第八章 DEM與數(shù)字地形分析

1、第八章第八章 DEM與數(shù)字地形分析與數(shù)字地形分析學習目標：學習目標： 1. 基本概念基本概念 2. DEM建立建立 3. 數(shù)字地形分析數(shù)字地形分析重點：重點：數(shù)字地形分析數(shù)字地形分析基本概念基本概念 數(shù)字高程模型數(shù)字高程模型 （DEM，Digital Elevation Model） 是通過是通過有限的有限的地形高程數(shù)地形高程數(shù)據(jù)實現(xiàn)對地形曲面的數(shù)字化據(jù)實現(xiàn)對地形曲面的數(shù)字化模擬（即地形表面形態(tài)的數(shù)模擬（即地形表面形態(tài)的數(shù)字化表示），它是對字化表示），它是對二維二維地地理空間上具有理空間上具有連續(xù)變化連續(xù)變化特征特征地理現(xiàn)象的模型化表達和過地理現(xiàn)象的模型化表達和過程模擬。程模擬。o 數(shù)字地形分

2、析數(shù)字地形分析（DTA, Digital Terrain Analysis） 是指在數(shù)字高程模型上進行是指在數(shù)字高程模型上進行地形屬性地形屬性計算和計算和特征提取特征提取的數(shù)字信息處理技術(shù)。的數(shù)字信息處理技術(shù)。DTA技術(shù)是技術(shù)是各種與地形因素相關(guān)空間模擬技術(shù)的基礎(chǔ)。各種與地形因素相關(guān)空間模擬技術(shù)的基礎(chǔ)。DEM的主要表示模型的主要表示模型o 規(guī)則格網(wǎng)模型規(guī)則格網(wǎng)模型o 不規(guī)則三角網(wǎng)（不規(guī)則三角網(wǎng)（TINTIN）模型）模型規(guī)則格網(wǎng)模型規(guī)則格網(wǎng)模型規(guī)則格網(wǎng)模型規(guī)則格網(wǎng)模型o 將區(qū)域空間分為規(guī)則的將區(qū)域空間分為規(guī)則的網(wǎng)格單元（可以是正方網(wǎng)格單元（可以是正方形或三角形），每個單形或三角形），每個單元對應(yīng)

3、一個數(shù)值。元對應(yīng)一個數(shù)值。628080636679916078806366829658717256668495546664556684995062575164819444635350637891XY規(guī)則格網(wǎng)模型規(guī)則格網(wǎng)模型 網(wǎng)格的值網(wǎng)格的值1. 所有點的高程，即格網(wǎng)單元對應(yīng)的地面面積內(nèi)高程是所有點的高程，即格網(wǎng)單元對應(yīng)的地面面積內(nèi)高程是均均一的高度一的高度。這種數(shù)字高程模型是一個不連續(xù)的函數(shù)，一。這種數(shù)字高程模型是一個不連續(xù)的函數(shù)，一般用來表示離散空間。般用來表示離散空間。2. 是網(wǎng)格是網(wǎng)格中心點的高程中心點的高程或該網(wǎng)格單元的平均高程值，這樣或該網(wǎng)格單元的平均高程值，這樣 則需要用一種插值方

4、法來計算每個點的高程。則需要用一種插值方法來計算每個點的高程。不規(guī)則三角網(wǎng)不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型模型不規(guī)則三角網(wǎng)不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型模型n 表示方法：將區(qū)域劃分為相鄰的三角面網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域表示方法：將區(qū)域劃分為相鄰的三角面網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域中任意點落在三角面頂點、線或三角形內(nèi)，落在頂中任意點落在三角面頂點、線或三角形內(nèi)，落在頂點其高程與頂點相同，落在線上則由兩個頂點線性點其高程與頂點相同，落在線上則由兩個頂點線性插值得到，落在三角形內(nèi)則由三個頂點插值得到插值得到，落在三角形內(nèi)則由三個頂點插值得到n 生成方法：由不規(guī)則點、矩形格網(wǎng)或等高線轉(zhuǎn)換而生成方法：由不規(guī)則點、矩形格網(wǎng)或等高線轉(zhuǎn)換而得到得到n

5、 TINTIN允許在地形復雜地區(qū)收集較多的信息，而在簡允許在地形復雜地區(qū)收集較多的信息，而在簡單的地區(qū)收集少量信息，避免數(shù)據(jù)冗余單的地區(qū)收集少量信息，避免數(shù)據(jù)冗余不規(guī)則三角網(wǎng)不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型模型129758103641763245981110DEM建立o DEMDEM數(shù)據(jù)采集方法數(shù)據(jù)采集方法 n 地面測量地面測量 n 現(xiàn)有地圖數(shù)字化現(xiàn)有地圖數(shù)字化 n 空間傳感器空間傳感器 n 數(shù)字攝影測量獲取數(shù)字攝影測量獲取DEMDEM建立o 數(shù)據(jù)采集遵循的原則數(shù)據(jù)采集遵循的原則n 確定合理的采集精度確定合理的采集精度n 確定合理的取樣密度確定合理的取樣密度n 保證最低的采點密度保證最低的采點密度D

6、EM建立DEM內(nèi)插方法1 距離加權(quán)倒數(shù)2 樣條插值法3 克里格法4 自然近鄰插值法什么是插值？插值是由插值是由有限有限數(shù)數(shù)量的量的采樣點采樣點數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)估計估計柵格中的柵格中的單單元的值元的值。它可以。它可以用來估計任何地用來估計任何地理點數(shù)據(jù)的未知理點數(shù)據(jù)的未知值：高程、降雨、值：高程、降雨、化學污染程度、化學污染程度、噪聲等級等等。噪聲等級等等。為什么要插值？插值方法每種插值方法在預測估值的時候都有自己的前提假設(shè)。根據(jù)模擬的現(xiàn)象和采樣點的分布，不同插值方法會對實際表面有不同效果的模擬.但無論哪種方法，輸入點越多，它們的分布越均勻，估計得到的結(jié)果就越好距離加權(quán)倒數(shù)（IDW）o 這種插值方法假設(shè)

7、每個采樣點都具有一定的局部影響能力，這種影響隨著距離的增大而減弱。距離正在被處理的像元越近的點其權(quán)重大于距離遠的點。o 一定數(shù)量的點或者一定半徑范圍內(nèi)的點都能夠用于決定每個輸出像元的值o 這種方法對變量影響隨距離增大而減消的情況比較合適。比如計算某一零售點的消費者購買能力的權(quán)重，距離越遠的影響權(quán)重一定越小，因為人們總是喜歡就近購物。自然近鄰法o 與IDW類似，這種插值方法是一種權(quán)重平均算法。然而，不同于利用所有輸入點的距離加權(quán)來計算插值點的值，自然近鄰法對樣本點生成Delauney三角形，選擇最近的點形成一個凸集，然后利用所占面積的比例計算權(quán)重.o 這種方法最適于樣本點分布不均的情況。這個插值

8、技術(shù)較為常用，因為無需定義半徑、鄰域數(shù)目或者權(quán)重等參數(shù)。樣條插值o 這種常用的方法擬合一個最小曲率的表面，這個擬合的表面通過輸入點 ，這種方法相當于扭曲一條橡皮讓它通過所有的采樣點，同時保證表面總的曲率最小。在保證擬合表面通過所有輸入點的同時，通過一個數(shù)學函數(shù)決定最小曲率、二維的、薄板樣條對一定數(shù)量的距離最近的采樣點進行擬合o 這種方法最適合漸變的表面屬性，比如高程、水深或者污染程度等。它不適合那種在較小的水平距離內(nèi)發(fā)生劇烈變化的地區(qū)，那樣估計結(jié)果會過大?？死锔穹椒╫ 這種插值方法假設(shè)樣本點之間的距離和方向反映了一種空間上的關(guān)系，以此來解釋空間上的變異?？死锔穹椒ɡ靡欢〝?shù)量的點或者一定半徑范

9、圍內(nèi)所有的點，代入一個數(shù)學函數(shù)，得到每個位置的輸出值.o 克里格方法是一個多步驟的處理過程，它包含對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析的過程、變異函數(shù)建模、創(chuàng)建表面以及可選的變異表面等多個步驟.o 在已知數(shù)據(jù)具有空間關(guān)聯(lián)的距離或者方向偏差時，這種方法最為適合?？死锔穹椒ǔＳ糜谕寥揽茖W或者地質(zhì)學。趨勢法o 這種插值方法運用一定數(shù)學函數(shù)常為某一階次的多項式對所有輸入點進行擬合。這種方法利用最小二乘法進行回歸，使用已知數(shù)據(jù)擬合出的曲面方差最小.o 利用這種方法構(gòu)建出的曲面，每個輸入點的真實值與估計值之間的差異的總和是最小可能值。o 該曲面一般不經(jīng)過已知點。趨勢法可以定制，但在三維分析的用戶界面沒出現(xiàn)。DEM模型在GI

10、S中的應(yīng)用1、坡度、坡向、曲率分析坡度、坡向、曲率分析p 在流域提取、泥石流分析和植物生長環(huán)境研究中都在流域提取、泥石流分析和植物生長環(huán)境研究中都需要坡度與坡向分析。需要坡度與坡向分析。p 尋找融雪淹沒位置尋找融雪淹沒位置p 尋找飛機降落地點尋找飛機降落地點DEM模型在GIS中的應(yīng)用2 剖面分析與繪制剖面分析與繪制剖面線DEM模型在GIS中的應(yīng)用剖面分析與繪制剖面分析與繪制 確定剖面線。既可以人工輸入，也可以利用鼠標實時確定。確定剖面線。既可以人工輸入，也可以利用鼠標實時確定。 計算剖面線與所有網(wǎng)格的交點，并對交點進行插值處理，計算剖面線與所有網(wǎng)格的交點，并對交點進行插值處理， 得到各交點高程

11、。得到各交點高程。 在新的剖面圖中，按順序繪制交點并連接。在新的剖面圖中，按順序繪制交點并連接。 如果需要，可進行二次曲線插值，進行光滑處理。如果需要，可進行二次曲線插值，進行光滑處理。100200300視域分析DEM模型在GIS中的應(yīng)用3 3、土石方計算、土石方計算 在在DEMDEM基礎(chǔ)上進行土石方計算非常方便?；A(chǔ)上進行土石方計算非常方便。 如果是規(guī)則網(wǎng)格模型，那么把三維空間實體轉(zhuǎn)變?yōu)槿绻且?guī)則網(wǎng)格模型，那么把三維空間實體轉(zhuǎn)變?yōu)殚L方體長方體 集合就能方便進行計算。集合就能方便進行計算。 如果是如果是TINTIN模型，可通過插值達到規(guī)則網(wǎng)格模型的密模型，可通過插值達到規(guī)則網(wǎng)格模型的密集度。當然會有一定的誤差。集度。當然會有一定的誤差。4 等高線繪制等高線繪制5 渲染圖的制作渲染圖的制作6 填填/挖挖o 確定河谷中沉積物侵蝕和沉積的區(qū)域。確定河谷中沉積物侵蝕和沉積