9第九章_DTM与地形分析--精简版.

1第九章DTM与地形分析地理信息系统——原理、方法和应用2内容提纲（1）：•1概述•1.1DTM和DEM•1.2DEM的表示方法•2DEM的主要表示模型•2.1规则格网模型•2.2等高线模型•2.3不规则三角网（TIN）模型•2.4层次模型•3DEM模型之间的相互转换•3.1不规则点集生成TIN•3.2格网DEM转成TIN•3.3等高线转成格网DEM•3.4利用格网DEM提取等高线•3.5TIN转成格网DEM3内容提纲（2）：•4DEM的建立•4.1DEM数据采集方法•4.2数字摄影测量获取DEM•4.3DEM数据质量控制•5DEM的分析和应用•5.1规则格网DEM应用•5.2三角网DEM分析应用41．概述一、相关概念•数字地形模型（DTM,DigitalTerrainModel）：是20世纪50年代由美国MIT摄影测量试验室主任米勒（C.L.MILLER）首次提出，并用其成功地解决了道路工程中土方估算等问题。此后它被用于各种线路选线（铁路、公路、输电线等）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即任意断面图绘制。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。51．概述•高程模型：高程Z关于平面坐标X，Y两个自变量的连续函数，数字高程模型（DEM）只是它的一个有限的离散表示。•数字高程模型DEM（DigitalElevationModel）：当数字地形模型中地形属性为高程时即为DEM；它是地表单元上高程的集合,通常用矩阵表示；•广义的DEM可包括等高线，三角网等。这里我们特指由地表矩阵单元构成的高程矩阵。DEM是DTM的一个子集，是DTM的一个特例。6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。数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型(DEM,DigitalElevationModel)。71．概述二、DEM的应用简介1）作为国家地理信息的基础数据；2）土木工程、景观建筑与矿山工程规划与设计；3）为军事目的而进行的三维显示；4）景观设计与城市规划；5）流水线分析、可视性分析；6）交通路线的规划与大坝选址；7）不同地表的统计分析与比较；8）生成坡度图、坡向图、剖面图、辅助地貌分析、估计侵蚀和径流等；9）作为背景叠加各种专题信息如土壤、土地利用及植被覆盖数据等，以进行显示与分析；10）与GIS联合进行空间分析；11）虚拟现实(VirtualReality)；此外，从DEM还能派生以下主要产品：平面等高线图、立体等高线图、等坡度图、晕渲图、通视图、纵横断面图、三维立体透视图、三维立体彩色图等。81．概述三、DEM的表示法–数学方法•整体拟合•局部拟合–图形方法•等高线•规则格网•不规则格网（TIN图）92．DEM的主要表示模型•2.1规则格网模型（DEM的点表示）•2.2等高线模型（DEM的线表示）•2.3不规则三角网模型（DEM的点表示）•2.4层次模型（DEM的点表示）102.1规则格网模型•规则格网：将区域空间切分成为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学上有一个矩阵表示，计算机里面表示为一个二维数组。112.1规则格网模型•规则格网法把DEM表示成高程矩阵时，其DEM来源于直接规则矩形格网采样点或由不规则离散数据点内插产生。•不规则离散采样点可以按照两种方法产生高程矩阵：一是将规则格网覆盖在这些数据的分布图上，然后用内插技术产生高程矩阵，并且内插技术也可用来从一个粗略的高程矩阵产生更精细的高程矩阵；二是把离散点作为点模式中不规则三角网系统的基础。•规则格网模型结构简单，计算机对矩阵的处理比较方便，高程矩阵已成为DEM最通用的形式。122.2等高线模型等高线BAFCGEHD等高线和相应的自由树等高线模型中，高程值的集合是已知的。每条等高线对应一个已知的高程值，一系列等高线集合和它们的高程值一起构成了一种地面高程模型。等高线的拓扑关系可以用图来表达，等高线之间的区域为图的节点，边表示等高线本身。等高线存储：等高线通常被存成一个有序的坐标点对序列，即可以看成是带有高程属性的简单多边形或多边形弧段。等高线模型只表达了区域的部分高程值，因此等高线以外的其他点的高程，要通过插值进行计算，通常只使用外包的两条等高线高程进行插值。132.3不规则三角网（TIN）模型不规则三角网是专为产生DEM数据而设计的一种采样表示系统。TIN模型根据区域所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点（各三角形的顶点）连接成相互连续的三角面，在连接时尽可能地使每个三角形为锐角三角形或为三边的长度近似相等，如下图142.3不规则三角网（TIN）模型•TIN的数据存储方式比GRID复杂，它不仅要存储每个点的高程，还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系，三角形及邻接三角形等关系。TIN模型在概念上类似于多边形网络的矢量拓扑结构，只是TIN模型不需要定义“岛”和“洞”的拓扑关系。152.3不规则三角网（TIN）模型邻接三角形1XYZ2XYZ3XYZ4XYZ5XYZ6XYZ7XYZ8XYZ12345678123456781234顶点5687542365746544888721X31264534XX587X62867XX点文件三角形文件11125443三角网的一种存储方式若对于每个三角形、边和节点都对应一个记录，三角形记录三条边的指针、边记录两个顶点以及相邻多边形指针。16TIN模型的存储方式NoXYZ190.010.043.5250.710.067.3367.223.962.6::::1010.090.081.0-1117概述：TIN模型的表现TIN模型的表现2.3不规则三角网（TIN）模型182.3不规则三角网（TIN）模型•不规则三角网模型的优点：1）克服规则格网数据中的数据冗余问题，同时在计算（如坡度）效率方面又优于纯粹基于等高线的方法2）可充分表示复杂的地形特征，它能适应起伏不同的地形，用大量三角形地面形态效率高，数据精度高。•不规则三角网模型的缺点：1）算法实现复杂，由于形成三角网方法不同有不同算法2）对特殊的地形线要调整192.3不规则三角网（TIN）模型•不规则三角网数字高程由连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点，或节点的位置和密度。•不规则三角网与高程矩阵方法不同之处是随地形起伏变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样点的位置，因而它能够避免地形平坦时的数据冗余，又能按地形特征点如山脊、山谷线等表示数字高程特征。202.4层次模型•层次模型–一种表达多种不同精度水平的数字高程模型，–大多数层次模型是基于不规则三角网模型的，通常不规则三角网的数据点越多精度越高，数据点越少精度越低，但数据点多则要求更多的计算资源。所以如果在精度满足要求的情况下，最好使用尽可能少的数据点。–层次地形模型允许根据不同的任务要求选择不同精度的地形模型。213．DEM模型之间的相互转换（一）不规则点集生成TIN（二）格网DEM转成TIN（三）等高线转成格网DEM（四）利用格网DEM提取等高线（五）TIN转成格网DEM以下是使用arcgis进行转换的例子。22不规则点集生成TIN23由等高线生成TIN图24格网DEM转成TIN25TIN转成格网DEM26利用格网DEM提取等高线27利用DEM制作等高线图26242324283532343835344043323143484752413026364759443527314348373022273743342316111928253111231724284．DEM的建立•数据源来源：•（1）航空或航天遥感图像为数据源•（2）以地形图为数据源•（3）以地面实测记录为数据源•（4）其它数据源●数据源决定采集方法。数据点的采集密度和采点的选择决定DEM的精度。294．DEM的建立•DEM数据采集方法–地面测量–现有地图数字化–空间传感器–数字摄影测量获取DEM•DEM生成方法•DEM数据质量控制渐进采样30规则格网DEM的建立2020/1/11地理信息系统x不规则分布点规则分布等高线分布Y对每一格网点求取格网点高程314．DEM的建立1.地面测量法这种方法以地面实测记录为数据源，利用GPS、全站仪和电子手簿或测距经纬仪等设备，在已知点位的测站上，观测到目标点的方向、距离和高差3个要素。计算出目标点的（x,y,z）三维坐标，存储于电子手簿或袖珍计算机中，成为建立DEM的原始数据。这种方法一般用于建立小范围大比例尺区域的DEM，对高程的精度要求较高。DEM数据采集方法324．DEM的建立2.地形图数字化法这种方法以比例尺大于1:1万的国家近期地形图为数据源，从中量取中等密度地面点集的高程数据，建立DEM。其方法有下面几种：（1）手工采集法采用方格膜片、网点板或带刻划的平移角尺叠置在地形图上，并使地形图的格网与网点板或膜片的格网线逐格匹配定位，自上而下，逐行从左到右量取高程。当格网交点落在相邻等高线之间时，用目视线性内插法估计高程值。它的优点是几乎不需要购置仪器设备，而且操作简便，但效率低。DEM数据采集方法334．DEM的建立（2）手扶跟踪数字化仪采集法可采用如下3种方式进行采集：•逐条等高线的线方式连续采集样点，并采集所有高程注记点作补充，这种方式适合于等高线较稀疏的平坦地区。•沿主要等高线采集特征点，并选择采集高程注记点和线性加密点作补充。•沿曲线和坡折线采集特征点，并补采峰—鞍线和水边线的支撑点，分别以等高线，峰—鞍链和边界格式存储。（3）扫描采集法这种方法利用扫描仪扫描地图，从地图扫描数据中自动地建立DEM。这种方式采集速度快。DEM数据采集方法344．DEM的建立3.空间传感器利用GPS，结合雷达和激光测高仪进行数据采集.4.摄影测量法摄影测量法以航空或航天遥感图像为数据源，利用遥感立体像对，采用摄影测量的方法建立空间地形立体模型，量取密集数字高程数据，建立DEM。采集数据的摄影测量仪器包括附有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量系统。DEM数据采集方法354．DEM的建立摄影测量方法用于生产DEM，数据的采样方法根据产品的要求不同而异。采样点的选取方法如下：（1）沿等高线采样在地形复杂及陡峭地区，可采用沿等高线跟踪方式进行数据采集；而在平坦地区，则不宜沿等高线采样。（2）规则格网采样利用解析测图仪在立体模型中按规则矩形格网进行采样，直接构成规则格网DEM。DEM数据采集方法364．DEM的建立（3）选择采样为了准确反映地形，可根据地形特征进行选择采样，例如沿山脊线、山谷线、断裂线等进行采集以及离散碎部点（如山顶）的采集。这种方法获取的数据尤其适合于不规则三角网DEM的建立。（4）渐进采样这种采样方法的目的是使采样点分布合理，即平坦地区样点少，地形复杂区的样点较多。DEM数据采集方法374．DEM的建立（5）混合采样为了同步考虑采样的合理性和效率，可将规则采样或渐进采样与选择采样结合进行混合采样，即在规则采样的基础上再进行沿特征线、特征点采样。利用混合采样可建立附加地形特征的规则格网DEM，也可建立附加特征的不规则三角网DEM。DEM数据采集方法384．DEM的建立•（6）自动化DEM数据采集•上述方法均是基于解析测图仪或机助制图系统，利用半自动的方法进行DEM数据采集。现在已经可以利用自动化测图系统进行完全自动化的DEM数据采集。此时可按像片上的规则格网利用数字影像匹配进行数据采集。最后摄影测量获取的DEM数据点都要按一定插值方法转成点模式格式数据（规则格网DEM或不规则三角网DEM格式数据）。DEM数据采集方法394．DEM的建立1）人工网格法DEM的生成方法2）立体像对分析3）三角网方法（TIN）4）曲面拟合法5）等值线插值404．DEM的建立•在地形图上蒙上格网，逐格读取中心点或交点的高程值、构成数字高程模型。1）人工网格法DEM的生成方法414．DEM的建立DEM的生成方法2）立体像对分析法•通过遥感立体像对，根据视差模型、自动