数字地面模型课件

地理信息系统地理信息系统第六章数字地形分析概述

DEM的主要表示模型

DEM模型之间的相互转换

DEM的建立

DEM的分析与应用地理信息系统数字地形分析6.1概述6.1.1DTM和DEM1、DTM〔DigitalTerrianModel〕DTM即数字地面〔形〕模型。它是地形外表形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。DTM是在空间数据库中存储并管理的空间地形数据集合的统称。地理信息系统数字地形分析2、DEM〔DigitalElevationModel〕DEM即是数字高程模型。当数字地形模型中地形属性为高程时称其为数字高程模型。6.1概述地理信息系统数字地形分析3、DEM与DTM之间的关系DEM是DTM的特例。它是DTM的根底数据，其它的地形要素可由DEM直接或间接导出，因此DTM又称为DEM的派生数据。显然，DEM的质量好坏直接决定着DTM的精确性。6.1概述地理信息系统6.1.2DEM的表示方法DEM表示方法数学方法〔面〕图形法傅里叶级数高次多项式规那么分块不规那么分块点线规那么：密度一致，密度不一致不规那么：三角网，邻近网典型特征：山峰、洼坑、边界水平线垂直线典型线：山脊线，谷底线6.1概述整体局部数字地形分析地理信息系统6.2DEM的主要表示模型6.2.1规那么格网模型将区域空间切分为规那么的格网单元，每个格网单元对应一个数值，数学上可表示为一个矩阵，在计算机实现上那么是一个二维数组。28293230293135342729313230333433262730353331323024252932383032292423263035323130232227303331292824232627313026252019252430262824数字地形分析地理信息系统对于格网内的值有两种不同的解释：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，这种数字模型是一个不连续的函数。认为该网格单元内的数值是网格中心点的高程或该网格单元的平均高程值。这就需要一个插值的方法来计算每个点的高程。6.2DEM的主要表示模型数字地形分析地理信息系统数字地形分析观点一地理信息系统数字地形分析观点二规那么格网〔Grid〕数据结构：数据头：包括定义西南角起点坐标、坐标类型、格网间距、行列数、最低高程以及高程放大系数等。数据体：按行或列分布记录的高程数字阵列。数字地形分析地理信息系统Y12X301250西南角坐标（X0，y0）图示文件格式例列数行数起点纵坐标起点横坐标格网间距无效数据区数据数据头数据体503012345.054321.550-9999按行排列的DEM数据体140，134，156……13867ArcViewDEM文件格式地理信息系统数字地形分析DEM格网建模〔1〕从格网点生成格网——从细格网到粗格网〔重采样〕地理信息系统数字地形分析最近点法从格网点生成格网地理信息系统数字地形分析从格网点生成格网双线性法地理信息系统数字地形分析局部曲面法基于格网的采样点数据用3*3或4*4格网来形成一个局部的曲面，然后内插出该曲面范围内的所有新格网点。地理信息系统数字地形分析2、从离散点生成格网地理信息系统数字地形分析由离散点直接内插先构成不规那么三角网，再进行内插方法3、从等高线生成格网将等高线离散化后，采用从随机到栅格的转换方法可形成格网DEM，这种方式很简单，思路直观，但可能会出现一些异常情况，比方一些格网值会偏离实际地形情况。等高线离散化法地理信息系统数字地形分析从等高线生成格网等高线内插法过内插点作四条直线计算每条直线与最近等高线的交点；计算每条直线上两交点之间的距离和高差，求出交点之间的坡度；在四条直线中选出坡度最大的直线；在最大坡度上，按线性内插方法求取内插点的高程。地理信息系统数字地形分析地理信息系统优点：规那么格网〔GRID〕表示法结构简单，很容易利用计算机进行处理，特别是栅格数据结构的地理信息系统，用它可以很容易的计算等高线、坡度坡向、山坡阴影及自动提取流域地形等处理。6.2DEM的主要表示模型数字地形分析地理信息系统缺点：a.地形简单的地区存在大量冗余数据；b.如不改变格网大小，那么无法适用于起伏程度不同的地区；c.对于某些特殊计算如视线计算时，格网的轴线方向被夸大；d.由于栅格过于粗略，不能精确表示地形的关键特征。6.2DEM的主要表示模型数字地形分析地理信息系统数字地形分析6.2DEM的主要表示模型6.2.2不规那么三角网〔TIN〕不规那么三角网是用相互连接的三角平面来表示地形外表，每个三角平面表示地形面的一局部。三角形的形状和大小取决于不规那么分布的高程数据点的位置和密度。1、概念地理信息系统1297581036417632459811106.2DEM的主要表示模型数字地形分析地理信息系统

三角形的顺序存储一个记录包含：三角形的相关参数，三个顶点的坐标，三个相邻三角形的相关参数。

用顶点和它们的邻点储存顶点的存放方式：id码，坐标值，指向相邻顶点的参数。2、数据结构数字地形分析6.2DEM的主要表示模型地理信息系统NoP1P2P3邻接三角形112324021343613451720:：：：：：：116788010NoXYZ190.010.043.5250.710.067.3367.223.962.6::::1010.090.081.0不规那么三角网数字地形分析地理信息系统No122334455963718::9378386NoP1P2P3112321343451:：：：11678坐标与高程值表NoXYZP190.010.043.51250.710.067.35367.223.962.68:::::1010.090.081.036三角形表不规那么三角网数字地形分析地理信息系统优点：数据存储量较小——可根据地形起伏变化和地形复杂性决定采样点的位置和采样点的密度，地形起伏小的地区只需要较少数据。模型精度高——TIN采样点能够有效地分布在各种地性线上，从而有效逼近真实地形外表。有利于地形分析——可以直接在TIN上进行坡度、坡向、光照强度等计算。三维显示——可以直接以三维方式显示，计算较简单。可以派生其它类型的地面模型。3、特点数字地形分析地理信息系统缺点：TIN生成的计算时间较长；TIN与真实地形外表可能存在一定差距；在进行大规模大区域的标准化管理以及与UGIS空间数据或遥感影像数据进行联合分析时存在一些困难。不规那么三角网数字地形分析§6.2.2不规那么三角网4、三角剖分准那么TIN的三角剖分准那么是指TIN中三角形的形成法那么，它决定着三角形的几何形状和TIN的质量。〔1〕空外接圆准那么〔2〕最大最小角准那么〔3〕最短距离和准那么〔4〕张角最大准那么〔5〕面积比准那么〔6〕对角线准那么地理信息系统数字地形分析地理信息系统5、不规那么三角网的构建〔1〕、角度判别法建立TIN根本思想：三角形的两个顶点，利用余弦定理计算备选第三顶点为角顶点的三角形内角的大小，选择最大者对应的点为该三角形的第三顶点。数字地形分析地理信息系统将原始数据分块，以便检索三角形邻近的点，而不必检索全部数据点。确定第一个三角形，从几个离散点中任取一点A，通常取数据文件中第一个点或左下角检索格网中的第一个点。在其附近选取距离最近的一个点B作为三角形的第二个点。然后对附近Ci利用余弦定理计算角Ci

步骤：三角形的扩展由第一个三角形往外扩展，将全部离散点构成三角网，并要保证三角网中没有重复和交叉的三角形。其方法是依次对每个已生成三角形的新增加的两边，按角度最大的原那么向外进行扩展。数字地形分析5、不规那么三角网的构建地理信息系统点号xy135482293434321439625483767925………25…数字地形分析5、不规那么三角网的构建地理信息系统〔2〕、狄洛尼三角网狄洛尼三角网与泰森多边形或者Voronoi图的概念联系在一起。有两种方法可以选择：先构成泰森多边形再连成三角网

数字地形分析5、不规那么三角网的构建地理信息系统〔3〕直接根据离散参考点形成三角网设有参考点Pi〔i=1…n〕，从Pi中取出一个点作为起始点，从Pi中找出离Pi最近的一点P2，两点的连线作为基边，然后在这附近找第三点。找第三点的依据是由此三点构成的外接圆不能包含任意其它点，因此需要逐点比较，一般取离前两点的距离平方和最小的点作为候选点。狄洛尼三角网的特点：每个三角形形成的外接圆都不包含其它参考点数字地形分析5、不规那么三角网的构建132ppppp123地理信息系统6.2.3等高线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属性的简单多边形或多边形弧段。由于等高线仅表达了区域的局部高程值，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。6.2DEM的主要表示模型数字地形分析等高线是一种较好的DEM二维可视化表达方法地理信息系统等高线的生成数字地形分析12975810364176324598111028293230293135342729313230333433262730353331323024252932383032292423263035323130232227303331292824232627313026252019252430262824等高线的生成地理信息系统数字地形分析z1z2H（X1，y1）（x2，y2）〔1〕内插等值点可按下式判断有无等值点等高线的生成地理信息系统数字地形分析长安大学〔2〕追踪等值点内插出来的等值点是无序的，等值点追踪的目的就是要把同一条等高线上的相邻点连接起来，形成一条完整的等高线。出口边必定是邻接单元的入口边等高线的生成地理信息系统数字地形分析长安大学〔4〕光滑等值线并输出。〔3〕注记等值线等高线注记一般在计曲线上进行。原那么是在该条等值线上寻找一个比较平缓的地区作为注记位置。这可通过等值线上连续三点之间所形成的角度进行判断。内插后的等值线需要光滑后输出。目前常用的光滑函数有张力样条、分段三次多项式、斜轴抛物线、分段圆弧等。等高线的生成地理信息系统数字地形分析地理信息系统数字地形分析6.3DEM在地图制图与地学分析中的应用

利用DEM提取等高线

利用DEM绘制地貌晕渲图、立体透视图等

DEM的地形分析

面积和体积的计算

通视分析

地貌晕渲图光源来自西北方向产生正立体晕渲图光源来自东南方向产生反立体晕渲图地理信息系统数字地形分析灰度影像图分层设色的等高线数字地形分析地理信息系统DEM的地形分析坡度与坡向坡度是指水平面和地形外表之间夹角的正切值，是一个既有大小又有方向的量。它是表示地外表在该点倾斜程度的一个量。坡向：该切平面上沿最大倾斜方向的某一矢量在水平面上的投影方向。DEM的地形分析DEM的地形分析可以证明：任一斜面的坡度等于它在该斜面上两个相互垂直方向上的坡度分量的矢量和。即坡度：坡向：〔1〕算法1：〔2〕算法2：DEM的地形分析ARC/VIEW提取地面坡度图ARC/VIEW提取地面坡向图DEM的地形分析地面剖面曲率：指地面坡度的变化率，可以通过计算地面坡度的坡度而求得。地面的平面曲率：指地面坡向的曲率，可以通过计算地面坡向的坡度而求得。地表曲率的计算DEM的地形分析地表粗糙度的计算地表粗糙度是反映地表的起伏变化和侵蚀程度的指标，一般定义为地表单元的曲面面积与其在水平面上的投影面积之比。DEM的地形分析地形起伏度是指在所指定的分析区域内所有栅格中最大高程与最小高程的差。地形起伏度DEM的地形分析地表切割深度地表切割深度是指地面某点的邻域范围的平均高程与该领域范围内的最小高程的值。DEM的地形分析面积和体积的计算外表积的计算海伦公式：

投影面积的计算

投影面积指的是任意多边形在水平面上的面积。可直接采用海伦公式进行计算，只要将公式中的距离换成平面上两点的距离即可。或采用下式：面积和体积的计算体积的计算面积和体积的计算5、通视分析可视性分析的根本因子两点之间的通视性可视域即对于给定的观测点所覆盖的区域〔1〕判断两点之间的可视性的算法方法一、①确定过观察点和目标点所在的线段与XY平面垂直的平面S；②求出地形模型中与S相交的所有边；③判断相交的边是否位于观察点和目标点所在的线段之上，如果有一条边在其上，那么观察点和目标点不可视。地理信息系统数字地形分析地理信息系统数字地形分析〔2〕计算可视域的算法计算可视域的算法对于规那么