數(shù)字高程模型第1章概論

1、數(shù)字地面模型教學(xué)方法：教學(xué)方法：1. 多媒體+板書2.自學(xué)和討論3.上機實習(xí)教學(xué)組織方式：教學(xué)組織方式：1.課堂授課:本課程的基礎(chǔ)知識部分主要通過課堂授課方式進行組織。2.上機實習(xí)課:結(jié)合理論知識，培養(yǎng)學(xué)生使用gis軟件進行地形分析的實際動手能力。學(xué)時安排：學(xué)時安排：理論課30，上機實習(xí)6考核方式：考核方式：理論考試80%，上機操作10%，平時10%教材：教材：湯國安. 數(shù)字高程模型教程. 北京：科學(xué)出版社，2010參考文獻：參考文獻： 李志林. 數(shù)字高程模型. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2000 湯國安. 地理信息系統(tǒng)教程. 北京：高等教育出版社，2006基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識：地圖學(xué)，地理信息系統(tǒng)、

2、計算機基礎(chǔ)知識、數(shù)據(jù)庫原理第1章 概 論主要內(nèi)容地表形態(tài)表達：從模擬到數(shù)字dem：概念與理解數(shù)字高程模型的信息特征：從dem到dtm數(shù)字高程模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能數(shù)字高程模型與地理信息系統(tǒng)的關(guān)系數(shù)字高程模型應(yīng)用范疇與前景1. 地表形態(tài)表達：從模擬到數(shù)字1.1數(shù)字地形的表達數(shù)字地形的表達人類為了認識和改造地球，利用地形圖表示地表形態(tài)是其中之一。地表形態(tài)是從模擬到數(shù)字、可以劃分為以下幾個階段：（1 1）早期由于測繪知識的缺乏，對地表形態(tài)采用象）早期由于測繪知識的缺乏，對地表形態(tài)采用象形繪圖的方法。如山體用魚鱗符號。形繪圖的方法。如山體用魚鱗符號。（2 2）1717世紀以后，以寫景方式進行地圖刻畫。如

3、暈渲法、透世紀以后，以寫景方式進行地圖刻畫。如暈渲法、透視寫景法、地貌單元圖。視寫景法、地貌單元圖。 首曲線：首曲線，也叫基本等高線，是按基本等高距繪出的等高線。首曲線：首曲線，也叫基本等高線，是按基本等高距繪出的等高線。 在地在地形圖上以形圖上以0.1mm的細實線描繪，如的細實線描繪，如1：5萬地形圖上首曲線依次為：萬地形圖上首曲線依次為：10m、20m、30m等等。等等。 計曲線：為了閱讀方便，從起點起，每隔四根等高線加粗描繪一根等高線，計曲線：為了閱讀方便，從起點起，每隔四根等高線加粗描繪一根等高線，這根加粗的等高線就是計曲線。這根加粗的等高線就是計曲線。 間曲線：在地勢平坦的區(qū)域，如用

4、基本間隔繪制地形圖，往往在一幅圖內(nèi)間曲線：在地勢平坦的區(qū)域，如用基本間隔繪制地形圖，往往在一幅圖內(nèi)沒有幾根等高線，表達不了實際地形情況。采用為沒有幾根等高線，表達不了實際地形情況。采用為基本等高距的一半基本等高距的一半的等的等高距繪制等高線，這種等高線叫做間曲線。高距繪制等高線，這種等高線叫做間曲線。 助曲線：也叫輔助等高線，通常按助曲線：也叫輔助等高線，通常按四分之一等高距四分之一等高距描繪等高線，但也可以描繪等高線，但也可以按任意高度描繪等高線。助曲線用以表示首曲線和間曲線尚無法表示的重按任意高度描繪等高線。助曲線用以表示首曲線和間曲線尚無法表示的重要地貌，在圖上以短虛線描繪。要地貌，在圖

5、上以短虛線描繪。（3）18世紀，測繪技術(shù)的發(fā)展，高程數(shù)據(jù)和平面數(shù)據(jù)的獲取成世紀，測繪技術(shù)的發(fā)展，高程數(shù)據(jù)和平面數(shù)據(jù)的獲取成為可能，以為可能，以等高線形式等高線形式進行地表形態(tài)的模擬。進行地表形態(tài)的模擬。地圖的表示方法地圖的表示方法等高線等高線地圖的表示方法地圖的表示方法分層設(shè)色法分層設(shè)色法此法是制圖學(xué)家雷馬虛克發(fā)明。以一定的顏色變化次序此法是制圖學(xué)家雷馬虛克發(fā)明。以一定的顏色變化次序或色調(diào)深淺來表示地貌的方法。首先或色調(diào)深淺來表示地貌的方法。首先將地貌按高度劃分將地貌按高度劃分若干帶若干帶；各帶規(guī)定具體的色相和色調(diào)，稱為；各帶規(guī)定具體的色相和色調(diào)，稱為“色層色層”。能。能醒目地顯示地勢各高程帶

6、的范圍、不同高程帶地貌單元醒目地顯示地勢各高程帶的范圍、不同高程帶地貌單元的面積對比，具有立體感，但不能量測。設(shè)色的原則，的面積對比，具有立體感，但不能量測。設(shè)色的原則，是按地面由低到高，以綠、黃、棕等顏色分別表示平原、是按地面由低到高，以綠、黃、棕等顏色分別表示平原、高原和高山，以濃淡不同的藍色表示海洋的不同深度帶。高原和高山，以濃淡不同的藍色表示海洋的不同深度帶。地圖的表示方法地圖的表示方法分層設(shè)色法分層設(shè)色法（4 4）1919世紀，平版印刷技術(shù)的發(fā)展使得聯(lián)系世紀，平版印刷技術(shù)的發(fā)展使得聯(lián)系色調(diào)變化和陰影色調(diào)變化和陰影變化模擬不規(guī)則的地表形態(tài)變化模擬不規(guī)則的地表形態(tài)成為可能。該方法的特點是

7、成為可能。該方法的特點是陰影顯陰影顯示斜坡的能力示斜坡的能力（三維可視化的能力）。（三維可視化的能力）。（5 5）2020世紀地形圖的主要表示方法是等高線法和地貌暈渲法；世紀地形圖的主要表示方法是等高線法和地貌暈渲法；上述方法上述方法是在二維環(huán)境中對三維現(xiàn)實世界的模擬和表達是在二維環(huán)境中對三維現(xiàn)實世界的模擬和表達；上述；上述方法方法不能解決我們實際應(yīng)用中的可測量性不能解決我們實際應(yīng)用中的可測量性，同時該方法描述的，同時該方法描述的結(jié)果不符合我們的視覺感受，因此出現(xiàn)一種既可以符合人類的結(jié)果不符合我們的視覺感受，因此出現(xiàn)一種既可以符合人類的視覺感受，還具有恢復(fù)真實地形且具有可測量性的表達方法是視覺

8、感受，還具有恢復(fù)真實地形且具有可測量性的表達方法是制圖和測繪等領(lǐng)域的研究目標。制圖和測繪等領(lǐng)域的研究目標。（6 6）2020世紀世紀6060年代以后，由于空間技術(shù)和通訊技術(shù)的迅速年代以后，由于空間技術(shù)和通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了遙感技術(shù)，并且該技術(shù)迅速得到廣泛的應(yīng)用，發(fā)展，出現(xiàn)了遙感技術(shù)，并且該技術(shù)迅速得到廣泛的應(yīng)用，同時計算機的出現(xiàn)以及廣泛的使用，各種數(shù)字地形的表達同時計算機的出現(xiàn)以及廣泛的使用，各種數(shù)字地形的表達方法得到迅速發(fā)展。方法得到迅速發(fā)展。19581958年，年， miller miller與與lafammelafamme最初是為了高速公路的自動最初是為了高速公路的自動設(shè)計提出設(shè)計

9、提出數(shù)字地面模型（數(shù)字地面模型（dtmdtm，digital terrain modeldigital terrain model）。地形表達從模擬表達時代走向數(shù)字表達時代。地形表達從模擬表達時代走向數(shù)字表達時代。2. dtm：概念與理解數(shù)字地面模型（dtm，digital terrain model）：是利用一個任意坐標場中大量選擇的已知x，y，z的坐標點對連續(xù)地面的一個簡單的統(tǒng)計表示，或者說，dtm就是地形表面簡單的數(shù)字表示。數(shù)字地面模型是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。terrain一詞西方語言中有地形、地面、地表和地塊的釋義，很多測繪學(xué)家把t

10、errain理解為地形，因此dtm又稱為數(shù)字地形模型。dtm與與dem自從dtm概念提出后，又相繼出現(xiàn)了許多其他相近術(shù)語，如dhm、dgm、dtem（見表1.1）。其中，應(yīng)用最為廣泛的數(shù)字模型就是dem（digital elevation model），即數(shù)字高程模型。隨著地理信息系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施等的發(fā)展和建設(shè)，dem已經(jīng)作為一個獨立的產(chǎn)品而存在，并越來越廣泛的用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)地形圖中等高線對地形的描述，成為“4d”產(chǎn)品之一和地理信息系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)庫及地學(xué)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。dem已已經(jīng)成為地形數(shù)字化表達的專有名詞。經(jīng)成為地形數(shù)字化表達的專有名詞。需要注意，在一般概念中，雖然dtm通常被理解為

11、數(shù)字高程模型，但事實上dtm趨向于表達比dem更為廣泛的內(nèi)容。數(shù)字地面模型、數(shù)字高程模型的定義miller（1958）數(shù)字地面模型是利用一個任意坐標場中大量選擇的已知x、y、z的坐標點對連續(xù)地面的一個簡單的統(tǒng)計表示。doyle（1978）數(shù)字地面模型是描述地面諸特性空間分布的有序數(shù)值陣列，在一般情況下，所記錄的地面特性為高程值，它的空間分布由x、y平面坐標系統(tǒng)來描述，也可通過經(jīng)度和緯度進行描述海拔分布。在新近文獻中，稱上述高程或海拔分布的數(shù)字地面模型為數(shù)字高程模型，以與描述其他地面特性的數(shù)字地面模型有所區(qū)別。dtm可以是每三個三維坐標值為一組的散點結(jié)構(gòu)，也可是由多項式或傅里葉級數(shù)確定的曲面方程

12、。另外數(shù)字地面模型可以包含除高程外的其他地面特性，如地價、土地權(quán)屬、土壤類型、巖層深度等。王之卓（1979）數(shù)字地面模型是地形表面用x、y、z坐標的數(shù)字形式的一種表達。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 earth

13、s surface.龔健雅（1993）數(shù)字地面模型dtm是定義在二維區(qū)域上地形特征空間分布及關(guān)聯(lián)信息的一個有限n維向量系列xi，數(shù)字高程模型dem是dtm的一個子集，它表示地形空間分布的一個有限三維向量系列x,y,z，其中x,y表示地形點的平面位置，z表示相應(yīng)點的高程。2. dem：概念與理解數(shù)字地面模型有關(guān)術(shù)語術(shù)語全稱特點與含義demdigital elevation model以絕對高程或海拔表示的地形模型dhmdigital height model以任意高程表示的地形模型，包括絕對高程和相對高程，為德國所使用dgmdigital ground model具有連續(xù)變化特征的地表實體模型，

14、為英國所使用digital geomorphology model除高程外的其他地貌形態(tài)模型，如坡度、坡向等dtmdigital terrain model泛指地形表面自然、人文、社會景觀模型dteddigital terrain elevation model為美國國防制圖局所使用的地形模型，強調(diào)模型的格網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征2. dem：概念與理解2. dem：概念與理解從狹義角度定義：dem是區(qū)域地表面海拔高程的數(shù)字化表達。這種定義將描述的范疇集中限制在“地表”、“海拔高程”及“數(shù)字化表達”內(nèi)，意義較為明確，也是人們一般理解與接受的dem概念。但是，隨著dem的應(yīng)用向海底、地下巖層及某些不可見地理對

15、象（如等氣壓面）的延伸，有必要提出更為廣義的定義。從廣義角度定義：dem是地理空間中地理對象表面海拔高度的數(shù)字化表達。該定義中描述對象不再局限于“地表面”，因而具有更大的包容性，如有海底dem、下伏巖層dem、大氣等壓面dem等。 h 11dem = m hh m 2. dem：概念與理解數(shù)學(xué)意義上的數(shù)字高程模型是定義在二維空間上的連續(xù)函數(shù)h = f（x,y）dem = m i = (pj) pj(x j, y j, h j) d, j = 1,l n,i = 1,l,m當(dāng)為正方形格網(wǎng)時，這時的dem稱為基于格網(wǎng)的dem（grid based dem）llllh 2m m h nm nm h

16、21 n1h 12h 22mh n 2高程矩陣2. dem：概念與理解當(dāng)為三角形時，這時實質(zhì)上是用互不交叉、互不重疊的連接在一起的三角形網(wǎng)絡(luò)逼近表面，這時的dem稱為基于不規(guī)則三角網(wǎng)的dem（irregular triangulated networkbased dem，簡寫為tin based dem）dem= t i , t i = ( p j , pl , pk )為三角剖分準則2. dem：概念與理解grid 與 tindem的維數(shù)2.5d表面模型z2z1z1還是z2?格網(wǎng)dem對于陡崖等特殊地形處理需要考慮更多細節(jié)2. dem：概念與理解dem的研究內(nèi)容：數(shù)據(jù)采集方法地形建模與內(nèi)插技

17、術(shù)數(shù)據(jù)組織與管理地形分析地形可視化不確定性分析數(shù)字高程模型分類體系數(shù)字高程模型范圍局部dem地區(qū)dem全局dem連續(xù)性不連續(xù)dem連續(xù)dem光滑dem結(jié)構(gòu)面規(guī)則結(jié)構(gòu)正方形格網(wǎng)結(jié)構(gòu)正六邊形格網(wǎng)結(jié)構(gòu)其他格網(wǎng)結(jié)構(gòu)不規(guī)則結(jié)構(gòu)不規(guī)則三角網(wǎng)四邊形線等高線結(jié)構(gòu)斷面結(jié)構(gòu)點散點結(jié)構(gòu)2. dem：概念與理解數(shù)字高程模型的類型2. dem：概念與理解按結(jié)構(gòu)分類：2. dem：概念與理解按連續(xù)性分類：2. dem：概念與理解按范圍分類：局部dem地區(qū)dem全局dem2. dem：概念與理解dem的特點精度恒定性表達多樣性更新實時性尺度綜合性demdem的特點的特點p精度的恒定性精度的恒定性：常規(guī)的模擬地圖隨著時間的推

18、移，圖紙由于環(huán)境的改變而會產(chǎn)生變形，從而失掉原有的精度。dem采用數(shù)字媒介，從而能保持原有的精度。p表達的多樣性表達的多樣性：地形數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機處理后，可產(chǎn)生多種比例尺的地形圖、剖面圖、立體圖、明暗等高線圖；通過紋理映射、與遙感影像數(shù)據(jù)疊加，還可逼真的再現(xiàn)三維地形景觀，并可通過飛行模擬瀏覽地形的局部細節(jié)或整體概貌。p更新的實時性更新的實時性：dem由于是數(shù)字的，增加或修改的信息只在局部進行，并且有計算機自動完成，可保證地圖信息的實時性。p尺度的綜合性尺度的綜合性：較大比例尺、較高分辨率的dem自動覆蓋較小比例尺、較低分辨率的dem所包含的內(nèi)容，如1米分辨率dem自動包含10米、25米、100米

19、等較低分辨率dem信息。3. dem的信息特征：從dem到dtmpdemdem和和dtmdtm的的區(qū)別與聯(lián)系區(qū)別與聯(lián)系（1 1）數(shù)字地形模型是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達，）數(shù)字地形模型是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達，是是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述；數(shù)字；數(shù)字高程模型中高程模型中地形屬性僅為高程地形屬性僅為高程。（2 2）在地理信息系統(tǒng)中，）在地理信息系統(tǒng)中，demdem是建立是建立dtmdtm的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其它的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其它的地形要素可由的地形要素可由demdem直接或間接導(dǎo)出，稱為直接或間接導(dǎo)出，稱為“派生數(shù)據(jù)派生數(shù)據(jù)”，如坡度、坡

20、向如坡度、坡向 。（3 3）高程模型最常見的表達是相對于海平面的海拔高度，）高程模型最常見的表達是相對于海平面的海拔高度，或某個參考平面的相對高度，所以高程模型又叫地形模或某個參考平面的相對高度，所以高程模型又叫地形模型。實際上地形模型不僅包含高程屬性，還包含其它的型。實際上地形模型不僅包含高程屬性，還包含其它的地表形態(tài)屬性，如坡度、坡向等。地表形態(tài)屬性，如坡度、坡向等。數(shù)據(jù)獲取建模處理優(yōu)化dem解譯（分析）可視化分析現(xiàn)實世界地面形態(tài)表達4. dem系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能地形分析地學(xué)分析與應(yīng)用地形的數(shù)字化表達方式地形數(shù)字化表達數(shù)學(xué)描述全局傅立葉級數(shù)多項式函數(shù)局部規(guī)則的分塊函數(shù)不規(guī)則分塊函數(shù)圖形方式點不

21、規(guī)則分布網(wǎng)絡(luò)（如tin）規(guī)則分布網(wǎng)絡(luò)（柵格）特征點（山頂、鞍部、山脊、山谷線等）等高線特征線（山脊線、山谷線等）剖面線圖像方式直接航空影像、遙感影像間接透視圖暈渲圖4. dem系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能：建模（1 1）數(shù)學(xué)方法：）數(shù)學(xué)方法：用數(shù)學(xué)方法來表達，可以采用整體擬合方法，即根據(jù)區(qū)用數(shù)學(xué)方法來表達，可以采用整體擬合方法，即根據(jù)區(qū)域所有的高程點數(shù)據(jù)，用域所有的高程點數(shù)據(jù)，用傅立葉級數(shù)傅立葉級數(shù)和高次多項式擬合和高次多項式擬合統(tǒng)一的地面高程曲面。也可用局部擬合方法，將地表復(fù)統(tǒng)一的地面高程曲面。也可用局部擬合方法，將地表復(fù)雜表面分成正方形規(guī)則區(qū)域或面積大致相等的不規(guī)則區(qū)雜表面分成正方形規(guī)則區(qū)域或面積大致相等的不規(guī)則區(qū)域進行分塊搜索，根據(jù)有限個點進行擬合形成高程曲面。域進行分塊搜索，根據(jù)有限個點進行擬合形成高程曲面。 （2）圖形方法：）圖形方法：a線模式：等高線線模式：等高線是表示地形最常見的形式。其它的是表示地形最常見的形式。其它的地形