数字高程

数字高程模型一、DEM概述二、DEM建立1、DEM的数据获取2、DEM的建立方法三、DEM应用一、概述：DEM定义DEM，(DigitalElevationModels)，是国家基础空间数据的重要组成部分，它表示地表区域上地形的三维向量的有限序列，即地表单元上高程的集合，数学表达为：z=f(x，y)。DTM：当z为其它二维表面上连续变化的地理特征，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诸特征，此时的DEM成为DTM(DigitalTerrainModels)。概述：DEM与DTM的区分●数字高程模型(DigitalElevationModel，DEM)：研究地面起伏。通过地表点集的空间直角坐标（x，y，z）并使需要进一步伴随若干专题特征来表示地形表面的,它是构成地形、地理分析的基础。●数字地形模型(DigitalTerrainModel，DTM)：含有地面起伏和属性(如坡度、坡向等)两个含义，是DEM的进一步分析。是地表单元上高程的集合，是地貌形态的离散表示。DEM是构成DTM的基础，DTM的其他元素均有DEM导出，显然，DEM的质量好坏直接决定着DTM的精确性。概述：DEM的表示方法●使用三维函数模拟复杂曲面；●将一个完整曲面分解成方格网或面积上大体相等的不规则格网，每个格网中有一个点的观测值，即为格网值；●适用于曲面插值来表示地下水或土壤的特性；概述：DEM的线模式表示●描述高程曲线的等高线；●数字化现有等高线地图产生的DEM比直接利用航空摄影测量方法产生的DEM质量要差；●数字化的等高线对于计算坡度或生成着色地形图不十分适用。概述：等高线模式等高线通常被存储成一个有序的坐标点序列，可以认为是一条带有高程值属性的简单多边形或多边形弧段。由于等高线模型只是表达了区域的部分高程值，往往需要一种插值方法来计算落在等高线以外的其他点的高程，又因为这些点是落在两条等高线包围的区域内，所以，通常只要使用外包的两条等高线的高程进行插值。概述：DEM的点模式表示高程矩阵(规则矩形格网)，与栅格地图相同。●表示方法：将区域划分成网格，记录每个网格的高程；●线模型到高程矩阵的转换。◆优点：计算机处理以栅格为基础的矩阵很方便，使高程矩阵成为最常见的DEM；◆缺点：在平坦地区出现大量数据冗余；若不改变格网大小，就不能适应不同的地形条件；在视线计算中过分依赖格网轴线。概述：GRID模式规则格网法是把DEM表示成高程矩阵，此时，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。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。高程矩阵特别有利于各种应用。概述：GRID模式的缺点Grid系统有下列缺点：1、地形简单的地区存在大量冗余数据；2、如不改变格网大小,则无法适用于起伏程度不同的地区；3、对于某些特殊计算如视线计算时，格网的轴线方向被夸大；4、由于栅格过于粗略，不能精确表示地形的关键特征,如山峰、洼坑、山脊等；概述：不规则三角网(TIN)●不规则三角网(TIN)表示法克服了高程矩阵中冗余数据的问题，而且能更加有效地用于各类以DTM为基础的计算。但其结构复杂。TIN（TriangulatedIrregularNetwork)表示法利用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，尽可能地确保每个三角形都是锐角三角形或是三边的长度近似相等—Delaunay)。因为TIN可根据地形的复杂程度来确定采样点的密度和位置，能充分表示地形特征点和线，从而减少了地形较平坦地区的数据冗余。概述：TIN的三角剖分概述：TIN模型的存储方式NoXYZ190.010.043.5250.710.067.3367.223.962.6::::1010.090.081.0概述：TIN模型的表现概述：TIN小结●表示方法：将区域划分为相邻的三角面网络，区域中任意点都将落在三角面顶点、线或三角形内。落在顶点上其高程与顶点相同；落在线上则由两个顶点线性插值得到；落在三角形内则由三个顶点插值得到。●生成方法：由不规则点、矩形格网或等高线转换而得到。●TIN允许在地形复杂地区收集较多的信息，而在简单的地区收集少量信息，避免数据冗余。●对于某些类型的运算比建立在数字等高线基础上的系统更有效，如坡度、坡向等的计算。概述：建立DEM的目的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。二、DEM数据来源数据源来源：（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。DEM数据采集●数字摄影测量：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量。●现有地图数字化：对已有地图上的信息(如等高线)进行数字化。●地面测量：利用自动记录的测距经纬仪在野外实地测量。●空间传感器：利用GPS，结合雷达和激光测高仪采集数据。数字摄影测量采样点的选取●沿等高线采样：主要用于山区采样。●规则网格采样：按规则矩形网格进行采样，可直接生成规则矩形格网的DEM数据。●渐进采样：根据地形使采样点合理分布，即平坦地区采样点少，地形复杂区采样点多。●选择采样：根据地形特征进行采样，如沿山脊线、山谷线等进行采集。●混合采样。注意：所有采集的数据都要按一定的空间插值方法转换成点模式格式数据。DEM的生成方法：1、人工格网法2、三角网法3、立体像对法4、曲面拟合法5、等值线插值法人工格网法●在地形图上蒙上格网，逐格读取中心点或交点的高程值。三角网法对有限个离散点，每三个邻近点联结成三角形，每个三角形代表一个局部平面，再根据每个平面方程，可计算各格网点高程，生成DEM。构三角网的要求应尽可能保证每个三角形是锐角三角形或三边的长度近似相等，避免出现过大的钝角和过小的锐角。立体像对法资料来源于张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘曲面拟合法根据有限个离散点的高程，采用多项式或样条函数求得拟合公式，再逐个计算各点的高程，得到拟合的DEM。可反映总的地势，但局部误差较大。可分为：●整体拟合：根据研究区域内所有采样点的观测值建立趋势面模型。特点是不能反映内插区域内的局部特征。●局部拟合：利用邻近的数据点估计未知点的值，能反映局部特征。等高线插值法三、DEM的应用1、基于DEM的信息提取2、等高线的绘制3、基于DEM的可视化分析1、三维景观2、数码城市和虚拟现实3、DEM在工程上的应用概述应用：应用算法：三维景观数码城市和虚拟现实CityModelDOMDEMDLGAttributeRDBDigitalOrthophotoMap（数字正射影像图）DigitalElevationModel（数字高程模型)数字线划图DLG数字栅格地图DRG数码深圳3D建筑DEM+DOM+DLG交通行业：数字公路（交通部公路勘测设计院）DEM的土石方计算立体计算线路挖土、石方量坡度的计算2yx1(1,0)(0,0)(1,1)Z10Z11Z01POQRSYZZZZXZZZZYX22tan22tan10001101010011101sintantanROQOQOPOROPOX12costansintantanSOQOQOPOSOPOY222tantantanYX又：所以：T坡向的计算坡向QO与X轴之夹角T为坡向角2yx1(1,0)(0,0)(1,1)Z10Z11Z01POQRSTXYtgtgROPOSOPOSOROtgatgT//2坡度图和坡向图的制作通常用3*3的格网窗口在DEM数据矩阵中连续移动计算完成。等高线的绘制在格网DEM上自动绘制等高线主要包括两个步骤：1、等高线追踪，利用DEM矩形格网点的高程内插出格网边上的等高线点，并将这些等高线点排序；2、等高线光滑，进一步加密等高线点并绘制光滑曲线。剖面分析1）意义：常常可以以线代面，研究区域的地貌形态、轮廓形状、地势变化、地质构造、斜坡特征、地表切割强度等。如果在地形剖面上叠加其它地理变量，例如坡度、土壤、植被、土地利用现状等，可以提供土地利用规划、工程选线和选址等的决策依据。2）绘制可在格网DEM或三角网DEM上进行。已知两点的坐标A(x1，y1)，B(x2，y2)，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比例尺，按距离和高程绘出剖面图。剖面图不一定必须沿直线绘制，也可沿一条曲线绘制。基于DEM的可视化分析通视分析是指以某一点为观察点，研究某一区域通视情况的地形分析。●方法：a、以O为观察点，对格网DEM或三角网DEM上的每个点判断通视与否，通视赋值为1，不通视赋值为0。由此可形成属性值为0和1的格网或三角网。对此以0.5为值追踪等值线，即得到以O为观察点的通视图。b、以观察点O为轴，以一定的方位角间隔算出0°～360°的所有方位线上的通视情况。对于每条方位线，通视的地方绘线，不通视的地方断开，或相反。这样可得出射线状的通视图。a）倾角法格网DEM为例，O(xo，yo，zo)为观察点，P(xp,yp,zp)为某一格网点，OP与格网的交点为A、B、C。OP的倾角为α观察点与各交点的倾角为βi(i＝A,B,C)若tgα＞max(tgβi,i＝A、B、C)，则OP通视否则，不通视。两点是否可见的算法b)剖面图两点连线是否与剖面相交。ABA