DEM数据组织与管理课件

数字高程模型第二章DEM数据组织与管理2.1概述

●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。

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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数据设计一般遵循以下的基本原则：

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，保证与其他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，与其他类型数据库系统兼容，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，有严密的权限控制机制。

2.2

DEM数据模型GIS的空间数据模型从认知角度讲有三类：基于对象的模型、基于网络的模型和基于场的模型；从表达上讲有矢量数据模型、镶嵌数据模型（栅格数据模型）和组合数据模型。数字高程模型主要刻画具有连续变化的空间对象，因此属于基于场的镶嵌数据模型。2.2.1镶嵌数据模型●镶嵌数据模型（Tessellationmodel）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。

2.2.2规则镶嵌数据模型●所谓规则镶嵌数据模型，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1。

●构造规则镶嵌模型的方法是：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，例如对规则格网的DEM而言，一般通过曲面拟合方法求得栅格单元的高程值。

●从数据结构上看，规则格网的主要优点是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；同时，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。此外，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。

●基于规则镶嵌数据模型DEM的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。2.2.3不规则镶嵌数据模型

●不规则镶嵌数据模型是指用来进行镶嵌的小面块具有不规则的形状和边界。按照小面块的几何形状，不规则镶嵌模型有基于三角形、四边形、六边形、多边形等（如图2）。

●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（TriangulatedIrregularNetwork，简称TIN），是DEM的又一主要表达形式。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。

●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。

●TIN与规则格网DEM显著不同之处在于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，而且又能按地形特征点线如山脊点、山谷线、地形变化线等表示地形特征。2.3DEM数据结结构2.3.1规则格格网DEM数据结结构1）简单单矩阵阵结构构规则格格网DEM的数据据在水水平方方向和和垂直直方向向的间间隔相相等，，格网网点的的平面面坐标标隐含含在行行列号号中，，故适适宜用用矩阵阵形式式进行行存储储，即即按行行（或或列））逐一一纪录录每一一个格格网单单元的的高程程值。。同时时为了了实现现行列列号和和平面面位置置坐标标之间间的转转换，，还需需要记记录格格网西西南角角的坐坐标值值、格格网间间距等等。规规则则格网网DEM的数据据文件件一般般包含含用来来进行行DEM数据说说明的的数据据头和和DEM数据体体两部部分。。数数据头头：定定义DEM西南角角起点点坐标标、坐坐标类类型、、格网网间距距、行行列数数、最最低高高程以以及高高程放放大系系数等等内容容；数数据据体：：按行行或列列分布布记录录的高高程数数字阵阵列；；ArcViewDEM文本文文件格格式2）行程程编码码结构构对于一一幅DEM，常常常在行行（或或）列列方向向上相相邻的的若干干点具具有相相同的的高程程值，，因而而从第第一列列开始始，在在格网网单元元数值值发生生变化化时一一次纪纪录该该值以以及重重复的的个数数，应应用时时利用用重复复个数数恢复复DEM矩阵。。对DEM每一行行均按按上述述结构构组织织，则则实现现DEM行程编编码方方案。。行程编编码实实际上上是一一种栅栅格数数据的的压缩缩方案案，能能有效效地减减少数数据存存储量量，特特别在在平坦坦地区区。3）块状状编码码结构构块状编编码方方案是是将行行程编编码方方案从从一维维扩展展到二二维的的情况况，它它采用用方形形区域域作为为纪录录单元元，每每个纪纪录单单元包包括相相邻的的若干干栅格格。数数据结结构是是由纪纪录单单元的的初始始位置置（行行列号号）、、格网网单元元高程程值和和方形形区域域半径径（正正方形形区域域的边边长，，采用用格网网间距距倍数数表示示）所所组成成的单单元组组。整整个DEM数据文文件由由该单单元组组组成成，根根据初初始位位置和和区域域半径径可恢恢复高高程矩矩阵。。4）四叉叉树数数据结结构四叉树树编码码又称称为四四分树树、四四元树树编码码。它它是一一种更更有效效地压压编数数据的的方法法。它它将2n××2n像元阵阵列连连续进进行4等分，，一直直分到到正方方形的的大小小正好好与象象元的的大小小相等等为止止（如如下图图），，而块块状结结构则则用四四叉树树描述述，习习惯上上称为为四叉叉树编编码。2.3.2不规则则三角角网DEM数据结结构由于三三角形形的不不规则则型，，三角角形定定义及及其与与相邻邻三角角形的的关系系要显显式地地表达达出来来，即即TIN模型不不但要要存储储每个个顶点点的高高程，，还要要存储储三角角形顶顶点的的平面面坐标标、顶顶点之之间的的连接接关系系和邻邻接三三角形形等拓拓扑关关系。。在TIN模型中中，基基本的的结构构元素素有三三角形形顶点点、边边、面面。它它们之之间存存在着着点与与线、、点与与面、、线与与面、、面与与面等等拓扑扑关系系。通通过过组成成三角角形的的三顶顶点可可完整整地表表达三三角形形的构构成以以及三三角形形顶点点、三三角形形边、、三角角形之之间的的拓扑扑关系系。这种结构构只需要要两个文文件：三三角形顶顶点坐标标文件和和组成三三角形三三顶点（（用点在在坐标文文件中的的序号表表示）文文件。ＴＩＮ模模型基本本链表结结构ＴＩＮ坐坐标表三三角角形表这种结构构简单但但拓扑关关系是隐隐含的，，不利于于TIN模型的检检索与应应用。因因此围绕绕着拓扑扑关系的的描述产产生了多多种TIN的数据结结构。1.TIN的面结构构：面结结构在基基本链表表结构基基础上增增加了用用来描述述三角形形之间拓拓扑关系系的数据据，即使使用坐标标表、三三角形顶顶点表以以及邻接接三角形形表构成成。TIN模型面结结构的特特点是：：检索网网点拓扑扑关系效效率高（（由于存存储了三三角形之之间的邻邻接关系系，TIN内插、检检索、等等高线提提取、显显示以及及局部分分析都比比较方便便）；存存储量大大，不便便于编辑辑（在TIN的编辑中中要随时时维护这这种关系系）。2.TIN的点结构构：该结结构由坐坐标文件件和三角角形顶点点的邻接接指针链链组成。。三角形形顶点的的邻接点点是指共共用该顶顶点的所所有三角角形其余余两顶点点的不重重复顶点点的集合合，可按按顺时针针或逆时时针方向向顺序组组成。点结构的的特点是是存储量量小，编编辑方便便，但三三角形及及其邻接接关系需需实时再再生成，，计算量量较大，，不利于于快速检检索和显显示。3.TIN的点面结结构：在在点结构构基础上上，增加加组成该该三角形形三顶点点的数表表。这种种结构存存储量与与面结构构大致相相当，编编辑、显显示比较较方便，，由于三三角形之之间的关关系是隐隐式的，，检索与与内插的的效率低低。4.TIN的边结构构：从组组成整个个TIN模型的所所有三角角形中，，抽取其其不重复复边集组组成，其其数据结结构由边边的两个个顶点以以及与之之关联的的两条边边表达。。关联边边要满足足如下条条件：分分布在当当前边的的两侧；；关联边边与当前前边的夹夹角最小小；关联联边顶点点不重复复。这种结构构的存储储量比较较小，适适合等高高线的提提取，但但编辑、、内插、、检索不不方便。。e1的关联边边不是e3和e9，e9的关联边边是e1５.TIN的边面结结构：边边面结构构主要刻刻画三角角形边和和三角形形面之间间的拓扑扑关系，，一般由由边表和和邻接三三角形表表组成。。在边表表中定义义该边的的起点、、终点和和左右相相邻三角角形，邻邻接三角角形表中中则记录录三角形形之间的的拓扑关关系。边面结构构的存储储量是最最大的，，在检索索、等高高线提取取等方面面比较方方便，但但不利于于动态更更新和维维护。2.3.3TIN与格网DEM的对比选择格网网DEM和TIN数据模型型考虑的的因素：：数据的可可获取性性；地形曲面面特定以以及是否否考虑特特征点；；目的和应应用；原始数据据的比例例尺和分分辨率。。优缺点规则格网DEMTIN

简单的数据存储结构较少点可获得较高的精度优点与遥感影像数据的复合性可辨分辨率良好的表面分析功能良好的拓扑结构

计算效率较低表面分能力较差缺点数据冗余构建比较费时

格网结构规则算法设计比较复杂规则格网网DEM和不规则则三角网网TIN的对比2.4DEM数据库管管理小范围低低分辨率率的DEM数据量小小—可以通过过数据文文件对其其进行管管理；覆盖范围围大时，，数据量量巨大—存储、检检索、操操作、与与处理非非常低效效，普通通微机也也无法运运行。发展趋势势：DEM已成为GIS的核心数数据库和和地学分分析的基基础数据据，与影影像、矢矢量数据据及多媒媒体数据据进行广广泛的融融合。因因此，DEM从单一的的文件结结构向复复杂的信信息系统统发展已已成为一一种必然然的趋势势。信息水平系统地形表面特征的几何描述信息系统和数据库管理系统对数据库的本地和远程存取与其他信息系统的连接CAD模型、DTM二维、三维GIS地学服务器数字地球DEM数据库不不同发展展层次DEM数据库的的内容包包括：数数据库设设计、数数据组织织方法、、元数据据、数据据库功能能等。1.DEM数据库库的实实现实现方方式：：一是是基于于文件件系统统和空空间索索引的的方式式；二二是基基于关关系型型数据据库的的方式式。关系型型数据据库对对大数数据量量DEM的访问问比文文件系系统经经过更更多的的步骤骤，在在同样样条件件下，，基于于文件件系统统的数数据库库效率率要高高，但但在多多事务务处理理、多多用户户访问问、网网络安安全等等方面面的能能力有有限。。由于于DEM数据库库的规规则性性较强强，一一般采采用文文件系系统和和空间间索引引的方方式进进行管管理。。DEM数据库结构构DEM数据库结构构实质上就就是DEM的数据结构构。对于TIN而言，一般般是把三角角形的顶点点看作数据据库中的基基本实体，，并在此基基础上定义义是三角形形顶点、三三角形边、、三角形面面之间的拓拓扑关系。。在DEM构建过程中中，还有一一类比较重重要的数据据，即地形形特征数据据，如地形形断裂线、、特殊边界界线、山脊脊线、山谷谷线等，它它们是高精精度逼真再再现地形的的保证，同同时也是的的信息复合合的需要，，一般在DEM数据库中也也予以保留留。它们的的结构如下下图所示：：2.DEM数据库的数数据组织DEM数据库组织织指DEM数据的管理理和调度方方式：一般般在水平方方向上将同同一尺度的的DEM数据划分为为一系列的的块，在垂垂直方向上上将不同尺尺度DEM分层组织（（不同分辨辨率）。“工程—工作区—图幅”的层层次结构索索引模式是是当前GIS空间数据库库数据组织织的一种常常用方法。。工程指一个个区域内的的全部DEM数据；图幅是按照照一定规则则对研究区区域进行的的二维划分分，是DEM数据采集、、建立、操操作和调度度的基本单单位，每个个图幅由若若干行、列列格网单元元组成；工作区是当当前感兴趣趣的研究区区，一般工工作区就是是图幅，多多个图幅也也可合并为为一个工作作区。图幅由坐标标范围定义义，例如，，图幅H的范围是（（270，120，280，130）。通过纪纪录每一个个图幅范围围的空间索索引文件（（工作区范范围通过图图幅范围确确定），即即可建立工工程与工作作区、图幅幅之间的联联系，用户户可以在工工程界面下下，确定整整个工程内内任意一点点的DEM值，也可在在工程内开开窗、放大大、漫游、、查询、分分析和制图图。在工程程-工作区-图幅层次结结构空间索索引下，可可保证DEM数据的快速速查询和无无缝浏览。。上述空间索索引模式对对格网DEM是非常适合合的，但对对TIN而言，要注注意两点：：一是由于TIN的每个图幅幅区域的边边界不规则则，为避免免相邻图幅幅之间的接接边问题，，一般在进进行数据分分幅时，各各个图幅之之间要有一一定的重叠叠度；二是TIN的不规则性性，为快速速对点所在在三角形进进行定位，，有必要在在图幅内建建立TIN的空间索引引，常用的的如链表+头指针、四四叉树等。。3.DEM数据库系统统功能数据库关系系系统是为为访问数据据库提供的的软件系统统，负责维维护所有数数据必须的的特性。数据库管理理系统的基基本服务功功能有：1）数据库管管理：包括括控制整个个数据库系系统的运行行，控制用用户的并发发性访问，，执行对数数据库的安安全、保密密、完整性性检验、实实施对数据据的录入、、编辑、检检索等操作作。2）数据库维维护：包括括数据库的的初始录入入/建立，运行行时工作日日志，监视视数据库性性能，在性性能低下时时重新组织织数据库，，发生故障障时恢复数数据库等。。3）数据通信信：负责处处理数据的的流动和调调度。DEM数据库管理理系统一般般包括DEM数据库、元元数据库矢矢量数据库库（地形特特征数据：：断裂线、、特殊边界界线、山脊脊线、山谷谷线等）。。数据库管理理系统的逻逻辑结构9、静夜四四无邻，，荒居旧旧业贫。。。12月-2212月-22Tuesday,December20,202210、雨中黄黄叶树，，灯下白白头人。。。17:56:4917:56:4917:5612/20/20225:56:49PM11、以我独独沈久，，愧君相相见频。。。12月-2217:56:4917:56Dec-2220-Dec-2212、故人江海海别，几度度隔山川。。。17:56:4917:56:4917:56Tuesday,December20,202213、乍见见翻疑疑梦，，相悲悲各问问年。。。12月月-2212月月-2217:56:4917:56:49December20,202214、他乡生白发发，旧国见青青山。。20十二月月20225:56:49下午17:56:4912月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。。十二二月月225:56下下午午12月月-2217:56December20,202216、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2022/12/2017:56:4917:56:4920December202217、做前，，能够环环视四周周；做时时，你只只能或者者最好沿沿着以脚脚为起点点的射线线向前。。。5:56:49下午午5:56下午午17:56:4912月-229、没没有有失失败败，，只只有有暂暂时时停停止止成成功功！！。。12月月-2212月月-22Tuesday,December20,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。17:56:4917:56:4917:5612/20/20225:56:49PM11、成功功就是是日复复一日日那一一点点点小小小努力力的积积累。。。12月月-2217:56:4917:56Dec-2220-Dec-2212、世间成成事，不不求其绝绝对圆满满，留一一份不足足，可得得无限完完美。。。17:56:4917:56:4917:56Tuesday,December20,202213、不不知知香香积积寺寺，，数数里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月-2217:56:4917:56:49December20,202214、意意志志坚坚强强的的人人能能把把世世界界放放在在手手中中像像泥泥块块一一样样任任意意揉揉捏捏。。20十十二二月月20225:56:50下下午午17:56:5012月月-2215、楚塞