第2章DEM數(shù)據(jù)組織與管理ppt課件

1、第2章 DEM數(shù)據(jù)組織與管理主要內(nèi)容概述DEM數(shù)據(jù)模型DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)DEM數(shù)據(jù)庫管理2.0 概述空間對象建立過程DEM建立的一般過程數(shù)字高程模型是地形曲面的數(shù)字化表達，也就是說，DEM是在計算機存儲介質(zhì)上科學、真實地描述、表達和模擬地形曲面實體，因此它的建立實際上是一種地形數(shù)據(jù)的建模過程。DEM的建立首先要對地形曲面進行抽象、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)模型基礎(chǔ)上，將觀測數(shù)據(jù)按照一定的結(jié)構(gòu)組織在一起，形成對數(shù)據(jù)模型的表述，最后借助計算機實現(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)，一般通過數(shù)據(jù)庫進行管理和調(diào)度（當然小范圍的數(shù)據(jù)也可采用文件形式進行管理）?？?/p>

2、間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫功能：與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有關(guān)空間索引機制遵循一般空間數(shù)據(jù)庫原則DEM 數(shù)據(jù)庫設(shè)計基本原則2.1 DEM數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)模型屬于概念層次的空間對象語義描述。三種抽象類型對象模型網(wǎng)絡(luò)模型場模型 鑲嵌數(shù)據(jù)模型基本思想在二維區(qū)域上的網(wǎng)絡(luò)劃分來覆蓋整個研究區(qū)域網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)分辨率、方位、形狀、位置類型規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型和不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型應(yīng)用范圍連續(xù)變化空間對象模擬；三維離散數(shù)據(jù)空間建模；鑲嵌數(shù)據(jù)模型（Tessellation model）源于這樣的思想：空間對象可用相互連接在一起的網(wǎng)絡(luò)來覆蓋和逼近，或者說用在二維區(qū)域上的網(wǎng)絡(luò)劃分來覆蓋整個研究區(qū)域。鑲嵌數(shù)據(jù)模型特別適合于對三維離散空間數(shù)據(jù)的表達，以及

3、對具有連續(xù)變化的空間對象的模擬。網(wǎng)絡(luò)的特征參數(shù)包括網(wǎng)格尺寸、形狀、方位等，對同一地理現(xiàn)象可以由若干不同的尺度、不同的聚分性網(wǎng)絡(luò)來覆蓋。鑲嵌數(shù)據(jù)模型按照網(wǎng)格形狀可分為規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型和不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型，鑲嵌模型的典型應(yīng)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)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型為不規(guī)則三角網(wǎng)DEM。鑲嵌數(shù)據(jù)模型鑲嵌數(shù)據(jù)模型規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型概念：就是用規(guī)則的小面塊集合來逼近不規(guī)則分布的地形曲面。在二維空間中可以有多種可能的規(guī)則格網(wǎng)劃分方法, 如圖。基于正方形的規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型是應(yīng)用最為廣泛的數(shù)據(jù)模型，同時也是目前數(shù)字高程模型的主要結(jié)構(gòu)之一。鑲嵌數(shù)據(jù)模型

4、規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型構(gòu)造規(guī)則鑲嵌模型的方法： 用數(shù)學手段將研究區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，把連續(xù)的地理空間離散為互不覆蓋的網(wǎng)格，然后對網(wǎng)格單元附加相應(yīng)的屬性信息（即高程值）。 例如對規(guī)則格網(wǎng)的DEM而言，一般通過曲面擬合方法求得柵格單元的高程值。鑲嵌數(shù)據(jù)模型規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型評價 優(yōu)點： （1）其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為通常的二維矩陣結(jié)構(gòu)，每個網(wǎng)格單元表示二維空間的一個位置，不管是沿水平方向還是垂直方向，均能方便地利用簡單的數(shù)學公式訪問任何位置的格網(wǎng)單元； （2）處理這種結(jié)構(gòu)的算法比較多而且成熟，大多數(shù)計算機程序語言都有矩陣處理功能。 （3）以矩陣形式存儲和組織數(shù)據(jù)還具有隱式坐標，即格網(wǎng)單元的平面坐標隱含在矩陣的行列號之中

5、，從而不需要進行坐標數(shù)字化。 缺點：是不管地形變化復(fù)雜還是簡單，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)管理帶來不便。鑲嵌數(shù)據(jù)模型規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)模型的兩個理解格網(wǎng)柵格的觀點：格網(wǎng)單元的數(shù)值即其中所有點的值，對應(yīng)實地單元區(qū)域內(nèi)高程為均一高程。點柵格觀點：格網(wǎng)單元的數(shù)值是格網(wǎng)中心點的數(shù)值，其它任意點高程通過內(nèi)插方式確定適用于什么地形？鑲嵌數(shù)據(jù)模型不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型概念：是指用來進行鑲嵌的小面塊具有不規(guī)則的形狀和邊界，如圖。鑲嵌數(shù)據(jù)模型不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型構(gòu)造方法：在DEM中，基于三角形的不規(guī)則鑲嵌模型又稱為不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network，簡稱TIN），是DEM

6、的又一主要表達形式。區(qū)域內(nèi)任意點的取值：三角形頂點-取頂點值三角形邊上-通過兩端點內(nèi)插三角形內(nèi)-平面內(nèi)插函數(shù)TIN模型是三維空間上的分段線性模型，整個區(qū)域內(nèi)連續(xù)但不可微。鑲嵌數(shù)據(jù)模型不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型評價 特點： 不規(guī)則三角網(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)則分布的點的位置和密度。地形變化越簡單，采樣點就越少，則單元格就越大；反之地形變化比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)點分布比較密集，格網(wǎng)單元就越小。與規(guī)則格網(wǎng)的區(qū)別： TIN模型不需要維護模型的結(jié)構(gòu)規(guī)則性，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，避免平坦地形的數(shù)據(jù)冗余，而且又能按地形特征點線如山脊點、山谷線、地形變化線等表示

7、地形特征。鑲嵌數(shù)據(jù)模型基于F-DEM數(shù)據(jù)模型構(gòu)建的梯田DEM特征嵌入式數(shù)據(jù)模型（Feature preserved-DEM，F(xiàn)-DEM）是矢量柵格混合數(shù)據(jù)模型中的一種，即將特征要素（points、lines and areas，PLA）嵌入到規(guī)則或不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型中。2.2 DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.2.1規(guī)則格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（1）簡單矩陣結(jié)構(gòu)規(guī)則格網(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)點的平面坐標隱含在行列號中，故適宜用矩陣形式進行存儲，即按行（或列）逐一記錄每一個格網(wǎng)單元的高程值。同時為了實現(xiàn)行列號和平面位置坐標之間的轉(zhuǎn)換，還需要記錄格網(wǎng)西南角的坐標值、格網(wǎng)間距等。規(guī)則格網(wǎng)DEM的

8、數(shù)據(jù)文件一般包含數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)體。數(shù)據(jù)頭：定義DEM西南角起點坐標、坐標類型、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的文本文件格式（2）行程編碼結(jié)構(gòu)DEM行程編碼的基本思路是：對于一幅DEM，常常在行(或列)方向上相鄰的若干點具有相同的高程值，因而從第一列開始，在格網(wǎng)單元數(shù)值發(fā)生變化時依次記錄該值以及重復(fù)的個數(shù)，應(yīng)用時可利用重復(fù)個數(shù)恢復(fù)DEM矩陣。 行程編碼方案實際上是一種柵格數(shù)據(jù)的壓縮方案，能夠有效的減少DEM數(shù)據(jù)存儲量，特別是對平坦地區(qū)。行程？行程長度編碼課堂小練習請對本頁柵格數(shù)據(jù)進行行程編碼（3）塊狀編碼結(jié)構(gòu) 塊狀編碼方案是

9、行程編碼方案從一維擴展到二維的情況，它采用方形區(qū)域作為記錄單元，每個記錄單元包括相鄰的若干柵格。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是由記錄單元的初始位置(行、列號)、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，采用格網(wǎng)間距倍數(shù)表示)所組成的單元組，即(行號，列號，格網(wǎng)高程值，區(qū)域半徑)，整個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）四叉樹結(jié)構(gòu)四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一種對柵格數(shù)據(jù)的壓縮編碼方法。常規(guī)四叉樹：基本思想是將一幅柵格數(shù)據(jù)層或圖像等分為四個部分，逐塊檢查其格網(wǎng)屬性值（或灰度）；如果某個子區(qū)的所有格網(wǎng)值都具有相同的值，則這個子區(qū)就不再繼續(xù)分割，否則還要把這個子區(qū)分割為四個子區(qū)；這樣依

10、次分割，直到每個子塊都只含有相同的屬性值或灰度為止。實際上，在地理信息系統(tǒng)中不采用常規(guī)四叉樹，而是采用線性四叉樹。2.2.2 TIN結(jié)構(gòu)不規(guī)則三角網(wǎng)DEM直接利用原始采樣點進行地形表面的重建，由連續(xù)的相互聯(lián)接的三角面組成，三角面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的觀測點的密度和位置。AEDCB165432TIN 模型基本結(jié)構(gòu)元素 拓撲關(guān)系TIN 文件組成AEDCB165432三角形節(jié)點A1，5，6B4，5，6C3，4，6D2，3，6E1，2，6三角形/節(jié)點關(guān)系表坐標表節(jié)點坐標1X1，Y1，Z12X2，Y2，Z23X3，Y3，Z34X4，Y4，,Z45X5，Y5，Z56X6，Y6，Z6TIN 模型基本

11、鏈表結(jié)構(gòu)拓撲關(guān)系隱含TIN 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型TIN 的面結(jié)構(gòu)TIN的面結(jié)構(gòu)在基本鏈表結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了用來描述三角形之間拓撲關(guān)系的數(shù)據(jù)，也就是說TIN的面結(jié)構(gòu)一般由三個表組成，即坐標表、三角形頂點表以及鄰接三角形表。特點：由于存儲了三角形之間的鄰接關(guān)系，TIN內(nèi)插、檢索、等高線提取、顯示及局部結(jié)構(gòu)分析都比較方便。不足：存儲量較大，而且在TIN的編輯中要隨時維護這種關(guān)系。TIN 的點結(jié)構(gòu)TIN的點結(jié)構(gòu)由坐標文件和三角形頂點的鄰接指針鏈組成。三角形頂點的鄰接點是指共用該頂點的所有三角形其余兩頂點的不重復(fù)頂點的集合，可按順時針或逆時針方向順序組成。每個頂點的鄰接點順次存儲在一個鏈表中。特點：存儲量小，編

12、輯方便。不足：但三角形及其鄰接關(guān)系需實時再生成，計算量比較大。14345521ee1e226e3e43e5e7e6e89e10TIN 的點面結(jié)構(gòu)在點結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加組成三角形三頂點的數(shù)表。特點：結(jié)構(gòu)存儲量與面結(jié)構(gòu)的大致相當，編輯、顯示比較方便。不足；由于三角形之間的關(guān)系是隱式的，檢索與內(nèi)插效率不太高。14345521ee1e226e3e43e5e7e6e89e10TIN 的邊結(jié)構(gòu)TIN的邊結(jié)構(gòu)是從組成整個TIN模型的所有三角形中，抽取其不重復(fù)邊集所組成。特點：存儲量比較小，非常適合等高線的提取不足：編輯、內(nèi)插以及檢索不太方便。14345521ee1e226e3e43e5e7e6e89e10TI

13、N 的邊面結(jié)構(gòu)邊面結(jié)構(gòu)重點在于刻畫三角形邊和三角形面之間的拓撲關(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、終點和左右相鄰三角形，而鄰接三角形表中則記錄三角形之間的拓撲關(guān)系。特點：為上述所有結(jié)構(gòu)中存儲量最大的，雖然在檢索、等高線提取等方面比較方便。不足：不利于動態(tài)更新和維護。14345521ee1e226e3e43e5e7e6e89e10不同TIN結(jié)構(gòu)對比方便,隨時可用數(shù)據(jù)維護不方便數(shù)據(jù)維護不方便較方便,專用算法生成較方便,生成工作量較大顯式隱式隱式隱式顯式264248224160370面結(jié)構(gòu)點結(jié)構(gòu)點面結(jié)構(gòu)邊結(jié)構(gòu)邊面結(jié)構(gòu)拓撲關(guān)系存儲量結(jié)構(gòu)143e1e226e3e43e5e6e8

14、21e95 e7 4e105應(yīng)用三角形結(jié)構(gòu)注意點一味追求存儲量而忽視對拓撲信息的顯式表達，這樣會導(dǎo)致應(yīng)用時的信息量不足而影響執(zhí)行效率，如當要用拓撲關(guān)系時需臨時生成等；大量地存儲顯式關(guān)系而導(dǎo)致存儲空間過大，不利于大范圍的模型建立。不規(guī)則三角網(wǎng)DEM的優(yōu)點是：能充分利用地貌的特征點和特征線，較好地表示復(fù)雜地形；可根據(jù)不同的地形，選取合適的采樣點數(shù)；進行地形分析和繪制立體圖也很方便。其缺點是：由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而不便于規(guī)范化管理，難以與矢量和柵格數(shù)據(jù)進行聯(lián)合分析。規(guī)則格網(wǎng)DEM不規(guī)則三角網(wǎng)TIN優(yōu)點優(yōu)點簡單的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)；與遙感影像數(shù)據(jù)的相合性；良好的表面分析功能；較少的點可獲取較高的精度；可變分

15、辨率；良好的拓撲結(jié)構(gòu)缺點缺點計算效率較低；數(shù)據(jù)冗余；格網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)則；表面分析能力較差；構(gòu)建比較費時；算法設(shè)計比較復(fù)雜；規(guī)則格網(wǎng)DEM和TIN的對比 2.2.3 格網(wǎng)與不規(guī)則三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)混合結(jié)構(gòu)由于規(guī)則格網(wǎng)DEM和不規(guī)則三角網(wǎng)各有優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中，在大范圍內(nèi)一般采用規(guī)則格網(wǎng)附加地形特征數(shù)據(jù)，如地形特征點、山脊線、山谷線、斷裂線等，構(gòu)成全局高效、局部完美的DEM，規(guī)則格網(wǎng)DEM被分割而形成一個局部的不規(guī)則三角網(wǎng)。格網(wǎng)與不規(guī)則三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)混合結(jié)構(gòu)由于特征線作為矢量數(shù)據(jù)具有比規(guī)則格網(wǎng)復(fù)雜得多的拓撲結(jié)構(gòu)和屬性內(nèi)容，一般還是采用混合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別進行處理。當然也可以設(shè)計一個一體化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同時組織這些不同類

16、型的數(shù)據(jù)，比如將所有矢量都柵格化。另外，考慮到混合結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致數(shù)據(jù)管理復(fù)雜化并降低數(shù)據(jù)檢索的效率，根據(jù)研究區(qū)域的大小和軟件性能，應(yīng)用時常常將其實時地完全轉(zhuǎn)換為TIN的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。2.3 DEM數(shù)據(jù)庫管理2.3.1 DEM數(shù)據(jù)庫內(nèi)容DEM已成為GIS的核心數(shù)據(jù)庫和地學分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)與遙感影像數(shù)據(jù)、矢量特征數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)進行融合和信息的復(fù)合處理，DEM從單一的文件結(jié)構(gòu)向復(fù)雜的信息系統(tǒng)發(fā)展已成為一種必然的趨勢。DEM數(shù)據(jù)庫屬空間數(shù)據(jù)庫，DEM數(shù)據(jù)庫的設(shè)計內(nèi)容如圖。在一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫里最普通的對象是關(guān)系表，其他對象如索引、視圖、序列、同義字和數(shù)據(jù)字典等都用來進行查詢和數(shù)據(jù)存取。表是基本的

17、存儲結(jié)構(gòu)，是一個由若干行和列的數(shù)據(jù)元素組成的二維矩陣。表的每一行包含了描述一個實體的所有信息，而其中的一列則表示這個實體的一個屬性。當使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫時，高效的空間索引至關(guān)重要。SDE：DEM數(shù)據(jù)的分解存儲。DEM數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是DEM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對于TIN而言，一般是把三角形的頂點看作數(shù)據(jù)庫中的基本實體，并在此基礎(chǔ)上定義是三角形頂點、三角形邊、三角形面之間的拓撲關(guān)系。在DEM構(gòu)建過程中，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，同時也是信息復(fù)合的需要，一般在DEM數(shù)據(jù)庫中也予以保留。它們的結(jié)構(gòu)如下圖所示。2.3.2

18、DEM數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu) 2.3.3 DEM數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)組織定義：DEM數(shù)據(jù)的管理和調(diào)度方式。組織方式：“工程-工作區(qū)-圖幅”工程：是指一個區(qū)域內(nèi)的全部DEM數(shù)據(jù)。圖幅：是按照一定規(guī)則對研究區(qū)域進行二維劃分是DEM數(shù)據(jù)采集、建立、操作和調(diào)度的基本單位，每一個圖幅由若干行和若干列格網(wǎng)單元組成。工作區(qū)：是當前感興趣的研究區(qū)域，一般情況下工作區(qū)就是圖幅，如果需要，也可將多個圖幅定義為一個工作區(qū)。圖幅由坐標范圍定義，通過記錄每一個圖幅范圍的空間索引文件(工作區(qū)范圍通過圖幅范圍確定)，即可建立工程與工作區(qū)、圖幅之間的聯(lián)系。 當一個工程具有不同的分辨率的DEM時，則形成細節(jié)層次模型（levels oF Detail

19、 LOD）。LOD模型形成方案：（1）形成某一地區(qū)不同分辨率的DEM，通過一體化管理建立金字塔數(shù)據(jù)庫核心是不同分辨率DEM的融合。（2）在地形可視化中，實施細節(jié)分層是一個熱點。圖幅由坐標范圍定義，例如，圖幅H的范圍是（270,120,280,130）。通過記錄每一個圖幅范圍的空間索引文件（工作區(qū)范圍通過圖幅范圍確定），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，確定整個工程內(nèi)任意一點的DEM值，也可在工程內(nèi)開窗、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)的快速查詢和無縫瀏覽。上述空間索引模式對格網(wǎng)DEM是非常適合的，但對TIN而言，要注意兩點：（1）由于TIN的每個