第十章數(shù)字工程模型分析

1、第十章 數(shù)字高程模型分析本章的主要內(nèi)容：理解DTM和DEM概念了解數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)采集方法掌握在MapGIS系統(tǒng)中如何建立數(shù)字高程模型掌握MapGIS系統(tǒng)中數(shù)字高程模型的應(yīng)用重點: 如何建立DEM難點：DEM的應(yīng)用模型：是對現(xiàn)實世界的模擬。一、DTM和DEM的概念 DTM是描述地形表面形態(tài)空間位置和地形屬性分布的有序數(shù)值陣列。DTM以離散分布的平面點來模擬連續(xù)分布的地形。數(shù)字地形模型中地形屬性為高程時稱為數(shù)字高程模型（DEM）。 DEM是DTM中最基本的部分，它是對地球表面地貌的一種離散的數(shù)字表達。DEM是表示區(qū)域上的三維向量有限序列，用函數(shù)的形式描述為：Vi=(xi,yi,zi) (i=1

2、,2,3, ,n) 式中，xi,yi為平面坐標(biāo)，zi是（xi,yi）對應(yīng)的高程。當(dāng)該序列中各平面向量的平面位置呈規(guī)則格網(wǎng)排列時，其平面坐標(biāo)可省略，此時Vi就簡化為一維向量序列zi，i=1,2,3, ,n。 二、DEM的表示形式1、規(guī)則格網(wǎng) 規(guī)則網(wǎng)格通常是正方形、矩形、三角形等規(guī)則網(wǎng)格。規(guī)則網(wǎng)格將區(qū)域空間切分為規(guī)則的格網(wǎng)單元，每一個格網(wǎng)單元對應(yīng)一個數(shù)值。數(shù)學(xué)上可以表示為一個矩陣，在計算機實現(xiàn)中則是一個二維數(shù)組。每個格網(wǎng)單元或數(shù)組的一個元素對應(yīng)一個高程值，如圖所示。 455356575649484473818277726557508899938684756562838670626058545066

3、75758077716662626874797972645774726966635655516973686666666665 規(guī)則格網(wǎng)的高程矩陣，用計算機處理很容易，并且可以計算等高線、坡度、坡向和自動提取流域地形等，使得它成為DEM最廣泛使用的格式，目前許多國家提供的DEM數(shù)據(jù)都是以規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)據(jù)矩陣形式提供的。格網(wǎng)格網(wǎng)DEM的缺點是：一是的缺點是：一是在地形簡單區(qū)存在大量冗余數(shù)據(jù)；二是二是如不改變格網(wǎng)大小，無法適用于起伏復(fù)雜程度不同的地區(qū)；三是三是對于某些特種計算如通視計算，過分依賴格網(wǎng)軸線；四是四是不能準(zhǔn)確表示地形的結(jié)構(gòu)和細部。為避免這些問題，可采用附加地形特征數(shù)據(jù)，如地形特征點、山脊線

4、、谷底線、斷裂線等，以描述地形結(jié)構(gòu)。 2、不規(guī)則三角形 不規(guī)則三角網(wǎng)是專為產(chǎn)生DEM數(shù)據(jù)而設(shè)計的一種采樣表示系統(tǒng)。TIN模型根據(jù)區(qū)域所有采樣點取得的離散數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化組合的原則，把這些離散點（各三角形的頂點）連接成相互連續(xù)的三角面，在連接時盡可能地使每個三角形為銳角三角形或為三邊的長度近似相等，如圖7-3所示。區(qū)域中任意點落在三角面的頂點、邊上或三角形內(nèi)。如果點不在頂點上，在邊上用邊的兩個頂點的高程，在三角形內(nèi)的則用三個頂點的高程，該點的高程值通常通過線性插值的方法得到。所以TIN是一個三維空間的分段線性模型。 TIN的數(shù)據(jù)存儲方式比GRID復(fù)雜，它不僅要存儲每個點的高程，還要存儲其平面坐標(biāo)、

5、節(jié)點連接的拓?fù)潢P(guān)系，三角形及鄰接三角形等關(guān)系。 不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)字高程由連續(xù)的三角面組成，三角面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的測點，或節(jié)點的位置和密度。不規(guī)則三角網(wǎng)與高程矩陣方法不同之處是隨地形起伏變化的復(fù)雜性而改變采樣點的密度和決定采樣點的位置，因而它能夠避免地形平坦時的數(shù)據(jù)冗余，又能按地形特征點如山脊、山谷線等表示數(shù)字高程特征。 三、三、DEM的數(shù)據(jù)源與采集方法的數(shù)據(jù)源與采集方法1. 攝影測量法攝影測量法2. 地形圖數(shù)字化法地形圖數(shù)字化法3. 地面測量法地面測量法 攝影測量的方法建立空間地形立體模型，量取密集數(shù)字高程數(shù)據(jù)，建立DEM。采集數(shù)據(jù)的攝影測量儀器包括附有自動記錄裝置的立體測圖儀或立

6、體坐標(biāo)儀、解析測圖儀及數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)。 這種方法以比例尺大于1:1萬的國家近期地形圖為數(shù)據(jù)源，從中量取中等密度地面點集的高程數(shù)據(jù)，建立DEM。 這種方法以地面實測記錄為數(shù)據(jù)源，利用GPS、全站儀和電子手簿或測距經(jīng)緯儀等設(shè)備，在已知點位的測站上，觀測到目標(biāo)點的方向、距離和高差3個要素。計算出目標(biāo)點的（x,y,z）三維坐標(biāo)，存儲于電子手簿或袖珍計算機中，成為建立DEM的原始數(shù)據(jù)。這種方法作業(yè)實施靈活方便，一般用于建立小范圍大比例尺區(qū)域的DEM，對高程的精度要求較高，但工作量和勞動強度大，效率低、費用高。手扶跟蹤數(shù)字化手扶跟蹤數(shù)字化按鈕電磁感應(yīng)板叉絲游標(biāo)通向計算機接口四、MapGIS系統(tǒng)中如何建立

7、數(shù)字高程模型系統(tǒng)為用戶提供了兩種原始數(shù)據(jù)建模的方法：1當(dāng)用戶的觀測數(shù)據(jù)是等值線數(shù)據(jù)的時候，用戶可選擇使用下面的流程形成高當(dāng)用戶的觀測數(shù)據(jù)是等值線數(shù)據(jù)的時候，用戶可選擇使用下面的流程形成高程數(shù)據(jù)文件：程數(shù)據(jù)文件：(1)由“等值線高程柵格化”- 直接形成規(guī)則網(wǎng)GRD高程文件；(2) 由“線數(shù)據(jù)提取高程點”- 先形成離散高程點文件 - 再由“快速生成三角剖分” - 形成三角網(wǎng)高程文件。2. 當(dāng)用戶的觀測數(shù)據(jù)是離散點數(shù)據(jù)的時候，用戶可選擇使用下面的流程形成高程當(dāng)用戶的觀測數(shù)據(jù)是離散點數(shù)據(jù)的時候，用戶可選擇使用下面的流程形成高程數(shù)據(jù)文件：數(shù)據(jù)文件：(1) 由“快速生成三角剖分” - 直接形成三角網(wǎng)高程文

8、件。(2) 由“離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化” - 直接形成規(guī)則網(wǎng)GRD高程文件；五、MapGIS數(shù)字高程模型子系統(tǒng)菜單介紹（1）文件菜單剖分文件格式：剖分文件格式：1.“*.DET”文件為ASCII碼的明碼文件,其格式又分格網(wǎng)數(shù)據(jù)和非格網(wǎng)數(shù)據(jù)兩種。2. “*.GRD”是規(guī)則格網(wǎng)文件（是SURFER系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)文件格式）；3.“*.TIN”是三角剖分文件。這是本系統(tǒng)默認(rèn)且最常用的內(nèi)部文件形式，通常操作后的結(jié)果都以此方式進行保存。 其中，GRD與TIN都是二進制格式文件，不能直接閱讀。若用戶想編輯它們，需要先用“輸出高程文件”轉(zhuǎn)為ASCII明碼DET文件，才能編輯。特征線數(shù)據(jù)處理 在通過“原始等高線數(shù)據(jù)”或“

9、離散點數(shù)據(jù)”建立Delaunay三角網(wǎng)時，應(yīng)考慮到一些地形特征數(shù)據(jù)（如山脊、山谷、水域邊界等），否則建立的三角網(wǎng)可能與實際情況不符。為此，系統(tǒng)提供了特征線數(shù)據(jù)的相關(guān)操作，方便用戶在建立三角網(wǎng)時，可選擇性地加入地形特征數(shù)據(jù)參加建網(wǎng)過程。（1）文件菜單輸出高程交換文件輸出高程交換文件: 可以將經(jīng)過本系統(tǒng)處理過的網(wǎng)格點數(shù)據(jù)以其它系統(tǒng)接受的格式輸出。1. 對非規(guī)則網(wǎng)格,輸出形式可為“*.DET”或“*.BDM”(底圖庫用高程文件)；2. 對規(guī)則網(wǎng)格輸出格式為“*.DET”，“*.GRD”。大家注意了，*.TIN文件是本系統(tǒng)默認(rèn)且最常用的內(nèi)部格式，操作后的結(jié)果都是以此方式保存（2）GRID模型菜單1、瀏

10、覽高程信息：、瀏覽高程信息：選擇此項后,系統(tǒng)將彈出一對話框顯示原高程的最大、最小值,X、Y的最大最小值及是否網(wǎng)格化數(shù)據(jù),總點個數(shù)及數(shù)據(jù)是否取對數(shù)等高程數(shù)據(jù)的信息。2、編輯高程點數(shù)據(jù)：、編輯高程點數(shù)據(jù)： 本菜單允許用戶交互式地編輯高程數(shù)據(jù)。具體使用方式為：選擇本菜單項后，用鼠標(biāo)左鍵定位一空間點，接下來系統(tǒng)會彈出一對話框給出所定位點的地性碼及高程值，用戶可修改有關(guān)數(shù)據(jù)，然后按“”按鈕保存有關(guān)信息。3、坡度、坡向：、坡度、坡向：本功能允許用戶用鼠標(biāo)點取格網(wǎng)范圍內(nèi)的任意位置，計算該點處的坡度值和坡向值，以對話框的形式顯示計算后的信息。注意：原始數(shù)據(jù)應(yīng)在X、Y、Z三個方向上單位一致。e e1 e5 e8

11、 e4 e2 e6 e3 e7 A = arctan(Gy/Gx) 設(shè)柵格的邊長為S,點e的x、y方向的坡度分別為： Gx=(e1-e3)/(2S) Gy=(e4-e2)/(2S) 則點e的坡度為 G=arctan(Gx2+Gy2)0.5（2）GRID模型菜單4、離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化、離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化 ：本菜單允許用戶對未網(wǎng)格化數(shù)據(jù)網(wǎng)格化。本菜單允許用戶對未網(wǎng)格化數(shù)據(jù)網(wǎng)格化。選擇本菜單項后系統(tǒng)將彈出一對話框如下圖示。選擇本菜單項后系統(tǒng)將彈出一對話框如下圖示。 5、稀疏網(wǎng)格插密：、稀疏網(wǎng)格插密：選擇本菜單項后選擇本菜單項后,系統(tǒng)將彈出設(shè)置網(wǎng)格插密參數(shù)系統(tǒng)將彈出設(shè)置網(wǎng)格插密參數(shù)對話框如下。對話框如下。（2

12、）GRID模型菜單6、規(guī)則網(wǎng)裁剪、無效化、規(guī)則網(wǎng)裁剪、無效化：該功能允許用戶從原始數(shù)據(jù)中提取指定區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進行保存，或者對指定區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)進行無效化處理。選擇本菜單項后,系統(tǒng)將彈出設(shè)置參數(shù)對話框如下。 用戶可以通過鼠標(biāo)在原數(shù)據(jù)范圍上輸入提取區(qū)域多邊形，按鼠標(biāo)右鍵結(jié)束輸入；用戶也可以從MAPGIS區(qū)文件中選區(qū)一個區(qū)實體（可參考略圖）作為指定區(qū)域?！安眉舴绞健碧峁﹥?nèi)裁和外裁兩種方式，使用戶可以選擇提取區(qū)域內(nèi)或區(qū)域外的數(shù)據(jù)。 （2）GRID模型菜單7、規(guī)則網(wǎng)溝脊提取分析、規(guī)則網(wǎng)溝脊提取分析 該功能用于提取地面高程模型中的溝谷及山脊，用于地貌、匯水等分析。此功能先對原始稀疏數(shù)據(jù)加密，然后提取模型中的溝

13、谷及山脊，并將結(jié)果數(shù)據(jù)以“.BMP”或“.GRD”。8、格網(wǎng)日照暈渲圖繪制、格網(wǎng)日照暈渲圖繪制 該功能用于制作地面模型的日照暈渲圖。此功能先對原始稀疏數(shù)據(jù)加密，然后計算各單元的日照參量，并將結(jié)果數(shù)據(jù)以“.BMP”或“.GRD” 格式保存到用戶指定的文件中，供制圖或分析時使用。坡向圖是坡向的類別顯示圖，斜坡的傾斜方向可取方位角0360中的任意方向。坡向一般分為9類：東(67.5112.5)、南(157.5202.5)、西(247.5292.5) 、北(022.5, 337.5360) 、東北(22.567.5) 、西北(292.5337.5) 、東南(112.5157.5) 、西南(202.52

14、47.5)和平地(-1)。在實際應(yīng)用中，可以綜合為四種坡向，即平緩坡、陽坡、半陽坡和陰坡，分別用1、2、3和4表示。 3、格網(wǎng)坡向，坡元圖繪制、格網(wǎng)坡向，坡元圖繪制該功能用于制作地面模型的坡向圖或坡元圖。以坡向圖為例，此功能提供了兩種分類方式供用戶選擇：一種是傳統(tǒng)的9級坡向分類（請參考相關(guān)書籍）；另一種是用戶自定義的分類方式，允許用戶修改分級數(shù)目、每級的上下限值。缺省的分級方式是9級。點取菜單項目，將彈出下面的對話框：324NWNESE3NESWSW（2）GRID模型菜單9、平面等值線圖繪制、平面等值線圖繪制選中本菜單項后，系統(tǒng)彈出平面等值線圖繪制對話框如下圖所示。（2）GRID模型菜單10、

15、彩色等值立體圖繪制、彩色等值立體圖繪制 選中本菜單項后，系統(tǒng)彈出規(guī)則網(wǎng)等值立體圖繪制對話框，選好相關(guān)設(shè)置項后即可繪制出相應(yīng)的立體圖和等值線圖。本功能將等值線圖與立體圖結(jié)合在一起，效果較好。選擇等值圖設(shè)置即得到與等值圖一致的上頂層平面等值圖。DEM輔助模型分析輔助模型分析DEM輔助模型分析是指輔助模型分析是指DEM作為數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)參量以及分析手段作為數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)參量以及分析手段等方式參與模型的建立和實現(xiàn)。根據(jù)等方式參與模型的建立和實現(xiàn)。根據(jù)DEM參與應(yīng)用模型方式的不參與應(yīng)用模型方式的不同，可分為基于同，可分為基于DEM的直接應(yīng)用分析和擴展應(yīng)用分析。的直接應(yīng)用分析和擴展應(yīng)用分析。NO1.DEM直接

16、應(yīng)用直接應(yīng)用 DEM直接應(yīng)用于地學(xué)模型是指直接應(yīng)用于地學(xué)模型是指DEM不參與模型的構(gòu)建，只是簡單的參與模型的計算，不參與模型的構(gòu)建，只是簡單的參與模型的計算，即即DEM不需要做任何形式的變換。不需要做任何形式的變換。1、以、以DEM高程為主的計算高程為主的計算工程土方量的計算工程土方量的計算圖 水平場地高程設(shè)計和挖填方量計算 （1）在地形圖圖上繪方格網(wǎng) （2）計算設(shè)計高程 （3）計算挖、填高度（4）計算挖、填土方量端點計算公式：端點計算公式：剖面分析：剖面分析：交點計算公式：交點計算公式：一、可視性分析基本因子一、可視性分析基本因子通視性分析通視性分析可視域可視域判斷兩點之間的通視性的算法：判斷兩點之間的通視性的算法： 以格網(wǎng)以格網(wǎng)DEM為例，