數(shù)字高程模型第二章DEM數(shù)據(jù)組織和管理

1、數(shù)字高程模型第二章DEM數(shù)據(jù)組織和管理2.1概述 數(shù)字高程模型是地形曲面的數(shù)字化表達(dá)，也就是說(shuō)，DEM是在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)上科學(xué)、真實(shí)地描述、表達(dá)和模擬地形曲面實(shí)體，因此它的建立實(shí)際上是一種地形數(shù)據(jù)的建模過(guò)程。 DEM的建立首先要對(duì)地形曲面進(jìn)行抽象、總結(jié)和提煉，形成高度概括的地形曲面數(shù)據(jù)模型，然后在此數(shù)據(jù)模型根底上，將觀測(cè)數(shù)據(jù)按照一定的結(jié)構(gòu)組織在一起，形成對(duì)數(shù)據(jù)模型的表述，最后借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和地形重建。 按一定結(jié)構(gòu)組織在一起的地形數(shù)據(jù)，一般通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理和調(diào)度當(dāng)然小范圍的數(shù)據(jù)也可采用文件形式進(jìn)行管理。 DEM數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)一般遵循以下的根本原那么：適用性，滿足主要用戶的需求，并充分兼顧潛在

2、用戶的需求；運(yùn)行性，快速顯示和查詢，保持正常運(yùn)行，可以及時(shí)提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品；更新性，能對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行增加、修改和刪除，方便地?cái)U(kuò)充和進(jìn)行數(shù)據(jù)更新；相關(guān)性，保證與其他根底地理信息產(chǎn)品的相關(guān)性，使數(shù)據(jù)庫(kù)在數(shù)學(xué)根底、坐標(biāo)系統(tǒng)以及產(chǎn)品一致性方面相關(guān)； 相容性，與其他類型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)兼容，可以共享或相互交換數(shù)據(jù)；先進(jìn)性，采用科學(xué)的技術(shù)手段，使系統(tǒng)保持一定的先進(jìn)性；高質(zhì)量，與原始資料一致，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)；完備性，除了根本的數(shù)據(jù)體外，有完備的元數(shù)據(jù)內(nèi)容；平安性，有嚴(yán)密的權(quán)限控制機(jī)制。 2.2 DEM數(shù)據(jù)模型GIS的空間數(shù)據(jù)模型從認(rèn)知角度講有三類：基于對(duì)象的模型、基于網(wǎng)絡(luò)的模型和基于場(chǎng)的模型；從表

3、達(dá)上講有矢量數(shù)據(jù)模型、鑲嵌數(shù)據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)模型和組合數(shù)據(jù)模型。數(shù)字高程模型主要刻畫具有連續(xù)變化的空間對(duì)象，因此屬于基于場(chǎng)的鑲嵌數(shù)據(jù)模型。2.2.1鑲嵌數(shù)據(jù)模型 鑲嵌數(shù)據(jù)模型Tessellation model源于這樣的思想：空間對(duì)象可用相互連接在一起的網(wǎng)絡(luò)來(lái)覆蓋和逼近，或者說(shuō)用在二維區(qū)域上的網(wǎng)絡(luò)劃分來(lái)覆蓋整個(gè)研究區(qū)域。 鑲嵌數(shù)據(jù)模型特別適合于對(duì)三維離散空間數(shù)據(jù)的表達(dá)，以及對(duì)具有連續(xù)變化的空間對(duì)象的模擬。網(wǎng)絡(luò)的特征參數(shù)包括網(wǎng)格尺寸、形狀、方位等，對(duì)同一地理現(xiàn)象可以由假設(shè)干不同的尺度、不同的聚分性網(wǎng)絡(luò)來(lái)覆蓋。 鑲嵌數(shù)據(jù)模型按照網(wǎng)格形狀可分為規(guī)那么鑲嵌數(shù)據(jù)模型和不規(guī)那么鑲嵌數(shù)據(jù)模型，鑲嵌模型的典型應(yīng)

4、用是地形曲面模擬，即數(shù)字高程模型，其中基于正方形網(wǎng)絡(luò)的鑲嵌數(shù)據(jù)模型為柵格DEM，而基于不規(guī)那么鑲嵌數(shù)據(jù)模型為不規(guī)那么三角網(wǎng)DEM。 2.2.2規(guī)那么鑲嵌數(shù)據(jù)模型 所謂規(guī)那么鑲嵌數(shù)據(jù)模型，就是用規(guī)那么的小面塊集合來(lái)逼近不規(guī)那么分布的地形曲面。在二維空間中可以有多種可能的規(guī)那么格網(wǎng)劃分方法，如圖1。 構(gòu)造規(guī)那么鑲嵌模型的方法是：用數(shù)學(xué)手段將研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，把連續(xù)的地理空間離散為互不覆蓋的網(wǎng)格，然后對(duì)網(wǎng)格單元附加相應(yīng)的屬性信息，例如對(duì)規(guī)那么格網(wǎng)的DEM而言，一般通過(guò)曲面擬合方法求得柵格單元的高程值。 從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上看，規(guī)那么格網(wǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)是其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為通常的二維矩陣結(jié)構(gòu)，每個(gè)網(wǎng)格單元表示二維空間

5、的一個(gè)位置，不管是沿水平方向還是垂直方向，均能方便地利用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式訪問(wèn)任何位置的格網(wǎng)單元；同時(shí)，處理這種結(jié)構(gòu)的算法比較多而且成熟，大多數(shù)計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言都有矩陣處理功能。此外，以矩陣形式存儲(chǔ)和組織數(shù)據(jù)還具有隱式坐標(biāo)，即格網(wǎng)單元的平面坐標(biāo)隱含在矩陣的行列號(hào)之中，從而不需要進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)字化。 基于規(guī)那么鑲嵌數(shù)據(jù)模型DEM的缺點(diǎn)是不管地形變化復(fù)雜還是簡(jiǎn)單，均采用相同的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余而給數(shù)據(jù)管理帶來(lái)不便。 2.2.3不規(guī)那么鑲嵌數(shù)據(jù)模型 不規(guī)那么鑲嵌數(shù)據(jù)模型是指用來(lái)進(jìn)行鑲嵌的小面塊具有不規(guī)那么的形狀和邊界。按照小面塊的幾何形狀，不規(guī)那么鑲嵌模型有基于三角形、四邊形、六邊形、多邊形等如圖2。 在DE

6、M中，基于三角形的不規(guī)那么鑲嵌模型又稱為不規(guī)那么三角網(wǎng)Triangulated Irregular Network，簡(jiǎn)稱TIN，是DEM的又一主要表達(dá)形式。TIN模型是三維空間上的分段線性模型，整個(gè)區(qū)域內(nèi)連續(xù)但不可微。 不規(guī)那么三角網(wǎng)數(shù)字高程模型由連續(xù)的三角面組成，三角形的形狀、大小取決于不規(guī)那么分布的點(diǎn)的位置和密度。地形變化越簡(jiǎn)單，采樣點(diǎn)就越少，那么單元格就越大；反之地形變化比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布比較密集，格網(wǎng)單元就越小。 TIN與規(guī)那么格網(wǎng)DEM顯著不同之處在于TIN模型不需要維護(hù)模型的結(jié)構(gòu)規(guī)那么性，不但能靈活地隨地形的復(fù)雜程度而改變格網(wǎng)單元大小，防止平坦地形的數(shù)據(jù)冗余，而且又能按地形特征點(diǎn)

7、線如山脊點(diǎn)、山谷線、地形變化線等表示地形特征。 2.3 DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 2.3.1規(guī)那么格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1簡(jiǎn)單矩陣結(jié)構(gòu) 規(guī)那么格網(wǎng)DEM的數(shù)據(jù)在水平方向和垂直方向的間隔相等，格網(wǎng)點(diǎn)的平面坐標(biāo)隱含在行列號(hào)中，故適宜用矩陣形式進(jìn)行存儲(chǔ)，即按行或列逐一紀(jì)錄每一個(gè)格網(wǎng)單元的高程值。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)行列號(hào)和平面位置坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，還需要記錄格網(wǎng)西南角的坐標(biāo)值、格網(wǎng)間距等。規(guī)那么格網(wǎng)DEM的數(shù)據(jù)文件一般包含用來(lái)進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)說(shuō)明的數(shù)據(jù)頭和DEM數(shù)據(jù)體兩局部。數(shù)據(jù)頭：定義DEM西南角起點(diǎn)坐標(biāo)、坐標(biāo)類型、格網(wǎng)間距、行列數(shù)、最低高程以及高程放大系數(shù)等內(nèi)容；數(shù)據(jù)體：按行或列分布記錄的高程數(shù)字陣列； ArcView

8、DEM 文本文件格式 2行程編碼結(jié)構(gòu) 對(duì)于一幅DEM，常常在行或列方向上相鄰的假設(shè)干點(diǎn)具有相同的高程值，因而從第一列開(kāi)始，在格網(wǎng)單元數(shù)值發(fā)生變化時(shí)一次紀(jì)錄該值以及重復(fù)的個(gè)數(shù)，應(yīng)用時(shí)利用重復(fù)個(gè)數(shù)恢復(fù)DEM矩陣。對(duì)DEM每一行均按上述結(jié)構(gòu)組織，那么實(shí)現(xiàn)DEM行程編碼方案。 行程編碼實(shí)際上是一種柵格數(shù)據(jù)的壓縮方案，能有效地減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，特別在平坦地區(qū)。3塊狀編碼結(jié)構(gòu) 塊狀編碼方案是將行程編碼方案從一維擴(kuò)展到二維的情況，它采用方形區(qū)域作為紀(jì)錄單元，每個(gè)紀(jì)錄單元包括相鄰的假設(shè)干柵格。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是由紀(jì)錄單元的初始位置行列號(hào)、格網(wǎng)單元高程值和方形區(qū)域半徑正方形區(qū)域的邊長(zhǎng)，采用格網(wǎng)間距倍數(shù)表示所組成的單元組。

9、整個(gè)DEM數(shù)據(jù)文件由該單元組組成，根據(jù)初始位置和區(qū)域半徑可恢復(fù)高程矩陣。4四叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)四叉樹(shù)編碼又稱為四分樹(shù)、四元樹(shù)編碼。它是一種更有效地壓編數(shù)據(jù)的方法。它將2n2n像元陣列連續(xù)進(jìn)行4等分，一直分到正方形的大小正好與象元的大小相等為止如以下圖，而塊狀結(jié)構(gòu)那么用四叉樹(shù)描述，習(xí)慣上稱為四叉樹(shù)編碼。2.3.2不規(guī)那么三角網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 由于三角形的不規(guī)那么型，三角形定義及其與相鄰三角形的關(guān)系要顯式地表達(dá)出來(lái)，即TIN模型不但要存儲(chǔ)每個(gè)頂點(diǎn)的高程，還要存儲(chǔ)三角形頂點(diǎn)的平面坐標(biāo)、頂點(diǎn)之間的連接關(guān)系和鄰接三角形等拓?fù)潢P(guān)系。 在TIN模型中，根本的結(jié)構(gòu)元素有三角形頂點(diǎn)、邊、面。它們之間存在著點(diǎn)與線、點(diǎn)與

10、面、線與面、面與面等拓?fù)潢P(guān)系。 通過(guò)組成三角形的三頂點(diǎn)可完整地表達(dá)三角形的構(gòu)成以及三角形頂點(diǎn)、三角形邊、三角形之間的拓?fù)潢P(guān)系。這種結(jié)構(gòu)只需要兩個(gè)文件：三角形頂點(diǎn)坐標(biāo)文件和組成三角形三頂點(diǎn)用點(diǎn)在坐標(biāo)文件中的序號(hào)表示文件。模型根本鏈表結(jié)構(gòu)坐標(biāo)表三角形表這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但拓?fù)潢P(guān)系是隱含的，不利于TIN模型的檢索與應(yīng)用。因此圍繞著拓?fù)潢P(guān)系的描述產(chǎn)生了多種TIN的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。1.TIN的面結(jié)構(gòu)：面結(jié)構(gòu)在根本鏈表結(jié)構(gòu)根底上增加了用來(lái)描述三角形之間拓?fù)潢P(guān)系的數(shù)據(jù)，即使用坐標(biāo)表、三角形頂點(diǎn)表以及鄰接三角形表構(gòu)成。TIN模型面結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：檢索網(wǎng)點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系效率高由于存儲(chǔ)了三角形之間的鄰接關(guān)系，TIN內(nèi)插、檢索、等高線

11、提取、顯示以及局局部析都比較方便；存儲(chǔ)量大，不便于編輯在TIN的編輯中要隨時(shí)維護(hù)這種關(guān)系。2.TIN的點(diǎn)結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)由坐標(biāo)文件和三角形頂點(diǎn)的鄰接指針鏈組成。三角形頂點(diǎn)的鄰接點(diǎn)是指共用該頂點(diǎn)的所有三角形其余兩頂點(diǎn)的不重復(fù)頂點(diǎn)的集合，可按順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蝽樞蚪M成。點(diǎn)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是存儲(chǔ)量小，編輯方便，但三角形及其鄰接關(guān)系需實(shí)時(shí)再生成，計(jì)算量較大，不利于快速檢索和顯示。3.TIN的點(diǎn)面結(jié)構(gòu)：在點(diǎn)結(jié)構(gòu)根底上，增加組成該三角形三頂點(diǎn)的數(shù)表。這種結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)量與面結(jié)構(gòu)大致相當(dāng)，編輯、顯示比較方便，由于三角形之間的關(guān)系是隱式的，檢索與內(nèi)插的效率低。4.TIN的邊結(jié)構(gòu)：從組成整個(gè)TIN模型的所有三角形中，抽取其不重

12、復(fù)邊集組成，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由邊的兩個(gè)頂點(diǎn)以及與之關(guān)聯(lián)的兩條邊表達(dá)。關(guān)聯(lián)邊要滿足如下條件：分布在當(dāng)前邊的兩側(cè)；關(guān)聯(lián)邊與當(dāng)前邊的夾角最?。魂P(guān)聯(lián)邊頂點(diǎn)不重復(fù)。這種結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)量比較小，適合等高線的提取，但編輯、內(nèi)插、檢索不方便。e1的關(guān)聯(lián)邊不是e3和e9，e9的關(guān)聯(lián)邊是e1.TIN的邊面結(jié)構(gòu)：邊面結(jié)構(gòu)主要刻畫三角形邊和三角形面之間的拓?fù)潢P(guān)系，一般由邊表和鄰接三角形表組成。在邊表中定義該邊的起點(diǎn)、終點(diǎn)和左右相鄰三角形，鄰接三角形表中那么記錄三角形之間的拓?fù)潢P(guān)系。邊面結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)量是最大的，在檢索、等高線提取等方面比較方便，但不利于動(dòng)態(tài)更新和維護(hù)。2.3.3TIN與格網(wǎng)DEM的比照選擇格網(wǎng)DEM和TIN數(shù)據(jù)模型

13、考慮的因素：數(shù)據(jù)的可獲取性；地形曲面特定以及是否考慮特征點(diǎn)；目的和應(yīng)用；原始數(shù)據(jù)的比例尺和分辨率。優(yōu)缺點(diǎn)規(guī)則格網(wǎng)DEMTIN 簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 較少點(diǎn)可獲得較高的精度優(yōu)點(diǎn) 與遙感影像數(shù)據(jù)的復(fù)合性 可辨分辨率 良好的表面分析功能 良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 計(jì)算效率較低 表面分能力較差缺點(diǎn) 數(shù)據(jù)冗余 構(gòu)建比較費(fèi)時(shí) 格網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)則 算法設(shè)計(jì)比較復(fù)雜 規(guī)那么格網(wǎng)DEM和不規(guī)那么三角網(wǎng)TIN的比照2.4 DEM數(shù)據(jù)庫(kù)管理小范圍低分辨率的DEM數(shù)據(jù)量小可以通過(guò)數(shù)據(jù)文件對(duì)其進(jìn)行管理；覆蓋范圍大時(shí)，數(shù)據(jù)量巨大存儲(chǔ)、檢索、操作、與處理非常低效，普通微機(jī)也無(wú)法運(yùn)行。開(kāi)展趨勢(shì)：DEM已成為GIS的核心數(shù)據(jù)庫(kù)和地學(xué)分析的根底數(shù)

14、據(jù)，與影像、矢量數(shù)據(jù)及多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行廣泛的融合。因此，DEM從單一的文件結(jié)構(gòu)向復(fù)雜的信息系統(tǒng)開(kāi)展已成為一種必然的趨勢(shì)。信息水平系統(tǒng)地形表面特征的幾何描述信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的本地和遠(yuǎn)程存取與其他信息系統(tǒng)的連接CAD模型、DTM二維、三維GIS地學(xué)服務(wù)器數(shù)字地球DEM數(shù)據(jù)庫(kù)不同開(kāi)展層次DEM數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)組織方法、元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫(kù)功能等。1. DEM數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)方式：一是基于文件系統(tǒng)和空間索引的方式；二是基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的方式。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)大數(shù)據(jù)量DEM的訪問(wèn)比文件系統(tǒng)經(jīng)過(guò)更多的步驟，在同樣條件下，基于文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)效率要高，但在多事務(wù)處理、多用戶訪問(wèn)、網(wǎng)絡(luò)

15、平安等方面的能力有限。由于DEM數(shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)那么性較強(qiáng)，一般采用文件系統(tǒng)和空間索引的方式進(jìn)行管理。DEM 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)DEM 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上就是DEM 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對(duì)于TIN 而言，一般是把三角形的頂點(diǎn)看作數(shù)據(jù)庫(kù)中的根本實(shí)體，并在此根底上定義是三角形頂點(diǎn)、三角形邊、三角形面之間的拓?fù)潢P(guān)系。在DEM 構(gòu)建過(guò)程中，還有一類比較重要的數(shù)據(jù)，即地形特征數(shù)據(jù)，如地形斷裂線、特殊邊界線、山脊線、山谷線等，它們是高精度逼真再現(xiàn)地形的保證，同時(shí)也是的信息復(fù)合的需要，一般在DEM 數(shù)據(jù)庫(kù)中也予以保存。它們的結(jié)構(gòu)如以下圖所示：2. DEM數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)組織DEM數(shù)據(jù)庫(kù)組織指DEM數(shù)據(jù)的管理和調(diào)度方式：一般在水平方向上

16、將同一尺度的DEM數(shù)據(jù)劃分為一系列的塊，在垂直方向上將不同尺度DEM分層組織不同分辨率。“工程工作區(qū)圖幅的層次結(jié)構(gòu)索引模式是當(dāng)前GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)組織的一種常用方法。工程指一個(gè)區(qū)域內(nèi)的全部DEM數(shù)據(jù)；圖幅是按照一定規(guī)那么對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行的二維劃分，是DEM數(shù)據(jù)采集、建立、操作和調(diào)度的根本單位，每個(gè)圖幅由假設(shè)干行、列格網(wǎng)單元組成；工作區(qū)是當(dāng)前感興趣的研究區(qū)，一般工作區(qū)就是圖幅，多個(gè)圖幅也可合并為一個(gè)工作區(qū)。圖幅由坐標(biāo)范圍定義，例如，圖幅H 的范圍是270，120，280，130。通過(guò)紀(jì)錄每一個(gè)圖幅范圍的空間索引文件工作區(qū)范圍通過(guò)圖幅范圍確定，即可建立工程與工作區(qū)、圖幅之間的聯(lián)系，用戶可以在工程界面下，確定整個(gè)工程內(nèi)任意一點(diǎn)的DEM 值，也可在工程內(nèi)開(kāi)窗、放大、漫游、查詢、分析和制圖。在工程-工作區(qū)-圖幅層次結(jié)構(gòu)空間索引下，可保證DEM 數(shù)據(jù)的快速查詢和無(wú)縫瀏覽。上述空間索引模式對(duì)格網(wǎng)DEM 是非常適合的，但對(duì)TIN 而言，要注意兩點(diǎn)： 一是由于TIN 的每個(gè)圖幅區(qū)域的邊界不規(guī)那么，為防止相鄰圖幅之間的接邊問(wèn)題，一般在進(jìn)行數(shù)據(jù)分幅時(shí)，各個(gè)圖幅之間要有一定的重疊度； 二是TIN 的不規(guī)那么性，為快速對(duì)