第一章概述.ppt

1、2020/6/21,数字高程模型及应用,第一章 概述,数字地形的表达 数字地面模型 数字地面模型的概念、实践以及与其他学科的关系,1.1数字地形的表达,人类为了认识和改造地球，利用地形图表示地表形态是其中之一。 地表形态是从模拟到数字、可以划分为以下几个阶段：,（1）早期由于测绘知识的缺乏，对地表形态采用象形绘图的方法。如山体用鱼鳞符号。,（2）17世纪以后，以写景方式进行地图刻画。如晕渲法、透视写景法、地貌单元图。,首曲线：首曲线，也叫基本等高线，是按基本等高距绘出的等高线。 在地形图上以0.1mm的细实线描绘，如1：5万地形图上首曲线依次为：10m、20m、30m等等。 计曲线：为了阅读方

2、便，从起点起，每隔四根等高线加粗描绘一根等高线，这根加粗的等高线就是计曲线。 间曲线：在地势平坦的区域，如用基本间隔绘制地形图，往往在一幅图内没有几根等高线，表达不了实际地形情况。采用为基本等高距的一半的等高距绘制等高线，这种等高线叫做间曲线。 助曲线：也叫辅助等高线，通常按四分之一等高距描绘等高线，但也可以按任意高度描绘等高线。助曲线用以表示首曲线和间曲线尚无法表示的重要地貌，在图上以短虚线描绘。,（3）18世纪，测绘技术的发展，高程数据和平面数据的获取成为可能，以等高线形式进行地表形态的模拟。,地图的表示方法等高线,地图的表示方法分层设色法,此法是制图学家雷马虚克发明。以一定的颜色变化次序

3、或色调深浅来表示地貌的方法。首先将地貌按高度划分若干带；各带规定具体的色相和色调，称为“色层”。能醒目地显示地势各高程带的范围、不同高程带地貌单元的面积对比，具有立体感，但不能量测。设色的原则，是按地面由低到高，以绿、黄、棕等颜色分别表示平原、高原和高山，以浓淡不同的蓝色表示海洋的不同深度带。,地图的表示方法分层设色法,（4）19世纪，平版印刷技术的发展使得联系色调变化和阴影变化模拟不规则的地表形态成为可能。该方法的特点是阴影显示斜坡的能力（三维可视化的能力）。,（5）20世纪地形图的主要表示方法是等高线法和地貌晕渲法；上述方法是在二维环境中对三维现实世界的模拟和表达；上述方法不能解决我们实际

4、应用中的可测量性，同时该方法描述的结果不符合我们的视觉感受，因此出现一种既可以符合人类的视觉感受，还具有恢复真实地形且具有可测量性的表达方法是制图和测绘等领域的研究目标。,（6）20世纪60年代以后，由于空间技术和通讯技术的迅速发展，出现了遥感技术，并且该技术迅速得到广泛的应用，同时计算机的出现以及广泛的使用，各种数字地形的表达方法得到迅速发展。,数字地形的表达方法及其分类,（1）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搜

5、索，根据有限个点进行拟合形成高程曲面。,法国数学家傅里叶发现，任何周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示，后世称为傅里叶级数，是一种特殊的三角级数。,（2）图形方法： A线模式：等高线是表示地形最常见的形式。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。 B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；也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。,1.2数字地面模型,1.2.1概念 （1）数字地形模型（

6、DTM，Digital Terrain Model）最初是为了高速公路的自动设计提出来的（Miller，1956）。此后，它被用于各种线路选线（铁路、公路、输电线）的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算，任意两点间的通视判断及任意断面图绘制。在测绘中被用于绘制等高线、坡度坡向图、立体透视图，制作正射影像图以及地图的修测。即数字地形模型是地形表面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。,数字高程模型是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，即数字高程模型是对二维地理空间上具有连续变化特征地理现象的模型化表达和过程模拟，简单地说，空间起伏连续变化现象的数

7、字化表示和分析工具的集合。高程数据常常采用绝对高程或海拔，DEM通常用地表规则网格单元构成的高程矩阵表示。,Miller（1958）数字地面模型是利用一个任意坐标场中大量选择的已知X、Y、Z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示。 Doyle（1978）数字地面模型是描述地面诸特性空间分布的有序数值阵列，在一般情况下，所记录的地面特性为高程值，它的空间分布由x、y平面坐标系统来描述，也可通过经度和纬度进行描述海拔分布。DTM可以是每三个三维坐标值为一组的散点结构，也可是由多项式或傅立叶级数确定的曲面方程。另外数字地面模型可以包含除高程外的其他地面特性，如地价、土地权属、土壤类型、岩层深度等。

8、王之卓（1979）数字地面模型是地形表面用x,y,z坐标的数字形式的一种表达。 Burrough(1986)A Digital Elevation Model is a quantitative model of a part of the earths surface in digital form. Also digital terrain model (DTM) Weibel (1991)A DTM is a digital representation of a portion of the eraths surface 龚健雅（1993）数字地面模型DTM是定义在二维区域上地形特征空

9、间分布及关联信息的一个有限n维向量系列Xi，数字高程模型DEM是DTM的一个子集，它表示地形空间分布的一个有限三维向量系列X,Y,Z，其中X, Y表示地形点的平面位置，Z表示相应点的高程。,数字地面模型、数字高程模型定义,DEM和DTM的区别与联系 （1）数字地形模型是地形表面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；数字高程模型中地形属性仅为高程。 （2）在地理信息系统中，DEM是建立DTM的基础数据，其它的地形要素可由DEM直接或间接导出，称为“派生数据”，如坡度、坡向 。 （3）高程模型最常见的表达是相对于海平面的海拔高度，或某个参考平面的相对高度，所以高程模型

10、又叫地形模型。实际上地形模型不仅包含高程属性，还包含其它的地表形态属性，如坡度、坡向等。,1.2.2数字高程模型的分类,按照结构分类：基于面单元的DEM；基于线单元的DEM；基于点的DEM。 按照数据源分类：以航空和航天遥感资料为数据源；以地形图为数据源；以地面实测纪录为数据源；以各种专题底图为数据源；以统计报表和行政区域底图为数据源。 按照内容分类：综合性的DEM（全国性的DEM,包括地形、资源环境和社会经济）；区域性DEM（局限于某个行政区或自然区，比例较大，框架线条趋细）；专题性DEM；单项DEM。 按照结构形式分类：规则格网DEM；等值线DEM；曲面数字DEM；平面多边形DEM；空间多

11、边形DEM；散点DEM。 按连续性分类：不连续型DEM (Discontinuous DEM) ；光滑DEM (Smooth DEM),在地理信息系统中，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。,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切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。每个格网单元的一个元素，对应一个高程值。,等高线,等高线和相应的自由树,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。,三角

12、网的一种存储方式,不规则三角网（TIN）模型: 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。,1.3 DEM的特点,精度的恒定性：常规的模拟地图随着时间的推移，图纸由于环境的改变而会产生变形，从而失掉原有的精度。DEM采用数字媒介，从而能保持原有的精度。 表达的多样性：地形数据经过计算机处理后，可产生多种比例尺的地形图、剖面图、立体图、明暗等高线图；通过

13、纹理映射、与遥感影像数据叠加，还可逼真的再现三维地形景观，并可通过飞行模拟浏览地形的局部细节或整体概貌。 更新的实时性：DEM由于是数字的，增加或修改的信息只在局部进行，并且有计算机自动完成，可保证地图信息的实时性。 尺度的综合性：较大比例尺、较高分辨率的DEM自动覆盖较小比例尺、较低分辨率的DEM所包含的内容，如1米分辨率DEM自动包含10米、25米、100米等较低分辨率DEM信息。,1.4 数字高程模型的研究内容,地形数据采样 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 不确定性分析和研究,1.5 DEM与其他学科的关系,与地理学的关系 与GIS的关系 与测量学的关系 与地图学的关系 与遥感的关系 与地统计学的关系,1.6 应用范畴和前景,在地学中的应用 在非地形特性的应用（如区域经济差异） 产业化和社会化服务 科学研究应用 商业应用 工程、工业应用 管理应用 军事应用,80年代以来，对DTM的研究涉及到DTM系统的各个环节,60年