为最小。p 张角最大准则一点到基边的张角为最大。p 面积比准则三角形内切圆面积与三角形面积或三角形面积与周长平方之比最小。p 对角线准则两三角形组成的凸四边形的两条对角线之比超过给定限定值时，对三角形进行优化。理论上可以证明：张角最大准则、空外接圆准则及最大最小角准则是等价的。5. 掌握Delaunay三角网的概念和特性；熟练掌握局部优化过程(LOP)的概念和基本思想；Delaunay三角网:指在空外接圆准则、最大最小角准则下进行的三角剖分，简称DT