第七章數(shù)字地面模型及其應(yīng)用

1、第七章第七章 數(shù)字地面模型及其應(yīng)用數(shù)字地面模型及其應(yīng)用7.1 數(shù)字地面模型的概念數(shù)字地面模型的概念 7.2 DEM常用數(shù)據(jù)模型常用數(shù)據(jù)模型7.3 DTM數(shù)據(jù)的采集數(shù)據(jù)的采集7.4 DEM模型的建立模型的建立7.5 地形三維可視化地形三維可視化7.6 DTM的應(yīng)用的應(yīng)用7.1 數(shù)字地面模型的概念數(shù)字地面模型的概念 地理空間實(shí)質(zhì)是三維的，只是人們通常在二維地理空間上描述地理空間實(shí)質(zhì)是三維的，只是人們通常在二維地理空間上描述和分析空間的分布。如專(zhuān)題圖大多數(shù)是平面圖。和分析空間的分布。如專(zhuān)題圖大多數(shù)是平面圖。DTM模型（模型（Digital Terrain Model) 于于50年代由年代由MIT攝影

2、測(cè)量實(shí)攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)室提出，是用數(shù)字形式描述地形表面的模型。實(shí)質(zhì)上這是對(duì)驗(yàn)室提出，是用數(shù)字形式描述地形表面的模型。實(shí)質(zhì)上這是對(duì)地面形態(tài)和屬性信息的數(shù)字表達(dá)。地面形態(tài)和屬性信息的數(shù)字表達(dá)。當(dāng)當(dāng)DTM模型中數(shù)字屬性為高程時(shí)稱(chēng)數(shù)字高程模型，即模型中數(shù)字屬性為高程時(shí)稱(chēng)數(shù)字高程模型，即DEM模型模型（ Digital Elevation Model)。DEM模型是模型是DTM模型的一種特模型的一種特例。從測(cè)繪的角度看，例。從測(cè)繪的角度看，DEM模型是新一代的地形圖，它通過(guò)存模型是新一代的地形圖，它通過(guò)存儲(chǔ)在介質(zhì)上的大量地面點(diǎn)空間數(shù)據(jù)和地形屬性數(shù)據(jù)，以數(shù)字形儲(chǔ)在介質(zhì)上的大量地面點(diǎn)空間數(shù)據(jù)和地形屬性數(shù)據(jù)，以數(shù)

3、字形式來(lái)描述地形地貌。式來(lái)描述地形地貌。 7.2 DEM的常用數(shù)據(jù)模型的常用數(shù)據(jù)模型一、規(guī)則格網(wǎng)（規(guī)則格網(wǎng)（grid)grid)模型模型1 1、模型的表示模型的表示 Z Z11 11 Z Z12 12 Z Z13 13 Z Z1n1nDTM = DTM = Z Z21 21 Z Z22 22 Z Z23 23 Z Z2n2n Z ZM1 M1 Z ZM2 M2 Z ZM3 M3 Z ZMnMn 平面上的任意一點(diǎn)平面上的任意一點(diǎn)Z Zijij的坐標(biāo)為的坐標(biāo)為x x i i y yi i，其中其中 x x i i=x=x0 0 +i dx +i dx y yi i = = y y0 0 +j dy

4、 +j dy dx,dy dx,dy 分別是格網(wǎng)在分別是格網(wǎng)在x x和和y y方向上的間隔；方向上的間隔； nx, nynx, ny分別為分別為x x 和和y y方向上的格網(wǎng)數(shù)；方向上的格網(wǎng)數(shù)； i=0, 1, 2. nx - 1; j= 0, 1 , 2 ny - 1 ;i=0, 1, 2. nx - 1; j= 0, 1 , 2 ny - 1 ;2、格網(wǎng)的含義、格網(wǎng)的含義用規(guī)則采樣點(diǎn)，或把不用規(guī)則采樣點(diǎn)內(nèi)插成規(guī)則點(diǎn)，以矩陣形用規(guī)則采樣點(diǎn)，或把不用規(guī)則采樣點(diǎn)內(nèi)插成規(guī)則點(diǎn)，以矩陣形式來(lái)表地面形狀。它已成為柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中式來(lái)表地面形狀。它已成為柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中DTM的通用形式。的通用形式。3、格網(wǎng)

5、的生成、格網(wǎng)的生成內(nèi)插方法：內(nèi)插方法：1）距離加權(quán)法）距離加權(quán)法2）雙線(xiàn)性插值法）雙線(xiàn)性插值法3）趨勢(shì)面插值法）趨勢(shì)面插值法4）樣條插值法）樣條插值法5）克呂格插值法）克呂格插值法4、規(guī)則格網(wǎng)模型的優(yōu)缺點(diǎn)、規(guī)則格網(wǎng)模型的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，算法實(shí)現(xiàn)容易。）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，算法實(shí)現(xiàn)容易。2）容易計(jì)算等高線(xiàn)、坡度、坡向、自動(dòng)提取地域地形等。）容易計(jì)算等高線(xiàn)、坡度、坡向、自動(dòng)提取地域地形等。缺點(diǎn)缺點(diǎn)1）數(shù)據(jù)量大；）數(shù)據(jù)量大；2）對(duì)不同地形采用一律平等的規(guī)則格網(wǎng)，不利于表示復(fù)雜地形。）對(duì)不同地形采用一律平等的規(guī)則格網(wǎng)，不利于表示復(fù)雜地形。二、不規(guī)則三角網(wǎng)二、不規(guī)則三角網(wǎng) (Triangula

6、ted Irregular Network TIN）模型）模型 1、模型的表示模型的表示 點(diǎn)文件點(diǎn)文件 三角形文件三角形文件 點(diǎn)號(hào)點(diǎn)號(hào) 坐標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn) 三角形號(hào)三角形號(hào) 頂點(diǎn)頂點(diǎn) 鄰接三角形鄰接三角形 N1 X 1 Y1 Z1 T1 N1 N5 N6 T2 T5 / N2 X 2 Y2 Z1 T2 N1 N4 N3 T1 T3 T6 N3 X 3 Y3 Z1 T3 N1 N2 N4 / T4 T2 N4 X 4 Y4 Z4 T4 N2 N3 N4 T3 / T8 N5 X 5 Y5 Z5 T5 N8 N5 N6 T1 / T6 N6 X 6 Y6 Z6 T6 N4 N5 N8 T2 T5 T7

7、N7 X 7 Y7 Z7 T7 N4 N7 N8 T6 T8 / N8 X 8 Y8 Z8 T8 N3 N4 N7 T4 T7 / T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 N1N6N2N8N7N 3N4N52、不規(guī)則三角網(wǎng)規(guī)則的生成、不規(guī)則三角網(wǎng)規(guī)則的生成3、不規(guī)則三角網(wǎng)規(guī)則格網(wǎng)模型的優(yōu)缺點(diǎn)、不規(guī)則三角網(wǎng)規(guī)則格網(wǎng)模型的優(yōu)缺點(diǎn)不規(guī)則三角網(wǎng)不規(guī)則三角網(wǎng) 模型的優(yōu)點(diǎn)：模型的優(yōu)點(diǎn)：1）克服柵格數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)允余問(wèn)題）克服柵格數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)允余問(wèn)題2）可充分表示復(fù)雜的地形特征，它能適應(yīng)起伏不同的地形，用大）可充分表示復(fù)雜的地形特征，它能適應(yīng)起伏不同的地形，用大量三角形地面形態(tài)效率高，數(shù)據(jù)精度高。量三

8、角形地面形態(tài)效率高，數(shù)據(jù)精度高。不規(guī)則三角網(wǎng)不規(guī)則三角網(wǎng) 模型的缺點(diǎn)：模型的缺點(diǎn)：1）算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，由于形成三角網(wǎng)）算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，由于形成三角網(wǎng) 方法不同有不同算法方法不同有不同算法2）對(duì)特殊的地形線(xiàn)要調(diào)整）對(duì)特殊的地形線(xiàn)要調(diào)整7.3 DTM數(shù)據(jù)的采集數(shù)據(jù)的采集1、DTM數(shù)據(jù)源的種類(lèi)數(shù)據(jù)源的種類(lèi)1）航空航天遙感影像為數(shù)據(jù)源）航空航天遙感影像為數(shù)據(jù)源2）以地形圖為數(shù)據(jù)源）以地形圖為數(shù)據(jù)源3）以地面實(shí)測(cè)記錄為數(shù)據(jù)源）以地面實(shí)測(cè)記錄為數(shù)據(jù)源4）其它數(shù)據(jù)源）其它數(shù)據(jù)源2、DTM數(shù)據(jù)源的采集數(shù)據(jù)源的采集1）數(shù)據(jù)采集的方法）數(shù)據(jù)采集的方法2）數(shù)據(jù)采集的原則）數(shù)據(jù)采集的原則 3、數(shù)據(jù)采集的后處理、數(shù)據(jù)采集的

9、后處理采集的采集的DEM數(shù)據(jù)必需進(jìn)行后處理方可應(yīng)用，后處理包括：數(shù)據(jù)必需進(jìn)行后處理方可應(yīng)用，后處理包括：1）格式轉(zhuǎn)換）格式轉(zhuǎn)換2）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換3）數(shù)據(jù)編輯處理）數(shù)據(jù)編輯處理4 ) 數(shù)據(jù)分塊數(shù)據(jù)分塊 4、數(shù)據(jù)密加的增加和插值、數(shù)據(jù)密加的增加和插值數(shù)據(jù)加密和插值的核心問(wèn)題是確定內(nèi)插方法，任何一種內(nèi)插方法都數(shù)據(jù)加密和插值的核心問(wèn)題是確定內(nèi)插方法，任何一種內(nèi)插方法都是基于原始函數(shù)光滑性，也就是說(shuō)認(rèn)為臨近數(shù)據(jù)點(diǎn)之間存在很大的是基于原始函數(shù)光滑性，也就是說(shuō)認(rèn)為臨近數(shù)據(jù)點(diǎn)之間存在很大的相關(guān)性。相關(guān)性。7.4 DTM模型的建立模型的建立 這里舉例說(shuō)明用地形圖生成格網(wǎng)這里舉例說(shuō)明用地形圖生成格網(wǎng)DEM掃描

10、儀掃入地形圖掃描儀掃入地形圖預(yù)處理獲得二值等值線(xiàn)預(yù)處理獲得二值等值線(xiàn)細(xì)化二值等高線(xiàn)圖細(xì)化二值等高線(xiàn)圖跟蹤賦值高程值跟蹤賦值高程值插值生成插值生成DTM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)顯示三維地面模型顯示三維地面模型7.5 DTM模型的可視性化模型的可視性化 在在GIS的發(fā)展歷程中，一開(kāi)始就十分重視利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)的發(fā)展歷程中，一開(kāi)始就十分重視利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的圖形顯示和分析。以充分直觀的表示空間數(shù)據(jù)處理分析空間數(shù)據(jù)的圖形顯示和分析。以充分直觀的表示空間數(shù)據(jù)處理分析的結(jié)果。因此，從某種意義上說(shuō)的結(jié)果。因此，從某種意義上說(shuō)GIS的可視化研究早于科學(xué)計(jì)算可的可視化研究早于科學(xué)計(jì)算可視化的研究。視化的研究。一

11、、地形三維顯示的步驟一、地形三維顯示的步驟1、獲取地形數(shù)據(jù)、獲取地形數(shù)據(jù)2、生成數(shù)據(jù)高程模型、生成數(shù)據(jù)高程模型3、進(jìn)行可視化處理、進(jìn)行可視化處理4、進(jìn)行三維顯示、進(jìn)行三維顯示二、 GIS可視化研究的幾個(gè)技術(shù)可視化研究的幾個(gè)技術(shù) 地形三維可視化的主要內(nèi)容：地形三維可視化的主要內(nèi)容：1）建立數(shù)字高程模型；）建立數(shù)字高程模型；2）圖形的投影變換技術(shù)；）圖形的投影變換技術(shù)；3）圖形的消隱技術(shù)和裁剪技術(shù)；）圖形的消隱技術(shù)和裁剪技術(shù)；4）光照模型和彩色合成技術(shù)。）光照模型和彩色合成技術(shù)。 三、地形三維顯示的方式三、地形三維顯示的方式1、線(xiàn)框法、線(xiàn)框法通過(guò)物體的三維邊緣框架來(lái)表示物體的幾何形狀。即將地物表面

12、通過(guò)物體的三維邊緣框架來(lái)表示物體的幾何形狀。即將地物表面按一定間隔獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)，連成折線(xiàn)或曲線(xiàn)，經(jīng)投影變換后顯示。按一定間隔獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)，連成折線(xiàn)或曲線(xiàn)，經(jīng)投影變換后顯示。 2、表面法、表面法線(xiàn)框法用地物的邊線(xiàn)來(lái)顯示表面形狀。線(xiàn)框法用地物的邊線(xiàn)來(lái)顯示表面形狀。表面法將整個(gè)數(shù)據(jù)模型看作一個(gè)大的復(fù)雜空間曲面，來(lái)顯示地物表表面法將整個(gè)數(shù)據(jù)模型看作一個(gè)大的復(fù)雜空間曲面，來(lái)顯示地物表面形狀。具體安排時(shí)將表面分成很多格網(wǎng)以此為面元，作為基本單面形狀。具體安排時(shí)將表面分成很多格網(wǎng)以此為面元，作為基本單元進(jìn)行處理。面元具有各自的屬性可獨(dú)立進(jìn)行填充消陰顯示。元進(jìn)行處理。面元具有各自的屬性可獨(dú)立進(jìn)行填充消陰顯示。3、

13、體素法、體素法體素法具有真正意義上的三維顯示，它將空間物體分成很多的體元體素法具有真正意義上的三維顯示，它將空間物體分成很多的體元素，如長(zhǎng)方體、臺(tái)面體，作為基本單元進(jìn)行處理。體元具有真三唯素，如長(zhǎng)方體、臺(tái)面體，作為基本單元進(jìn)行處理。體元具有真三唯特性。特性。四、地形的三維疊置技術(shù)地形的三維疊置技術(shù)1）點(diǎn)要素和三維地形的疊置）點(diǎn)要素和三維地形的疊置2）線(xiàn)要素和三維地形的疊置）線(xiàn)要素和三維地形的疊置3）面要素和三維地形的疊置）面要素和三維地形的疊置五、五、DTM模型的可視化分析模型的可視化分析1、通視性分析、通視性分析兩點(diǎn)之間的通視性（兩點(diǎn)之間的通視性（intervisibility)指在指在A點(diǎn)

14、是否能看到點(diǎn)是否能看到B點(diǎn)。常用的方法：點(diǎn)。常用的方法：1）剖面線(xiàn)分析法）剖面線(xiàn)分析法2）射線(xiàn)追蹤分析法）射線(xiàn)追蹤分析法ABA B B A C2、可視域分析、可視域分析7.6 DTM模型的應(yīng)用模型的應(yīng)用一、一、 DTM模型在地圖制圖中的應(yīng)用模型在地圖制圖中的應(yīng)用二、二、 DTM模型在地形分析中的應(yīng)用模型在地形分析中的應(yīng)用1、用、用DTM模型定義坡度和坡向模型定義坡度和坡向 坡度定義為地形表面和水平面之間夾角的正切值；坡度定義為地形表面和水平面之間夾角的正切值； 坡向定義為地形表面法線(xiàn)在水平面上的投影與正北方向之間夾角。坡向定義為地形表面法線(xiàn)在水平面上的投影與正北方向之間夾角。 陰陰 陰陰 半陰

15、半陰 半陰半陰 半陽(yáng)半陽(yáng) 半陽(yáng)半陽(yáng) 陽(yáng)陽(yáng) 陽(yáng)陽(yáng) 坡度的定義坡度的定義 坡向的定義坡向的定義 坡度角坡度角 法線(xiàn)法線(xiàn) 地面地面2、用、用DTM模型計(jì)算坡度和坡向模型計(jì)算坡度和坡向坡度和坡向的計(jì)算通常使用坡度和坡向的計(jì)算通常使用3*3的窗口，將其在的窗口，將其在DEM高程矩陣中連續(xù)移動(dòng)，從高程矩陣中連續(xù)移動(dòng)，從而完成整幅圖的計(jì)算而完成整幅圖的計(jì)算 Z 2 Z 2 x y Z Z i,j+1 - Z i,j-1 x = 2 x Z Z i+1,j - Z i-1,j y = 2 y x y 分別是格網(wǎng)在分別是格網(wǎng)在x方向和方向和y方向上間隔方向上間隔坡向坡向 Dir= - Z y坡度坡度=tg =i

16、-1 j-1 i-1,j i-1,j+1i+1 j-1 i+1,j i+1,j+1i j-1 i,j i,j+1 Z / x =tgA - A 0 AND ( Zi-1,j - Zi,j )* ( Zi+1,j - Zi,j) 0 AND Zi,j+1 Zi,j AND Zi+1,j Zi,j 2) 脊點(diǎn)脊點(diǎn) 滿(mǎn)足下面滿(mǎn)足下面4個(gè)條件個(gè)條件 ( Zi,j-1 - Zi,j )* ( Zi,j+1 - Zi,j) 0 AND ( Zi,j-1 - Zi,j )* ( Zi+1,j - Zi,j) 0 AND Zi,j+1 Zi,j AND Zi+1,j Zi,j 3) 溝谷密度溝谷密度 D =

17、L/ A 其中其中A是區(qū)域的面積；是區(qū)域的面積；L是區(qū)域內(nèi)溝谷總長(zhǎng)度。是區(qū)域內(nèi)溝谷總長(zhǎng)度。4) 溝谷深度溝谷深度 i,j-1 i,j i,j+1 i-1,j-1 i-1,j i-1,j+1 i+1,j-1 i+1,j i+1,j+1三、三、DTM模型的應(yīng)用例模型的應(yīng)用例1、DTM模型在土方計(jì)算中的應(yīng)用模型在土方計(jì)算中的應(yīng)用平整高度平整高度填充高度填充高度hi hiNi=1Nh1 h2 h32、 DTM模型對(duì)地表形態(tài)進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)模型對(duì)地表形態(tài)進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)首先確定用DTM模型對(duì)地表形態(tài)進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)的決策條件。模型對(duì)地表形態(tài)進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)的決策條件。如如 平地平地 丘崗丘崗 丘陵丘陵 低山低山 中山中山絕對(duì)高度（絕對(duì)高度（H/M） 800相對(duì)高度（相對(duì)高度（ H/M） 200 200坡度（度）坡度（度） 3建立DEM模型自動(dòng)獲取自動(dòng)獲取H、 H、M、坡度、坡向坡度、坡向決策條件決策條件自動(dòng)分類(lèi)自動(dòng)分類(lèi)3、 淹沒(méi)模型及淹沒(méi)邊界的計(jì)算淹沒(méi)模型及淹沒(méi)邊