太原理工大學(xué)數(shù)字高程模型第一章-DEM概論

1、數(shù)字高程模型數(shù)字高程模型第一章第一章 概論概論1.1 數(shù)字地形的表達(dá) 如何用一種既方便又準(zhǔn)確的方法來表達(dá)實際的地表現(xiàn)象？1.1 .1地形的表達(dá)地形的表達(dá) 早期由于測量知識的缺乏，對地形表面形態(tài)的描述主要采用象形繪圖方法進(jìn)行，例如山體用巖石堆符號表達(dá)，山體范圍用一系列的“魚鱗”符號或類似的錐形符號。 十七世紀(jì)以后，人們逐步意識到地面起伏變化對氣溫、植被、環(huán)境等的深刻影響，先后出現(xiàn)了透視寫景圖、暈滃法、斜視區(qū)域圖、地貌寫景圖、地貌形態(tài)圖、地貌單元圖等。 十八世紀(jì)，測繪技術(shù)的發(fā)展使高程數(shù)據(jù)和平面位置數(shù)據(jù)的獲取成為現(xiàn)實，對地形的表達(dá)也由寫景式的定性表達(dá)逐步過渡到以等高線為主的量化表達(dá)。在等高線地形圖上

2、，地形起伏、地物等的描述不再是象形符號、色彩或明暗的變化，而是正交地投影在水平面上，相鄰高程相等的點(diǎn)連接而成的閉合曲線表示地形起伏特征和形態(tài)結(jié)構(gòu)，線劃符號表示按比例縮小的地物。 與各種線劃圖形相比，用影像記錄景觀現(xiàn)象無疑具有更大的優(yōu)點(diǎn)，如地形特征表達(dá)細(xì)節(jié)豐富、直觀逼真、圖形獲取快速等，因此攝影技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)就被廣泛的用來記錄豐富多彩、千姿百態(tài)的自然景觀現(xiàn)象。航空攝影測量技術(shù)的出現(xiàn)，使得影像數(shù)據(jù)獲取在周期、覆蓋面、應(yīng)用范圍等方面大幅度提高。 1.1.2 數(shù)字地形的表達(dá)數(shù)字地形的表達(dá) 二十世紀(jì)六十年代以后，空間技術(shù)、通訊技術(shù)等的迅速發(fā)展，在航空攝影測量、航空地質(zhì)探礦、航空像片判讀應(yīng)用發(fā)展的基礎(chǔ)上誕生

3、了遙感科學(xué)技術(shù)。伴隨著70年代美國地球資源衛(wèi)星（LandSat）的升空，攝影測量從航空發(fā)展到航天，遙感技術(shù)獲得極為廣泛的應(yīng)用。 20世紀(jì)四十年代計算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)以及相關(guān)技術(shù)如計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)輔助制圖、現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論等的完善和實用，使得各種數(shù)字地形的表達(dá)方式得到迅速發(fā)展。借助于地形的數(shù)字化表達(dá)，現(xiàn)實世界的三維特征以及可量測性能夠得到充分而真實地再現(xiàn)。 1958年麻省理工學(xué)院攝影測量實驗室Miller教授對計算機(jī)和攝影測量技術(shù)的結(jié)合在計算機(jī)輔助道路設(shè)計方面進(jìn)行了試驗，量取了設(shè)計道路兩側(cè)大量的地形點(diǎn)三位空間坐標(biāo)，由計算機(jī)取代人進(jìn)行土方計算、方案比選等，成功地解決了道路工程計算機(jī)輔助設(shè)計問題。證明了

4、用計算機(jī)進(jìn)行地形表達(dá)的可行性、巨大應(yīng)用潛力和經(jīng)濟(jì)效益。提出了Digital terrain modelDTM，數(shù)字地面模型，隨后在測繪、遙感、農(nóng)林、土木工程、軍事、地學(xué)分析等領(lǐng)域得到廣泛深入地研究。 地形表達(dá)從模擬時代走向數(shù)字時代！地形表達(dá)從模擬時代走向數(shù)字時代！ 數(shù)字地形表達(dá)的方式可以分為兩大類：數(shù)學(xué)描述和地形描述。數(shù)字地形表達(dá)地形描述數(shù)學(xué)描述點(diǎn)線面局部全局多項式函數(shù)傅里葉級數(shù)規(guī)則的分塊函數(shù)不規(guī)則的分塊函數(shù)不規(guī)則分布影像透視圖其他等高線特征線剖面線規(guī)則分布特征點(diǎn)1.2、數(shù)字地面模型、數(shù)字地面模型 1.2.1 模型的概念p 模型u概念模型u物質(zhì)模型u數(shù)學(xué)模型 （優(yōu)點(diǎn)）p 模型的評價 1.2.2

5、 地形模型與數(shù)字地面模型 Miller教授在成功地解決了道路工程計算機(jī)輔助設(shè)計問題的同時也證明了用計算機(jī)進(jìn)行地形表達(dá)的可行性，巨大的應(yīng)用潛力與經(jīng)濟(jì)效果。 DTM 1.2.3 數(shù)字地面模型的擴(kuò)展 包括地理信息系統(tǒng)在內(nèi)的不同領(lǐng)域按自身需要建立的數(shù)字地面模型都遵從一條基本原則，那就是這些數(shù)字地面模型所包含的任何一個可轉(zhuǎn)換為數(shù)字的地面特性數(shù)據(jù)都與特定的二維地理坐標(biāo)數(shù)值相結(jié)合。1.3 數(shù)字高程模型的概念數(shù)字高程模型的概念 高程用來描述地形表面的起伏形態(tài)，傳統(tǒng)的高程模型是等高線，其數(shù)學(xué)意義是定義在二維地理空間上的連續(xù)曲面函數(shù)，當(dāng)此高程模型用計算機(jī)來表達(dá)時，稱為數(shù)字高程模型。計算機(jī)化的數(shù)字高程模型需要考慮三

6、方面的因素：計算機(jī)容量：建立完整的連續(xù)三維表面模型需要無數(shù)個點(diǎn)，需要無限的存儲容量，因此與傳統(tǒng)的地形測圖一樣連續(xù)曲面必須是離散的。只有將模擬數(shù)據(jù)（地形圖等圖形數(shù)據(jù)和文字?jǐn)?shù)據(jù)）轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，參能為計算機(jī)所接受。模型化表達(dá)：用數(shù)字表達(dá)的有限的地形高程數(shù)據(jù)在計算機(jī)中按一定的規(guī)則進(jìn)行組織，這樣才可以重建地形表面。數(shù)字高程模型的定義為：數(shù)字高程模型是對二維地理空間上具有連續(xù)變化特征地理現(xiàn)象通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實現(xiàn)對地形曲面的數(shù)字化模擬模型化表達(dá)和過程模擬，Digital Elevation Model，簡稱DEM。簡單地說，空間起伏連續(xù)變化現(xiàn)象的數(shù)字化表示和分析工具的集合。 狹義DEM：是區(qū)域地表面

7、海拔高程的數(shù)字化表達(dá)地表； 廣義DEM：是地理空間中地理對象表面海拔高度的數(shù)字化表達(dá)-對象表面，具有更大的包容性，如海底DEM，大氣等壓面DEM等。數(shù)字地面模型、數(shù)字高程模型定義數(shù)字地面模型、數(shù)字高程模型定義Miller（1958）數(shù)字地面模型是利用一個任意坐標(biāo)場中大量選擇的已知X、Y、Z的坐標(biāo)點(diǎn)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(biāo)系統(tǒng)來描述，也可通過經(jīng)度和緯度進(jìn)行描述海拔分布。，在新近文獻(xiàn)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

8、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(biāo)值為一組的散點(diǎn)結(jié)構(gòu)，也可是由多項式或富里葉級數(shù)確定的曲面方程。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(biāo)的數(shù)字形式的一種表達(dá)。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

9、 DTM is a digital representation of a portion of the eraths 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(diǎn)的平面位置，Z表示相應(yīng)點(diǎn)的高程。DEM和DTM的關(guān)系： DEM是DTM的子集，是DTM最基本的部分； 20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了地理信息系統(tǒng)的概念，其含義包括了DTM，在概念上取代了DTM。 DTM提出后，其實際發(fā)展和應(yīng)用中的內(nèi)涵還主要局限于DEM，

10、故二者的名稱混淆使用，主要表示的都是DEM的概念。 1.4 數(shù)字高程模型的研究內(nèi)容數(shù)字高程模型的研究內(nèi)容 地形數(shù)據(jù)采樣地形數(shù)據(jù)采樣。建立DEM的基礎(chǔ)是地形高程數(shù)據(jù)，因此地形數(shù)據(jù)獲取是數(shù)字高程模型的首要環(huán)節(jié)。地形數(shù)據(jù)的分布、密度和精度對數(shù)字高程模型的質(zhì)量有著非常重要的影響。數(shù)據(jù)采樣策略、高精度快速數(shù)據(jù)采樣技術(shù)等一直是DEM數(shù)據(jù)采樣的主要研究議題之一。 地形建模與內(nèi)插地形建模與內(nèi)插。DEM是對地形表面的數(shù)字化表示，其建立過程實際上是一種數(shù)學(xué)建模過程，也就是說地形表面被一組相互組織在一起的地形采樣點(diǎn)所表達(dá)，如果需要該數(shù)學(xué)表面上其它位置處的高程值，可應(yīng)用一種內(nèi)插方法來進(jìn)行處理。高度逼真、多尺度地形建模

11、技術(shù)和快速高效的內(nèi)插算法是數(shù)字高程模型永恒的主題。 數(shù)據(jù)組織與管理數(shù)據(jù)組織與管理。DEM是按一定結(jié)構(gòu)組織在一起的地形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的好壞直接涉及DEM對地形的重建精度。對于大規(guī)模的地形數(shù)據(jù)，需要通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)和空間索引技術(shù)是高效的數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)瀏覽、無縫漫游等的技術(shù)保證。地形表面具有多尺度特征，多尺度地形的表達(dá)與組織是DEM面臨的主要課題之一。 地形分析與地學(xué)應(yīng)用地形分析與地學(xué)應(yīng)用。DEM的應(yīng)用主要包括兩個部分，即基本應(yīng)用和地學(xué)分析應(yīng)用?；緫?yīng)用主要是在DEM上實現(xiàn)等高線地形圖上的地形分析功能，如高程內(nèi)插、坡度坡向計算、土方計算、地形結(jié)構(gòu)識別等；地學(xué)分析應(yīng)用與具體學(xué)科相聯(lián)系

12、，主要研究基于DEM的地學(xué)模型、地學(xué)過程模擬等內(nèi)容。 DEM可視化可視化。實現(xiàn)以多種方式如等高線、暈渲圖、線框透視、動畫等在不同層面上對地形進(jìn)行表達(dá)、觀察和瀏覽。 不確定性分析和表達(dá)不確定性分析和表達(dá)。數(shù)字高程模型的精度對DEM的生產(chǎn)者和使用者都具有十分重要的意義。DEM精度研究包括DEM數(shù)據(jù)源精度、數(shù)據(jù)內(nèi)插精度、數(shù)據(jù)模型精度、各種誤差在DEM數(shù)據(jù)操作過程中的傳播問題以及DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)中的質(zhì)量控制策略等。 1.5 數(shù)字高程模型的類型數(shù)字高程模型的類型(1)按結(jié)構(gòu)分類（按其數(shù)據(jù)組織方式）按結(jié)構(gòu)分類（按其數(shù)據(jù)組織方式）基于面單元的基于面單元的DEM：將采樣點(diǎn)按某種規(guī)則剖分成一系列的規(guī)則：將采樣點(diǎn)按

13、某種規(guī)則剖分成一系列的規(guī)則或不規(guī)則的格網(wǎng)單元，并用這些格網(wǎng)單元組成的網(wǎng)絡(luò)逼近原或不規(guī)則的格網(wǎng)單元，并用這些格網(wǎng)單元組成的網(wǎng)絡(luò)逼近原始曲面。規(guī)則剖分如正方形格網(wǎng)始曲面。規(guī)則剖分如正方形格網(wǎng)DEM、六邊形格網(wǎng)、六邊形格網(wǎng)DEM等。等。不規(guī)則單元如三角形不規(guī)則單元如三角形DEM（TIN）、四邊形）、四邊形DEM?；诰€單元的基于線單元的DEM：將采樣點(diǎn)按線串組織在意的：將采樣點(diǎn)按線串組織在意的DEM?；诰€?；诰€單元的單元的DEM與數(shù)據(jù)采樣方式聯(lián)系在一起，如沿等高線采樣的數(shù)與數(shù)據(jù)采樣方式聯(lián)系在一起，如沿等高線采樣的數(shù)據(jù)可組織成基于等高線的據(jù)可組織成基于等高線的DEM，斷面，斷面DEM等。等。 基于

14、點(diǎn)的基于點(diǎn)的DEM：基于點(diǎn)的：基于點(diǎn)的DEM實際上就是采樣點(diǎn)實際上就是采樣點(diǎn)的集合，點(diǎn)與點(diǎn)之間沒有建立任何關(guān)系，稱之為散的集合，點(diǎn)與點(diǎn)之間沒有建立任何關(guān)系，稱之為散點(diǎn)點(diǎn)DEM。該種結(jié)構(gòu)由于點(diǎn)之間沒有任何關(guān)系而應(yīng)用。該種結(jié)構(gòu)由于點(diǎn)之間沒有任何關(guān)系而應(yīng)用不多。不多。(2)按連續(xù)性分類（從數(shù)學(xué)角度考察按連續(xù)性分類（從數(shù)學(xué)角度考察DEM模型連模型連續(xù)性、一階導(dǎo)數(shù)及高階導(dǎo)數(shù)等的連續(xù)情況）續(xù)性、一階導(dǎo)數(shù)及高階導(dǎo)數(shù)等的連續(xù)情況）不連續(xù)型不連續(xù)型DEM：用來模擬地形表面分布的不具備漸變：用來模擬地形表面分布的不具備漸變特征的地理對象如土壤、植被、土地利用等。特征的地理對象如土壤、植被、土地利用等。DEM單單元

15、內(nèi)部是同質(zhì)的，變化之發(fā)生在單元邊界。不連續(xù)元內(nèi)部是同質(zhì)的，變化之發(fā)生在單元邊界。不連續(xù)DEM的典型特征是的典型特征是DEM模型呈階梯狀分布。模型呈階梯狀分布。連續(xù)不光滑連續(xù)不光滑DEM：該種：該種DEM認(rèn)為認(rèn)為DEM中的數(shù)據(jù)點(diǎn)僅中的數(shù)據(jù)點(diǎn)僅僅袋便連續(xù)表面上的一個采樣值，整個曲面通過相互僅袋便連續(xù)表面上的一個采樣值，整個曲面通過相互連接在一起的曲面片（格網(wǎng)單元）來逼近，格網(wǎng)單元連接在一起的曲面片（格網(wǎng)單元）來逼近，格網(wǎng)單元在北部市連續(xù)光滑的，整體上呈連續(xù)分布但導(dǎo)數(shù)不連在北部市連續(xù)光滑的，整體上呈連續(xù)分布但導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，如基于點(diǎn)山歌的續(xù)，如基于點(diǎn)山歌的DEM和和TIN模型。模型。光滑光滑DEM：光滑

16、：光滑DEM是指一階導(dǎo)數(shù)或高階單數(shù)連是指一階導(dǎo)數(shù)或高階單數(shù)連續(xù)的表面，一般在區(qū)域或全局尺度上實現(xiàn)。光滑續(xù)的表面，一般在區(qū)域或全局尺度上實現(xiàn)。光滑DEM可以使用數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)的地形曲面，或是在可以使用數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)的地形曲面，或是在整個區(qū)域上通過全局內(nèi)插函數(shù)所形成的整個區(qū)域上通過全局內(nèi)插函數(shù)所形成的DEM，例，例如通過趨勢面擬合內(nèi)插所建立的如通過趨勢面擬合內(nèi)插所建立的DEM，也可以通，也可以通過分塊內(nèi)插并建立各個塊之間的光滑條件形成的過分塊內(nèi)插并建立各個塊之間的光滑條件形成的DEM。(2)按范圍分類按范圍分類局部局部DEM：對某一工程所建立的小范圍的：對某一工程所建立的小范圍的DEM，或因為研究區(qū)域

17、曲面變化比較復(fù)雜而將曲面劃分成或因為研究區(qū)域曲面變化比較復(fù)雜而將曲面劃分成具有單一結(jié)構(gòu)的一個個曲面塊，并在該曲面塊上所具有單一結(jié)構(gòu)的一個個曲面塊，并在該曲面塊上所建立的數(shù)字高程模型。建立的數(shù)字高程模型。地區(qū)地區(qū)DEM：介于局部和全局模型之間的：介于局部和全局模型之間的DEM。全局全局DEM：全局性：全局性DEM一般包含大量的數(shù)據(jù)并覆一般包含大量的數(shù)據(jù)并覆蓋一個很大的區(qū)域。蓋一個很大的區(qū)域。1.6 數(shù)字高程模型的特點(diǎn)數(shù)字高程模型的特點(diǎn)與傳統(tǒng)的模擬數(shù)據(jù)如等高線地形圖相比，有如下特點(diǎn)：與傳統(tǒng)的模擬數(shù)據(jù)如等高線地形圖相比，有如下特點(diǎn)：（1）精度的恒定性）精度的恒定性（2）表達(dá)的多樣性）表達(dá)的多樣性（3

18、）更新的是實時性）更新的是實時性（4）尺度的綜合性）尺度的綜合性1.7 數(shù)字高程模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)字高程模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)字高程模型的理論和技術(shù)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處數(shù)字高程模型的理論和技術(shù)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用三部分組成。這三部分根據(jù)功能又可理和應(yīng)用三部分組成。這三部分根據(jù)功能又可劃分為五個功能模塊：劃分為五個功能模塊：（1）DEM的建立的建立（2）DEM模型操作模型操作（3）DEM分析分析（4）DEM可視化可視化（5）DEM應(yīng)用應(yīng)用各個功能模塊之間的數(shù)據(jù)流不是單向的，是相互各個功能模塊之間的數(shù)據(jù)流不是單向的，是相互流動的。流動的。1.8數(shù)字高程模型的應(yīng)用數(shù)字高程模型的應(yīng)用科學(xué)研究應(yīng)用科學(xué)研究應(yīng)用區(qū)域、全球氣候變化研究區(qū)域、全球氣候變化研究 水資源、野生動植物分布水資源、野生動植物分布地質(zhì)、水文模型地質(zhì)、水文模型地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)地形地貌分析地形地貌分析土地分類、土地利用、土地覆蓋變化、監(jiān)測土地分類、土地利用、土地覆蓋變化、監(jiān)測等等2. 商業(yè)應(yīng)用商業(yè)應(yīng)用 數(shù)字高程模型的應(yīng)用是面向用戶的，因此數(shù)字高程模型的應(yīng)用是面向用戶的，因此DEM的商業(yè)價值在于的商業(yè)價值在于DEM產(chǎn)品與產(chǎn)品與DEM派生產(chǎn)品的生產(chǎn)派生產(chǎn)品的生產(chǎn)和分發(fā)。和分發(fā)。DEM的商業(yè)市場可分為兩類：直接提供的商業(yè)市場可分為兩類：直接提供DEM數(shù)據(jù)而不進(jìn)行增值服務(wù)和用戶需要增值服務(wù)。數(shù)據(jù)而不進(jìn)