数字高程模型及地学分析的原理与方法

1、DEMDEM及地学分析第一章及地学分析第一章第一节地表形态表达：从模拟到数字数字地面模型与其他学科的关系数字地面模型与其他学科的关系l 测绘测绘l 遥感遥感l 军事军事l 水文水文l土木工程土木工程l 农林规划农林规划l 地质地质第二节第二节数字高程模型的概念与理解数字高程模型的概念与理解 2 2、数字高程模型定义、数字高程模型定义DEMDEM，(Digital Elevation Models)(Digital Elevation Models)，是通过有是通过有限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟，它表示地表区域上地形的拟，它表示地表区域上地形

2、的三维向量三维向量的的有限有限序列，即地表单元上序列，即地表单元上高程的集合高程的集合，数学表达为：，数学表达为：z=f(xz=f(x，y)y)。 DEM的表示方法的表示方法DEM通常是将有限的采样点用某种规则连接成一系列的曲面或平面片来逼近原始曲面，因此DEM的数学定义为区域D的采样点或内插点Pj按某种规则连接成的面片M的集合连接规则构成DEM的数据结构，可以是呈规则格网分布或不规则分布的格网。 规则格网模式规则格网模式 规则格网法是把规则格网法是把DEMDEM表示成表示成高程矩阵高程矩阵，此时，此时，DEMDEM来源于直接规则矩形格网采样点或由不规则离散数据来源于直接规则矩形格网采样点或由

3、不规则离散数据点内插产生。点内插产生。 结构简单结构简单，计算机对矩阵的，计算机对矩阵的处理处理比较比较方便方便，高程，高程矩阵已成为矩阵已成为DEMDEM最通用最通用的形式。高程矩阵特别的形式。高程矩阵特别有利于有利于各各种应用。种应用。 规则格网模式的缺点规则格网模式的缺点GridGrid系统有下列系统有下列缺点缺点：1 1、地形简单的地区存在、地形简单的地区存在大量冗余数据大量冗余数据；2 2、如不改变如不改变格网大小格网大小, ,则则无法适用无法适用于起于起伏程度不同的地区；伏程度不同的地区；3 3、对于某些特殊计算如、对于某些特殊计算如视线视线计算时，格计算时，格网的网的轴线方向被夸

4、大轴线方向被夸大；4 4、由于栅格过于粗略，、由于栅格过于粗略，不能精确不能精确表示地表示地形的关键特征形的关键特征, ,如山峰、洼坑、山脊等；如山峰、洼坑、山脊等； 不规则三角网不规则三角网( (TINTIN) ) TINTIN（Triangulated Irregular NetworkTriangulated Irregular Network) )表示法利表示法利用所有采样点取得的离散数据，按照用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合优化组合的原则，的原则，把这些离散点把这些离散点( (各三角形的顶点各三角形的顶点) )连接成相互连续的连接成相互连续的三三角面角面( (在连接时，尽可能

5、地确保每个三角形都是在连接时，尽可能地确保每个三角形都是锐角锐角三角形三角形或是三边的或是三边的长度近似长度近似相等相等DelaunayDelaunay) )。 因为因为TINTIN可根据地形的可根据地形的复杂程度复杂程度来确定采样点的来确定采样点的密密度度和和位置位置，能，能充分表示充分表示地形特征点和线，从而地形特征点和线，从而减少了减少了地形较平坦地区的地形较平坦地区的数据冗余数据冗余。 TINTIN的三角剖分的三角剖分TINTIN模型的表现模型的表现第第三节三节数字高程模型的研究内容数字高程模型的研究内容1 1、地形数据采样、地形数据采样数字摄影测量：数字摄影测量：利用带自动记录装置的

6、立体测利用带自动记录装置的立体测图仪或立体坐标仪、解析测图仪及数字摄影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。量系统，进行人工、半自动或全自动的量测。其原理是在摄影图的基础上利用测图仪进行测其原理是在摄影图的基础上利用测图仪进行测量。量。现有地图数字化：现有地图数字化：对已有地图上的信息对已有地图上的信息( (如等如等高线高线) )进行数字化。进行数字化。地面测量：地面测量：利用自动记录的测距经纬仪在野外利用自动记录的测距经纬仪在野外实地测量。实地测量。空间传感器：空间传感器：利用利用GPSGPS，结合雷达和激光测高结合雷达和激光测高仪采集数据。仪采集

7、数据。2、地形建模与内插 DEM是对地形表面的数字化表示，其建立过程实际上是一种数学建模过程，也就是说地形表面被一组相互组织在一起的地形采样点所表达，如果需要该数学表面上其它位置处的高程值，可应用一种内插方法来进行处理。 2 2、地形建模与内插、地形建模与内插 根据参考点上的高程求出其它待定点上的高程， u整体函数内插 u局部函数内插 u逐点内插法3 3、数据组织与管理数据组织与管理更新存贮拼接检查4 4、DEMDEM的应用的应用1 1、基于、基于DEMDEM的信息提取的信息提取2 2、等高线的绘制、等高线的绘制3 3、基于、基于DEMDEM的可视化分析的可视化分析1 1、三维景观、三维景观2

8、 2、数码城市和虚拟现实、数码城市和虚拟现实3 3、DEMDEM在工程上的应用在工程上的应用概述应用：概述应用：应用算法：应用算法：三维景观三维景观数码城市和虚拟现实数码城市和虚拟现实City ModelDOMDEMDLG数码深圳数码深圳3 3D D 建筑建筑DEM+DOM+DLG交通行业：数字公路交通行业：数字公路DEMDEM的土石方计算的土石方计算立体计算线路挖土、石方量立体计算线路挖土、石方量5、DEM可视化可视化（Visualization）是指运用计算机图形图像处理技术，将复杂的科学现象、自然景观以及十分抽象的概念图像化，以便理解现象，观察其模拟和计算的过程和结果，发现规律和传播知识

9、。 DEM实现以多种方式如等高线、晕渲图、线框透视、动画等在不通层面上对地形进行表达、观察和浏览。6 6、不确定性分析和表达、不确定性分析和表达不不确确定定性性DEM数据源精度数据内插精度数据模型精度各种其他误差数字高程模型类型数字高程模型类型1 1、按结构分类、按结构分类2 2、按连续性分类、按连续性分类DEM按连续性可分为不连续型、连续不光滑型和光滑型三种DEM。3、按范围分类 数字高程模型按范围可分为局部、地区和全局DEM 数字高程模型的特点DEM特点精度恒定性表达的多样性 更新的实时性 尺度的综合性 第三节第三节数字高程模型的信息特征 2 2、数字高程模型定义、数字高程模型定义DEMD

10、EM，(Digital Elevation Models)(Digital Elevation Models)，是通过有是通过有限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟，它表示地表区域上地形的拟，它表示地表区域上地形的三维向量三维向量的的有限有限序列，即地表单元上序列，即地表单元上高程的集合高程的集合，数学表达为：，数学表达为：z=f(xz=f(x，y)y)。 DTMDTM：当当z z为其它二维表面上为其它二维表面上连续变化连续变化的的地理特地理特征征，如地面温度、降雨、地球磁力、重力、土，如地面温度、降雨、地球磁力、重力、土地利用、土壤类型等其他地面

11、诸特征，此时的地利用、土壤类型等其他地面诸特征，此时的DEMDEM成为成为DTM(Digital Terrain Models)DTM(Digital Terrain Models)。 DEM 与与 DTM的区分的区分数字高程模型数字高程模型( (Digital Elevation Digital Elevation ModelModel，DEMDEM) )：研究地面起伏。研究地面起伏。数字地形模型数字地形模型( (Digital Terrain Digital Terrain ModelModel，DTMDTM) )：含有地面起伏和属性含有地面起伏和属性( (如如坡度、坡向等坡度、坡向等)

12、)两个含义，是两个含义，是DEMDEM的进一的进一步分析。步分析。第四节数字高程模型的系统结构与功能1.4.1 DEM建立 地形图数字化地形图数字化 影像数据影像数据野外（地面测量）野外（地面测量） 地形图数字化 手工数字化半自动等高线跟踪 扫描数字化 主要数据源遥感影像数据 高分辨率遥感图像如1米分辨率的IKONOS图像1m （QuickBrid 0.61m）合成孔径雷达干涉测量技术 机载激光扫描仪等新型传感器数据 最有价值不同图像空间分辨率合成孔径雷达野外测量 野外测量工作量大、周期长、成本高，一般不适合大范围的DEM数据采集 。高程数据精度要求比较高的场合，如在大比例尺地形测图、地形建模

13、、场地平整、公（铁）路勘测设计等工程项目中 最精确地形的数字化表达方式地形的数字化表达方式 数学描述图形方式图像方式坡度的计算坡度的计算2yx1(1,0)(0,0)(1,1)Z10Z11Z01POQRSYZZZZXZZZZYX22tan22tan10001101010011101sintantanROQOQOPOROPOX12costansintantanSOQOQOPOSOPOY222tantantanYXT1.4.2DEM操作 DEM操作内容包括编辑处理、滤波、合并、拼接、叠加以及不同格式DEM之间的相互转换。 1.4.3 DEM分析在DEM上进行各类地形信息提取的过程称为数字地形分析（D

14、igital Terrain Analysis，DTA） 基本地形信息主要包括坡度、坡向、地表粗糙度、地形起伏度、剖面曲率、平面曲率等地形描述因子；复杂地形分析包括可视区域分析、地形特征提取、水系特征分析等。 1.4.4 DEM可视化从内容上DEM可视化包括二维和三维地形可视化 从技术角度地形可视化有静态可视化和交互式动态可视化两种（http:/ 数码城市和虚拟现实数码城市和虚拟现实City ModelDOMDEMDLG1.4.5 DEM应用ArcView中的Spatial Analyst、3DAnalyst扩展模块 ARC/INFO中的基于格网和不规则三角网的Spatial Modellin

15、g模块 MGE中的Terrain Analyst分析模块 SPANS中的Topographer模块以及PAMAP中的TOPOGRAPHER模块 坡度图和坡向图的制作坡度图和坡向图的制作 通常用通常用3 3* *3 3的格网窗口的格网窗口在在DEMDEM数据矩阵中连续移数据矩阵中连续移动计算完成。动计算完成。 坡度图等高线的绘制等高线的绘制在格网在格网DEMDEM上上自动绘制自动绘制等高线主要包括两个步骤：等高线主要包括两个步骤：1 1、等高线追踪，利用、等高线追踪，利用DEMDEM矩形格网点的高程内插出矩形格网点的高程内插出格网边格网边上上的等高线点，并将这些等高线点的等高线点，并将这些等高线

16、点排序排序；2 2、等高线光滑，进一步、等高线光滑，进一步加密加密等高线点并绘制光滑曲线。等高线点并绘制光滑曲线。 晕渲图晕渲图剖面分析剖面分析 可在格网可在格网DEMDEM或三角网或三角网DEMDEM上进上进行。行。 已知两点的坐标已知两点的坐标A(xA(x1 1，y y1 1) )，B(xB(x2 2，y y2 2) )，则可求出两点连线与格网或则可求出两点连线与格网或三角网的交点，并内插交点上的三角网的交点，并内插交点上的高程，以及各交点之间的距离。高程，以及各交点之间的距离。然后按选定的垂直比例尺和水平然后按选定的垂直比例尺和水平比例尺，按距离和高程绘出剖面比例尺，按距离和高程绘出剖面

17、图。图。 剖面图不一定必须沿直线绘制，剖面图不一定必须沿直线绘制，也可沿一条曲线绘制。也可沿一条曲线绘制。可视区域分析可视区域分析数字高程模型与地理信息系统数字高程模型与地理信息系统的关系的关系 第五节数字高程模型与地理信息系统的关系 数字高程模型是地理信息系统在概念和方法上的萌芽 数字高程模型作为地表地形信息的集合，自然是GIS空间数据库的核心和各种地学分析的基础数据，也成为GIS的基本空间分析方法。 1.1.数据采集方法数据采集方法无论是地理信息系统还是数字高程模型，首先要对地理对象进行离散化表示采样时失去的精度通过模型内插可能永远得不到弥补 多种采样方法的出现来提高采样精度，如随机分布采

18、样、规则分布采样、串采样 ，渐进采样 ，选择性采样 ，混合采样 DEMDEM数据采样的基本原则是通过数据采样的基本原则是通过最少的采样点来恢复和重建地最少的采样点来恢复和重建地形表面形表面 2.2.空间数据内插方法空间数据内插方法空间数据内插技术实现了在离散采样点基础上的连续表面建模，同时也可对未采样点处的属性值进行估计，是分析地理数据空间变化规律和趋势的有力工具。 DEM作为一类特殊的统计表面，高度逼真的地形建模技术和快速的内插算法是DEM研究领域长期以来的追求目标。 3.3.空间分析技术空间分析技术空间分析是地理信息系统的主要特征，也是地理信息系统与其他信息系统区别的根本标志。 机助道路选线系统 机助道路选线系统 要考虑路线走廊下垫面的岩性、地下水位、地质条件、土壤力学性能等工程条件，还要考虑沿线的人口分布、土地利用、现有的交通网络分布、工农业生产布局、生态环境等社会人文因素，是一个非常复杂的多目标决策问题 第六节数字高程模型应用范畴与前景地学分析应用 非地形特性应用（重力、气压、磁场、降水、地价、土壤类型、工农业产值 ） 产业化和社会化服务 1.6.1科学研究应用区域、全区气候变化研究 水资源、野生动植物分布 地质、水文模型建立 地理信息系统 地形地貌分析 土地分类、土地利用、土地覆盖变化检测等 1.