第三章 DEM數(shù)據(jù)獲取

1、（1 1）遙感圖像）遙感圖像遙感：源于航空攝影測量，是一種利用地物反射或輻射電磁波的固有特性，通過觀測電磁波，識別地物及其存在環(huán)境的技術。當前的遙感技術已經發(fā)展成為一種多平臺、多波段、多分辨率和全天候的對地觀測技術，并正朝著高空間分辨率、高光譜分辨率和高時間分辨率的方向發(fā)展。遙感數(shù)據(jù)的不確定性來源遙感數(shù)據(jù)的不確定性來源p數(shù)據(jù)固有的不確定性p數(shù)據(jù)獲取過程的不確定性p數(shù)據(jù)處理的不確定性p數(shù)據(jù)轉換和傳輸中的不確定性p數(shù)據(jù)分類和信息提取中的不確定性（2 2）地形圖）地形圖（3 3）地面測量數(shù)據(jù)）地面測量數(shù)據(jù) （4 4）既有既有DEMDEM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) p 七大江河：海河、遼河、黃河、淮河、松花江、長江、七

2、大江河：海河、遼河、黃河、淮河、松花江、長江、珠江珠江DEM-DEM-實際地形表面的再現(xiàn)實際地形表面的再現(xiàn)-可信程度可信程度-原始原始地形采樣點的分布和密度地形采樣點的分布和密度DEMDEM數(shù)據(jù)采樣要求：深入了解地形表面結構特征數(shù)據(jù)采樣要求：深入了解地形表面結構特征和地形復雜程度，和地形復雜程度，正確選擇地形特征點和線正確選擇地形特征點和線，合，合理分布采樣點。理分布采樣點。（2 2）幾何學觀點：）幾何學觀點：DEMDEM表面通過不同的幾何結構來表示，這表面通過不同的幾何結構來表示，這些結構按其自身的性質可分為些結構按其自身的性質可分為規(guī)則和不規(guī)則規(guī)則和不規(guī)則兩種形式。兩種形式。p規(guī)則結構據(jù)其

3、在空間表現(xiàn)可分為：規(guī)則結構據(jù)其在空間表現(xiàn)可分為：一維結構：對應的采樣方法為剖面法或等高線法。一維結構：對應的采樣方法為剖面法或等高線法。二維結構：通常為正方形或矩形、等邊三角形、六邊形或二維結構：通常為正方形或矩形、等邊三角形、六邊形或其他規(guī)則幾何圖形。其他規(guī)則幾何圖形。p不規(guī)則結構：不規(guī)則三角形或多邊形。不規(guī)則結構：不規(guī)則三角形或多邊形。（3 3）基于特征的采樣觀點（地形曲面的幾何特征）基于特征的采樣觀點（地形曲面的幾何特征）形態(tài)各異的地形表面通過具有特征意義的點和線劃分為一系形態(tài)各異的地形表面通過具有特征意義的點和線劃分為一系列單一的地貌形態(tài)。點和線具有不同的地形信息。列單一的地貌形態(tài)。點

4、和線具有不同的地形信息。特征要素：特征要素：地形特征點和特征線地形特征點和特征線特征點：山頂、洼地、鞍部、山腳點、山脊點、山谷點等。特征點：山頂、洼地、鞍部、山腳點、山脊點、山谷點等。不僅能表示出自己的高程信息，還能給周圍點更多的地形信不僅能表示出自己的高程信息，還能給周圍點更多的地形信息。息。特征線：特征線：山脊線、山谷線、斷裂線（陡坎、海岸線、水涯線山脊線、山谷線、斷裂線（陡坎、海岸線、水涯線等）等）將特征點相連形成。將特征點相連形成。（實線為山脊線，虛線為山谷線，三角形表示山頂，小圓為（實線為山脊線，虛線為山谷線，三角形表示山頂，小圓為鞍部，正方形為方向變化點和坡度變化點）鞍部，正方形為

5、方向變化點和坡度變化點） 通過坡度可以完整的形成地形曲通過坡度可以完整的形成地形曲面。面。坡度的地形曲面函數(shù)的一階微分坡度的地形曲面函數(shù)的一階微分的函數(shù)，表達了高程隨距離變化的的函數(shù)，表達了高程隨距離變化的比率。坡度的變率是地形曲面的二比率。坡度的變率是地形曲面的二階微分，反映了地形的復雜程度。階微分，反映了地形的復雜程度。區(qū)域區(qū)域DEMDEM高程精度與平均坡度值之高程精度與平均坡度值之間存在較強相關，間存在較強相關，通過模型的平均通過模型的平均坡度可預測坡度可預測DEMDEM的精度的精度。坡度通過相互垂直的兩個坐標軸坡度通過相互垂直的兩個坐標軸方向的高程變化表達地形曲面局部方向的高程變化表達

6、地形曲面局部單元的傾斜程度（地表的陡峭方向單元的傾斜程度（地表的陡峭方向和大小）。和大?。?.2.3 3.2.3 采樣數(shù)據(jù)的屬性采樣數(shù)據(jù)的屬性采樣：確定在何處需要測量點的過程，這個過程有三個參數(shù)。采樣：確定在何處需要測量點的過程，這個過程有三個參數(shù)。決定：點的決定：點的分布分布、點的、點的密度密度和點的和點的精度精度。（1 1）采樣數(shù)據(jù)的分布采樣數(shù)據(jù)的分布：由數(shù)據(jù)位置和結構來確定，指數(shù)據(jù)：由數(shù)據(jù)位置和結構來確定，指數(shù)據(jù)點的分布形態(tài)。點的分布形態(tài)。位置由地理坐標系統(tǒng)中經緯度或格網坐標系統(tǒng)中坐標決定。位置由地理坐標系統(tǒng)中經緯度或格網坐標系統(tǒng)中坐標決定。結構（分布）的形式很多，因地形特征、設備、應

7、用的不結構（分布）的形式很多，因地形特征、設備、應用的不同而不同。同而不同。結構（或分布）的類別之間沒有明顯的界限和標準，實際采結構（或分布）的類別之間沒有明顯的界限和標準，實際采樣時相互之間很多時候是重疊的。樣時相互之間很多時候是重疊的。（2 2）數(shù)據(jù)的密度數(shù)據(jù)的密度：是指采樣數(shù)據(jù)密集程度，與研究區(qū)域的：是指采樣數(shù)據(jù)密集程度，與研究區(qū)域的地貌類型和地形復雜程度相關。用于刻畫地形形態(tài)所必須的地貌類型和地形復雜程度相關。用于刻畫地形形態(tài)所必須的最少的數(shù)據(jù)點。最少的數(shù)據(jù)點。表示方法：相鄰的兩點之間的距離、單元面積內的點數(shù)、表示方法：相鄰的兩點之間的距離、單元面積內的點數(shù)、截止頻率（采樣數(shù)據(jù)所能表示

8、的最高頻率）、單位線段上的截止頻率（采樣數(shù)據(jù)所能表示的最高頻率）、單位線段上的點數(shù)等。點數(shù)等。采樣距離：相鄰兩采樣點之間的距離，也稱采樣距離：相鄰兩采樣點之間的距離，也稱采樣間隔采樣間隔。采。采樣距離為樣距離為2020米，表示規(guī)則格網分布的采樣數(shù)據(jù)。每平方米米，表示規(guī)則格網分布的采樣數(shù)據(jù)。每平方米500500點，描述隨機分布的采樣數(shù)據(jù)。單位線段上的點數(shù)，每點，描述隨機分布的采樣數(shù)據(jù)。單位線段上的點數(shù)，每米米2 2點，描述數(shù)據(jù)分布是沿等高線或特征線等線狀分布采樣點，描述數(shù)據(jù)分布是沿等高線或特征線等線狀分布采樣點。點。（3 3）數(shù)據(jù)的精度數(shù)據(jù)的精度：是指數(shù)據(jù)點本身所具有的精確度，是數(shù)：是指數(shù)據(jù)點本

9、身所具有的精確度，是數(shù)據(jù)獲取過程中各種不同類型誤差的綜合反映。據(jù)獲取過程中各種不同類型誤差的綜合反映。采樣數(shù)據(jù)精度與數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)的采集方法和數(shù)據(jù)采集的儀采樣數(shù)據(jù)精度與數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)的采集方法和數(shù)據(jù)采集的儀器密切相關。器密切相關。野外測量、影像、地形圖掃描的精度從高到低。野外測量、影像、地形圖掃描的精度從高到低。激光掃描、干涉雷達的精度是非常高的。激光掃描、干涉雷達的精度是非常高的。攝影測量比攝影測量比GPSGPS的精度要高，達到厘米級。地形圖的手扶的精度要高，達到厘米級。地形圖的手扶跟蹤和掃描矢量化的精度都較低。跟蹤和掃描矢量化的精度都較低。3.3.1 DEM3.3.1 DEM數(shù)據(jù)采集方法數(shù)據(jù)采

10、集方法（1 1）地形圖數(shù)據(jù)采集方法：地形圖數(shù)據(jù)采集方法：地形圖數(shù)字化是一種DEM數(shù)據(jù)獲取的最基本的方法。1）手扶跟蹤數(shù)字化步驟：p定參考點（固定地圖）p定控制點p跟蹤采集（點方式、流方式）2）掃描數(shù)字化/矢量化p掃描過程：將地形圖從模擬狀態(tài)（紙質地圖）通過掃描轉換成灰度（彩色）的數(shù)字數(shù)據(jù)（影像），即以像素方式存儲地圖信息。注意兩個問題：分辨率、顏色注意兩個問題：分辨率、顏色p矢量化過程：將得到的柵格圖像轉化為矢量數(shù)據(jù)。具體方法：手動、半自動、全自動具體方法：手動、半自動、全自動步驟：步驟：p掃描圖件準備：圖件、接圖表、控制點、坐標系等。p圖件預處理：檢查圖畫是否平整、圖廓點與符號是否清晰，量測

11、圖廓邊長，檢查變形情況，檢查接邊，等高線連接情況等。p定向糾正與編輯：將地圖數(shù)據(jù)由數(shù)字化儀坐標（掃描文件坐標）轉化為地理/地圖坐標，若圖面變形大，逐格網進行糾正。坐標變換方式有仿射變換、雙線性變換、二次多項式等方法。坐標誤差要小于10米。p掃描與矢量化：黑色或彩色掃描，掃描參數(shù)根據(jù)圖件信息量、線劃密度、質量等因素調節(jié)。一般分辨率不小于300dpi。掃描后進行矢量化。p數(shù)據(jù)分層：主要用于DEM的層有地形信息層、水系層、推測區(qū)域、輔助高程層、公里網層等。（2 2）攝影測量數(shù)據(jù)采集方法：攝影測量數(shù)據(jù)采集方法：1 1）攝影測量的基本原理：利用在不同地方獲取的具有一定重疊度的同一景物的兩張影像，在室內建

12、立立體模型，對其進行三維量測。2）攝影量測的信息獲取方式：航空/航天攝影測量：飛行器上搭載攝影測量設備（傳感器），垂直攝影方式獲得數(shù)據(jù)。地面攝影測量：采用傾斜攝影或交向攝影方式獲取數(shù)據(jù)。3）攝影測量數(shù)據(jù)采集需要注意的問題：斷裂線：一些地形特征線、陡坎、人工或自然建筑，如梯田、河流、沖溝、池塘等在地面產生了轉折或突變。在采集過程中斷裂線要給予不同的明確編碼。單斷裂線：山脊線、山谷線、坡腳線等。雙斷裂線：陡坎、陡坡，兩條斷裂線表示上、下緣，成對出現(xiàn)。（3 3）野外測量數(shù)據(jù)采集方法：野外測量數(shù)據(jù)采集方法：對于小范圍的DEM其主要服務于工程設計，對精度要求較高，采用野外測量（地形圖數(shù)字化精度不一定夠，

13、航測成本高）。儀器：全站儀測量、平板測量、GPS測量、車載GPS測量等。（4 4）雷達測量數(shù)據(jù)采集：雷達測量數(shù)據(jù)采集：合成孔徑雷達干涉測量合成孔徑雷達干涉測量SARSAR（synthetic aperture radar synthetic aperture radar 用一個小天線作用一個小天線作為單個輻射單元，將此單元沿一直線不斷移動，在不同位置上接收同一地物的回為單個輻射單元，將此單元沿一直線不斷移動，在不同位置上接收同一地物的回波信號并進行相關解調壓縮處理的側視雷達。波信號并進行相關解調壓縮處理的側視雷達。）機載激光雷達（機載激光掃描）機載激光雷達（機載激光掃描）LIDARLIDAR（

14、Light Laser Detection and Light Laser Detection and Ranging Ranging 是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱，其主動傳感系統(tǒng)是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱，其主動傳感系統(tǒng)-激光掃描儀是利用激光掃描儀是利用返回的脈沖獲取探測目標高分辨率的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被返回的脈沖獲取探測目標高分辨率的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被動光電成像技術可獲取探測目標的數(shù)字成像信息，經過地面的信息處理而生成逐動光電成像技術可獲取探測目標的數(shù)字成像信息，經過地面的信息處理而生成逐個地面采樣點的三維坐標，最后經過綜合處理而得到沿一定條帶的地面區(qū)域

15、三維個地面采樣點的三維坐標，最后經過綜合處理而得到沿一定條帶的地面區(qū)域三維定位與成像結果。定位與成像結果。）l主動遙感測量，周期短，精度高，高程精度可達到主動遙感測量，周期短，精度高，高程精度可達到10cm10cm，空間分辨率，空間分辨率達到達到1m1m。l通過對獲取的三維坐標數(shù)據(jù)進行濾波（將信號中特定波段頻率濾除的通過對獲取的三維坐標數(shù)據(jù)進行濾波（將信號中特定波段頻率濾除的操作）、分類等（刪除不需要數(shù)據(jù)），進行建模，即可得到操作）、分類等（刪除不需要數(shù)據(jù)），進行建模，即可得到DEMDEM數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。（2 2）三維可視化粗差檢測技術）三維可視化粗差檢測技術對含有粗差的原始數(shù)據(jù)對含有粗差的原始數(shù)

16、據(jù)建立三維表面模型建立三維表面模型（一般為（一般為TINTIN），），在三維可視化環(huán)境下通過人機交互的方式有效地檢測粗在三維可視化環(huán)境下通過人機交互的方式有效地檢測粗差點。差點。這種方法需要高效可靠的構網技術、快速的交互響應效這種方法需要高效可靠的構網技術、快速的交互響應效率以及建立對異常值敏感的可視化圖形。率以及建立對異常值敏感的可視化圖形。常用圖形：線框透視圖和暈渲圖。常用圖形：線框透視圖和暈渲圖。（3 3）基于坡度信息的規(guī)則格網分布數(shù)據(jù)粗差探測技術）基于坡度信息的規(guī)則格網分布數(shù)據(jù)粗差探測技術 坡度是地表的固有屬性，在局部連續(xù)空間的漸變模型坡度是地表的固有屬性，在局部連續(xù)空間的漸變模型上，

17、其變化是連續(xù)的，因此，可采用采樣點與周圍點上，其變化是連續(xù)的，因此，可采用采樣點與周圍點的坡度變化是否一致來檢測采樣點是否含有粗差。的坡度變化是否一致來檢測采樣點是否含有粗差。 本方法適用于規(guī)則分布的采樣點的粗差探測。本方法適用于規(guī)則分布的采樣點的粗差探測。（4 4）基于高程信息的不規(guī)則分布數(shù)據(jù)粗差探測方法）基于高程信息的不規(guī)則分布數(shù)據(jù)粗差探測方法 數(shù)據(jù)點呈散亂分布，其坡度信息獲取困難，與規(guī)則格網分數(shù)據(jù)點呈散亂分布，其坡度信息獲取困難，與規(guī)則格網分布的區(qū)別是：布的區(qū)別是： 窗口確定窗口確定：采用窗口尺寸定義或確定窗口區(qū)域采樣點數(shù)量：采用窗口尺寸定義或確定窗口區(qū)域采樣點數(shù)量這兩種方法來指定鄰域范

18、圍。當使用后一種方法時，一般這兩種方法來指定鄰域范圍。當使用后一種方法時，一般認為包含認為包含15-2015-20個點的窗口是適宜的。坡度是地表的固有屬個點的窗口是適宜的。坡度是地表的固有屬性，在局部連續(xù)空間的漸變模型上，其變化是連續(xù)的，因性，在局部連續(xù)空間的漸變模型上，其變化是連續(xù)的，因此，可采用采樣點與周圍點的坡度變化是否一致來檢測采此，可采用采樣點與周圍點的坡度變化是否一致來檢測采樣點是否含有粗差。本方法也適用于規(guī)則分布的采樣點的樣點是否含有粗差。本方法也適用于規(guī)則分布的采樣點的粗差探測。粗差探測。 一致性標準的確定：采用高程信息，即一致性標準的確定：采用高程信息，即計算高程變計算高程變

19、化是否一致的閾值化是否一致的閾值。原因是：規(guī)則格網上比較容易。原因是：規(guī)則格網上比較容易獲取坡度信息，而從不規(guī)則分布數(shù)據(jù)獲取坡度信息獲取坡度信息，而從不規(guī)則分布數(shù)據(jù)獲取坡度信息卻比較困難，但高程和坡向同時刻畫地形曲面連續(xù)卻比較困難，但高程和坡向同時刻畫地形曲面連續(xù)性的指標，因此在散亂數(shù)據(jù)分布的區(qū)域上，一致性性的指標，因此在散亂數(shù)據(jù)分布的區(qū)域上，一致性標準采用高程信息。標準采用高程信息。（5 5）基于等高線采樣數(shù)據(jù)粗差探測方法基于等高線采樣數(shù)據(jù)粗差探測方法當采樣數(shù)據(jù)來自等高線地形圖時，采用以下方式進行粗差探測。當采樣數(shù)據(jù)來自等高線地形圖時，采用以下方式進行粗差探測。 將所有等高線上的點作為離散點

20、，用上述任一種方法進行。將所有等高線上的點作為離散點，用上述任一種方法進行。 按等高線的拓撲關系進行探測和剔除。按等高線的拓撲關系進行探測和剔除。 可視化檢查?？梢暬瘷z查。缺點：缺點：p 第一種方法不適合手工數(shù)字化的地形采樣數(shù)據(jù)，這是由于手第一種方法不適合手工數(shù)字化的地形采樣數(shù)據(jù)，這是由于手工數(shù)字化常常賦錯高程值，整條等高線高程都錯，其粗差分工數(shù)字化常常賦錯高程值，整條等高線高程都錯，其粗差分布具有條帶性，不具備單點或集中呈面狀的集中分布。布具有條帶性，不具備單點或集中呈面狀的集中分布。p 按等高線拓撲關系進行粗差檢查：在等高線地圖上，各種注按等高線拓撲關系進行粗差檢查：在等高線地圖上，各種注

21、記、地物等的壓蓋，等高線常常不連續(xù)，從而使等高線的拓記、地物等的壓蓋，等高線常常不連續(xù)，從而使等高線的拓撲關系比較困難。撲關系比較困難?？梢暬瘷z查?？梢暬瘷z查。對原始采樣數(shù)據(jù)點建立對原始采樣數(shù)據(jù)點建立DEMDEM，在此，在此DEMDEM上提取上提取等高線，等高線與原始地形圖的等高距一致，將原始地形等高線，等高線與原始地形圖的等高距一致，將原始地形圖與提取的等高線套合，檢查其中的錯誤。圖與提取的等高線套合，檢查其中的錯誤。因此對基于等高線采樣數(shù)據(jù)的粗差探測，因此對基于等高線采樣數(shù)據(jù)的粗差探測，經常采用可視化經常采用可視化檢查檢查（最常用的）。（最常用的）。3.5.1 3.5.1 我國我國DEMD

22、EM數(shù)據(jù)交換格式數(shù)據(jù)交換格式p 數(shù)據(jù)文件包含文件頭和數(shù)據(jù)體兩部分，數(shù)據(jù)體采用從上到數(shù)據(jù)文件包含文件頭和數(shù)據(jù)體兩部分，數(shù)據(jù)體采用從上到下、從左到右的順序并以下、從左到右的順序并以ASCiiASCii碼的方式存儲。碼的方式存儲。p 文件頭分為兩類數(shù)據(jù)：一是基本的、必需的數(shù)據(jù)，一是擴文件頭分為兩類數(shù)據(jù)：一是基本的、必需的數(shù)據(jù)，一是擴充的附加信息，可以省略。充的附加信息，可以省略。p 文件頭的基本組成單元是項目，格式為文件頭的基本組成單元是項目，格式為-“項目名：值項目名：值”p對于一個對于一個DEMDEM項目，最終目標是要經濟、快速地生產滿項目，最終目標是要經濟、快速地生產滿足一定精度要求的足一定精

23、度要求的DEMDEM產品，即產品，即DEMDEM生產涉及三個基本問生產涉及三個基本問題：精度、生產成本、效率。題：精度、生產成本、效率。p精度精度- -數(shù)據(jù)源要有足夠的精度和采樣密度和表面重建數(shù)據(jù)源要有足夠的精度和采樣密度和表面重建的方法（算法）。要完美的方法（算法）。要完美- -成本提高成本提高- -效率降低。因效率降低。因此，要建立高效規(guī)范的生產流程。此，要建立高效規(guī)范的生產流程。 3.6.1 3.6.1 DEMDEM生產技術設計生產技術設計（1 1）項目情況歸總：確定項目單位、承擔單位、負責人）項目情況歸總：確定項目單位、承擔單位、負責人及所涉及的測區(qū)概況。如范圍、地貌、水系、地形類及所

24、涉及的測區(qū)概況。如范圍、地貌、水系、地形類別等。別等。（2 2）資料收集與分析：所有原始資料，如地形圖、航片、）資料收集與分析：所有原始資料，如地形圖、航片、圖例薄、內外業(yè)控制點成果、圖幅結合表，并對這些圖例薄、內外業(yè)控制點成果、圖幅結合表，并對這些資料進行分類整理。資料進行分類整理。（3 3）確定作業(yè)依據(jù)和技術標準：明確所采用的生產技術）確定作業(yè)依據(jù)和技術標準：明確所采用的生產技術規(guī)定、技術標準、圖幅分幅、編號標準、要素分類與規(guī)定、技術標準、圖幅分幅、編號標準、要素分類與代碼標準等，這是指導、監(jiān)督、檢查整個生產過程的代碼標準等，這是指導、監(jiān)督、檢查整個生產過程的基本依據(jù)?；疽罁?jù)。（4 4）

25、生產設備及技術力量的配置：確定軟硬件和技術力量）生產設備及技術力量的配置：確定軟硬件和技術力量的合理配置，特別是包括高工、工程師、技術員，檢查員等的合理配置，特別是包括高工、工程師、技術員，檢查員等各個層次的人員。各個層次的人員。（5 5）制作技術路線與流程：在整個）制作技術路線與流程：在整個DEMDEM過程中，有三條主線：過程中，有三條主線：數(shù)據(jù)流程主線、作業(yè)流程主線、質量控制主線、數(shù)據(jù)和質量數(shù)據(jù)流程主線、作業(yè)流程主線、質量控制主線、數(shù)據(jù)和質量控制主線構成了最終成果的主要內容，二者又是作業(yè)流程的控制主線構成了最終成果的主要內容，二者又是作業(yè)流程的質量評定的依據(jù)。質量評定的依據(jù)。（6 6）制定操作規(guī)程：對）制定操作規(guī)程：對DEMDEM生產過程中影響生產效率和質量生產過程中影響生產效率和質量等的環(huán)節(jié)都應作出明確具體的規(guī)程，如數(shù)據(jù)預處理、采樣點等的環(huán)節(jié)都應作出明確具體的規(guī)程，如數(shù)據(jù)預處理、采樣點分布與密度、數(shù)據(jù)差錯與編輯、矢量接邊、建立分布與密度、數(shù)據(jù)差錯與編輯、矢量接邊、建立TINTIN、DEMDEM質質量檢查、原數(shù)