DEM數(shù)據(jù)組織與管理教材課件

數(shù)字高程模型第二章DEM數(shù)據(jù)組織與管理數(shù)字高程模型第二章DEM數(shù)據(jù)組織與管理12.1概述

●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）。2.1概述●數(shù)字高程模型是地形曲面的數(shù)2●

DEM數(shù)據(jù)設計一般遵循以下的基本原則：

①適用性，滿足主要用戶的需求，并充分兼顧潛在用戶的需求；

②運行性，快速顯示和查詢，保持正常運行，可以及時提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品；

③更新性，能對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行增加、修改和刪除，方便地擴充和進行數(shù)據(jù)更新；

④相關(guān)性，保證與其他基礎地理信息產(chǎn)品的相關(guān)性，使數(shù)據(jù)庫在數(shù)學基礎、坐標系統(tǒng)以及產(chǎn)品一致性方面相關(guān)；●DEM數(shù)據(jù)設計一般遵循以下的基本原則：

①適用性，滿3⑤相容性，與其他類型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)兼容，可以共享或相互交換數(shù)據(jù)；

⑥先進性，采用科學的技術(shù)手段，使系統(tǒng)保持一定的先進性；

⑦高質(zhì)量，與原始資料一致，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，數(shù)據(jù)標準、規(guī)范；

⑧完備性，除了基本的數(shù)據(jù)體外，有完備的元數(shù)據(jù)內(nèi)容；

⑨安全性，有嚴密的權(quán)限控制機制。

⑤相容性，與其他類型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)兼容，可以42.2

DEM數(shù)據(jù)模型GIS的空間數(shù)據(jù)模型從認知角度講有三類：基于對象的模型、基于網(wǎng)絡的模型和基于場的模型；從表達上講有矢量數(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)變化的空間對象，因此屬于基于場的鑲嵌數(shù)據(jù)模型。2.2.1鑲嵌數(shù)據(jù)模型●鑲嵌數(shù)據(jù)模型（Tessellationmodel）源于這樣的思想：空間對象可用相互連接在一起的網(wǎng)絡來覆蓋和逼近，或者說用在二維區(qū)域上的網(wǎng)絡劃分來覆蓋整個研究區(qū)域。2.2

DEM數(shù)據(jù)模型GIS的空間數(shù)據(jù)模型從認知角度講有三5

●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，以及對具有連續(xù)變化的空間對象的模擬。網(wǎng)絡的特征參數(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)模型特別適合于對三維離散空間數(shù)據(jù)的表達，以62.2.2規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型●所謂規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型，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1。2.2.2規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型7●構(gòu)造規(guī)則鑲嵌模型的方法是：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)格單元附加相應的屬性信息，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。

●從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上看，規(guī)則格網(wǎng)的主要優(yōu)點是其數(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；同時，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。此外，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，從而不需要進行坐標數(shù)字化。

●基于規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型DEM的缺點是不管地形變化復雜還是簡單，均采用相同的結(jié)構(gòu)，導致數(shù)據(jù)冗余而給數(shù)據(jù)管理帶來不便?！駱?gòu)造規(guī)則鑲嵌模型的方法是：用數(shù)學手段將82.2.3不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型

●不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型是指用來進行鑲嵌的小面塊具有不規(guī)則的形狀和邊界。按照小面塊的幾何形狀，不規(guī)則鑲嵌模型有基于三角形、四邊形、六邊形、多邊形等（如圖2）。

2.2.3不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型9●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)（TriangulatedIrregularNetwork，簡稱TIN），是DEM的又一主要表達形式。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。

●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雜，數(shù)據(jù)點分布比較密集，格網(wǎng)單元就越小。

●TIN與規(guī)則格網(wǎng)DEM顯著不同之處在于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、地形變化線等表示地形特征。●在DEM中，基于三角形的不規(guī)則鑲嵌102.3

DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.3.1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）逐一紀錄每一個格網(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的數(shù)據(jù)文件一般包含用來進行DEM數(shù)據(jù)說明的數(shù)據(jù)頭和DEM數(shù)據(jù)體兩部分。

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；

2.3

DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.3.1規(guī)則格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

11ArcViewDEM文本文件格式

ArcViewDEM文本文件格式122）行程編碼結(jié)構(gòu)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)生變化時一次紀錄該值以及重復的個數(shù)，應用時利用重復個數(shù)恢復DEM矩陣。對DEM每一行均按上述結(jié)構(gòu)組織，則實現(xiàn)DEM行程編碼方案。行程編碼實際上是一種柵格數(shù)據(jù)的壓縮方案，能有效地減少數(shù)據(jù)存儲量，特別在平坦地區(qū)。2）行程編碼結(jié)構(gòu)133）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展到二維的情況，它采用方形區(qū)域作為紀錄單元，每個紀錄單元包括相鄰的若干柵格。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是由紀錄單元的初始位置（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。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)域半徑可恢復高程矩陣。3）塊狀編碼結(jié)構(gòu)144）四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)四叉樹編碼又稱為四分樹、四元樹編碼。它是一種更有效地壓編數(shù)據(jù)的方法。它將2n×2n像元陣列連續(xù)進行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（如下圖），而塊狀結(jié)構(gòu)則用四叉樹描述，習慣上稱為四叉樹編碼。4）四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)15DEM數(shù)據(jù)組織與管理教材162.3.2不規(guī)則三角網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由于三角形的不規(guī)則型，三角形定義及其與相鄰三角形的關(guān)系要顯式地表達出來，即TIN模型不但要存儲每個頂點的高程，還要存儲三角形頂點的平面坐標、頂點之間的連接關(guān)系和鄰接三角形等拓撲關(guān)系。在TIN模型中，基本的結(jié)構(gòu)元素有三角形頂點、邊、面。它們之間存在著點與線、點與面、線與面、面與面等拓撲關(guān)系。通過組成三角形的三頂點可完整地表達三角形的構(gòu)成以及三角形頂點、三角形邊、三角形之間的拓撲關(guān)系。2.3.2不規(guī)則三角網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)17這種結(jié)構(gòu)只需要兩個文件：三角形頂點坐標文件和組成三角形三頂點（用點在坐標文件中的序號表示）文件。ＴＩＮ模型基本鏈表結(jié)構(gòu)ＴＩＮ坐標表三角形表這種結(jié)構(gòu)只需要兩個文件：三角形頂點坐標文件和組成三角形三頂點18這種結(jié)構(gòu)簡單但拓撲關(guān)系是隱含的，不利于TIN模型的檢索與應用。因此圍繞著拓撲關(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)在基本鏈表結(jié)構(gòu)基礎上增加了用來描述三角形之間拓撲關(guān)系的數(shù)據(jù)，即使用坐標表、三角形頂點表以及鄰接三角形表構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)簡單但拓撲關(guān)系是隱含的，不利于TIN模型的檢索與應用19TIN模型面結(jié)構(gòu)的特點是：檢索網(wǎng)點拓撲關(guān)系效率高（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、顯示以及局部分析都比較方便）；存儲量大，不便于編輯（在TIN的編輯中要隨時維護這種關(guān)系）。TIN模型面結(jié)構(gòu)的特點是：檢索網(wǎng)點拓撲關(guān)系效率高（由于存儲了202.TIN的點結(jié)構(gòu)：該結(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頂點的集合，可按順時針或逆時針方向順序組成。點結(jié)構(gòu)的特點是存儲量小，編輯方便，但三角形及其鄰接關(guān)系需實時再生成，計算量較大，不利于快速檢索和顯示。2.TIN的點結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)由坐標文件和三角形頂點的鄰接指針鏈213.TIN的點面結(jié)構(gòu)：在點結(jié)構(gòu)基礎上，增加組成該三角形三頂點的數(shù)表。這種結(jié)構(gòu)存儲量與面結(jié)構(gòu)大致相當，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。3.TIN的點面結(jié)構(gòu)：在點結(jié)構(gòu)基礎上，增加組成該三角形三頂點224.TIN的邊結(jié)構(gòu)：從組成整個TIN模型的所有三角形中，抽取其不重復邊集組成，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由邊的兩個頂點以及與之關(guān)聯(lián)的兩條邊表達。關(guān)聯(lián)邊要滿足如下條件：分布在當前邊的兩側(cè)；關(guān)聯(lián)邊與當前邊的夾角最?。魂P(guān)聯(lián)邊頂點不重復。這種結(jié)構(gòu)的存儲量比較小，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e14.TIN的邊結(jié)構(gòu)：從組成整個TIN模型的所有三角形中，抽取23５.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，鄰接三角形表中則記錄三角形之間的拓撲關(guān)系。邊面結(jié)構(gòu)的存儲量是最大的，在檢索、等高線提取等方面比較方便，但不利于動態(tài)更新和維護。５.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242.3.3TIN與格網(wǎng)DEM的對比選擇格網(wǎng)DEM和TIN數(shù)據(jù)模型考慮的因素：數(shù)據(jù)的可獲取性；地形曲面特定以及是否考慮特征點；目的和應用；原始數(shù)據(jù)的比例尺和分辨率。2.3.3TIN與格網(wǎng)DEM的對比25優(yōu)缺點規(guī)則格網(wǎng)DEMTIN簡單的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)較少點可獲得較高的精度優(yōu)點與遙感影像數(shù)據(jù)的復合性可辨分辨率良好的表面分析功能良好的拓撲結(jié)構(gòu)計算效率較低表面分能力較差缺點數(shù)據(jù)冗余構(gòu)建比較費時格網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)則算法設計比較復雜規(guī)則格網(wǎng)DEM和不規(guī)則三角網(wǎng)TIN的對比優(yōu)缺點規(guī)則格網(wǎng)DEMTIN262.4

DEM數(shù)據(jù)庫管理小范圍低分辨率的DEM數(shù)據(jù)量小—可以通過數(shù)據(jù)文件對其進行管理；覆蓋范圍大時，數(shù)據(jù)量巨大—存儲、檢索、操作、與處理非常低效，普通微機也無法運行。發(fā)展趨勢：DEM已成為GIS的核心數(shù)據(jù)庫和地學分析的基礎數(shù)據(jù)，與影像、矢量數(shù)據(jù)及多媒體數(shù)據(jù)進行廣泛的融合。因此，DEM從單一的文件結(jié)構(gòu)向復雜的信息系統(tǒng)發(fā)展已成為一種必然的趨勢。2.4

DEM數(shù)據(jù)庫管理小范圍低分辨率的DEM數(shù)據(jù)量小—可27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)庫管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫的本地和遠程存取與其他信息系統(tǒng)的連接CAD模型、DTM二維、三維GIS地學服務器數(shù)字地球DEM數(shù)據(jù)庫不同發(fā)展層次DEM數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)庫設計、數(shù)據(jù)組織方法、元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫功能等。信息水平系統(tǒng)地形表面特征的幾何描述CAD模型、DTMDEM數(shù)281.DEM數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)實現(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)庫的方式。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫對大數(shù)據(jù)量DEM的訪問比文件系統(tǒng)經(jīng)過更多的步驟，在同樣條件下，基于文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫效率要高，但在多事務處理、多用戶訪問、網(wǎng)絡安全等方面的能力有限。由于DEM數(shù)據(jù)庫的規(guī)則性較強，一般采用文件系統(tǒng)和空間索引的方式進行管理。1.DEM數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)29DEM數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)DEM數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)實質(zhì)上就是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，同時也是的信息復合的需要，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：DEM數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)30DEM數(shù)據(jù)組織與管理教材312.DEM數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)組織DEM數(shù)據(jù)庫組織指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）?！肮こ獭ぷ鲄^(qū)—圖幅”的層次結(jié)構(gòu)索引模式是當前GIS空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)組織的一種常用方法。工程指一個區(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)域進行的二維劃分，是DEM數(shù)據(jù)采集、建立、操作和調(diào)度的基本單位，每個圖幅由若干行、列格網(wǎng)單元組成；工作區(qū)是當前感興趣的研究區(qū)，一般工作區(qū)就是圖幅，多個圖幅也可合并為一個工作區(qū)。2.DEM數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)組織32DEM數(shù)據(jù)組織與管理教材33圖幅由坐標范圍定義，例如，圖幅H的范圍是（270，120，280，130）。通過紀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：一是由于TIN的每個圖幅區(qū)域的邊界不規(guī)則，為避免相鄰圖幅之間的接邊問題，一般在進行數(shù)據(jù)分幅時，各個圖幅之間要有一定的重疊度；二是TIN的不規(guī)則性，為快速對點所在三角形進行定位，有必要在圖幅內(nèi)建立TIN的空間索引，常用的如鏈表+頭指針、四叉樹等。圖幅由坐標范圍定義，例如，圖幅H的范圍是（270，120，343.DEM數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能數(shù)據(jù)庫關(guān)系系統(tǒng)是為訪問數(shù)據(jù)庫提供的軟件系統(tǒng)，負責維護所有數(shù)據(jù)必須的特性。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基本服務功能有：1）數(shù)據(jù)庫管理：包括控制整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的運行，控制用戶的并發(fā)性訪問，執(zhí)行對數(shù)據(jù)庫的安全、保密、完整性檢驗、實施對數(shù)據(jù)的錄入、編輯、檢索等操作。2）數(shù)據(jù)庫維護：包括數(shù)據(jù)庫的初始錄入/建立，運行時工作日志，監(jiān)視數(shù)據(jù)庫性能，在性能低下時重新組織數(shù)據(jù)庫，發(fā)生故障時恢復數(shù)據(jù)庫等。3）數(shù)據(jù)通信：負責處理數(shù)據(jù)的流動和調(diào)度。3.DEM數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能35DEM數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)一般包括DEM數(shù)據(jù)庫、元數(shù)據(jù)庫矢量數(shù)據(jù)庫（地形特征數(shù)據(jù)：斷裂線、特殊邊界線、山脊線、山谷線等）。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)DEM數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)一般包括DEM數(shù)據(jù)庫、元數(shù)據(jù)庫矢量數(shù)據(jù)庫36數(shù)字高程模型第二章DEM數(shù)據(jù)組織與管理數(shù)字高程模型第二章DEM數(shù)據(jù)組織與管理372.1概述

●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）。2.1概述●數(shù)字高程模型是地形曲面的數(shù)38●

DEM數(shù)據(jù)設計一般遵循以下的基本原則：

①適用性，滿足主要用戶的需求，并充分兼顧潛在用戶的需求；

②運行性，快速顯示和查詢，保持正常運行，可以及時提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品；

③更新性，能對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行增加、修改和刪除，方便地擴充和進行數(shù)據(jù)更新；

④相關(guān)性，保證與其他基礎地理信息產(chǎn)品的相關(guān)性，使數(shù)據(jù)庫在數(shù)學基礎、坐標系統(tǒng)以及產(chǎn)品一致性方面相關(guān)；●DEM數(shù)據(jù)設計一般遵循以下的基本原則：

①適用性，滿39⑤相容性，與其他類型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)兼容，可以共享或相互交換數(shù)據(jù)；

⑥先進性，采用科學的技術(shù)手段，使系統(tǒng)保持一定的先進性；

⑦高質(zhì)量，與原始資料一致，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，數(shù)據(jù)標準、規(guī)范；

⑧完備性，除了基本的數(shù)據(jù)體外，有完備的元數(shù)據(jù)內(nèi)容；

⑨安全性，有嚴密的權(quán)限控制機制。

⑤相容性，與其他類型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)兼容，可以402.2

DEM數(shù)據(jù)模型GIS的空間數(shù)據(jù)模型從認知角度講有三類：基于對象的模型、基于網(wǎng)絡的模型和基于場的模型；從表達上講有矢量數(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)變化的空間對象，因此屬于基于場的鑲嵌數(shù)據(jù)模型。2.2.1鑲嵌數(shù)據(jù)模型●鑲嵌數(shù)據(jù)模型（Tessellationmodel）源于這樣的思想：空間對象可用相互連接在一起的網(wǎng)絡來覆蓋和逼近，或者說用在二維區(qū)域上的網(wǎng)絡劃分來覆蓋整個研究區(qū)域。2.2

DEM數(shù)據(jù)模型GIS的空間數(shù)據(jù)模型從認知角度講有三41

●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，以及對具有連續(xù)變化的空間對象的模擬。網(wǎng)絡的特征參數(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)模型特別適合于對三維離散空間數(shù)據(jù)的表達，以422.2.2規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型●所謂規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型，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1。2.2.2規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型43●構(gòu)造規(guī)則鑲嵌模型的方法是：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)格單元附加相應的屬性信息，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。

●從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上看，規(guī)則格網(wǎng)的主要優(yōu)點是其數(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；同時，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。此外，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，從而不需要進行坐標數(shù)字化。

●基于規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型DEM的缺點是不管地形變化復雜還是簡單，均采用相同的結(jié)構(gòu)，導致數(shù)據(jù)冗余而給數(shù)據(jù)管理帶來不便?！駱?gòu)造規(guī)則鑲嵌模型的方法是：用數(shù)學手段將442.2.3不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型

●不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型是指用來進行鑲嵌的小面塊具有不規(guī)則的形狀和邊界。按照小面塊的幾何形狀，不規(guī)則鑲嵌模型有基于三角形、四邊形、六邊形、多邊形等（如圖2）。

2.2.3不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型45●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)（TriangulatedIrregularNetwork，簡稱TIN），是DEM的又一主要表達形式。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。

●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雜，數(shù)據(jù)點分布比較密集，格網(wǎng)單元就越小。

●TIN與規(guī)則格網(wǎng)DEM顯著不同之處在于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、地形變化線等表示地形特征?！裨贒EM中，基于三角形的不規(guī)則鑲嵌462.3

DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.3.1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）逐一紀錄每一個格網(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的數(shù)據(jù)文件一般包含用來進行DEM數(shù)據(jù)說明的數(shù)據(jù)頭和DEM數(shù)據(jù)體兩部分。

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；

2.3

DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.3.1規(guī)則格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

47ArcViewDEM文本文件格式

ArcViewDEM文本文件格式482）行程編碼結(jié)構(gòu)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)生變化時一次紀錄該值以及重復的個數(shù)，應用時利用重復個數(shù)恢復DEM矩陣。對DEM每一行均按上述結(jié)構(gòu)組織，則實現(xiàn)DEM行程編碼方案。行程編碼實際上是一種柵格數(shù)據(jù)的壓縮方案，能有效地減少數(shù)據(jù)存儲量，特別在平坦地區(qū)。2）行程編碼結(jié)構(gòu)493）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展到二維的情況，它采用方形區(qū)域作為紀錄單元，每個紀錄單元包括相鄰的若干柵格。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是由紀錄單元的初始位置（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。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)域半徑可恢復高程矩陣。3）塊狀編碼結(jié)構(gòu)504）四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)四叉樹編碼又稱為四分樹、四元樹編碼。它是一種更有效地壓編數(shù)據(jù)的方法。它將2n×2n像元陣列連續(xù)進行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（如下圖），而塊狀結(jié)構(gòu)則用四叉樹描述，習慣上稱為四叉樹編碼。4）四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)51DEM數(shù)據(jù)組織與管理教材522.3.2不規(guī)則三角網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由于三角形的不規(guī)則型，三角形定義及其與相鄰三角形的關(guān)系要顯式地表達出來，即TIN模型不但要存儲每個頂點的高程，還要存儲三角形頂點的平面坐標、頂點之間的連接關(guān)系和鄰接三角形等拓撲關(guān)系。在TIN模型中，基本的結(jié)構(gòu)元素有三角形頂點、邊、面。它們之間存在著點與線、點與面、線與面、面與面等拓撲關(guān)系。通過組成三角形的三頂點可完整地表達三角形的構(gòu)成以及三角形頂點、三角形邊、三角形之間的拓撲關(guān)系。2.3.2不規(guī)則三角網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)53這種結(jié)構(gòu)只需要兩個文件：三角形頂點坐標文件和組成三角形三頂點（用點在坐標文件中的序號表示）文件。ＴＩＮ模型基本鏈表結(jié)構(gòu)ＴＩＮ坐標表三角形表這種結(jié)構(gòu)只需要兩個文件：三角形頂點坐標文件和組成三角形三頂點54這種結(jié)構(gòu)簡單但拓撲關(guān)系是隱含的，不利于TIN模型的檢索與應用。因此圍繞著拓撲關(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)在基本鏈表結(jié)構(gòu)基礎上增加了用來描述三角形之間拓撲關(guān)系的數(shù)據(jù)，即使用坐標表、三角形頂點表以及鄰接三角形表構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)簡單但拓撲關(guān)系是隱含的，不利于TIN模型的檢索與應用55TIN模型面結(jié)構(gòu)的特點是：檢索網(wǎng)點拓撲關(guān)系效率高（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、顯示以及局部分析都比較方便）；存儲量大，不便于編輯（在TIN的編輯中要隨時維護這種關(guān)系）。TIN模型面結(jié)構(gòu)的特點是：檢索網(wǎng)點拓撲關(guān)系效率高（由于存儲了562.TIN的點結(jié)構(gòu)：該結(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頂點的集合，可按順時針或逆時針方向順序組成。點結(jié)構(gòu)的特點是存儲量小，編輯方便，但三角形及其鄰接關(guān)系需實時再生成，計算量較大，不利于快速檢索和顯示。2.TIN的點結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)由坐標文件和三角形頂點的鄰接指針鏈573.TIN的點面結(jié)構(gòu)：在點結(jié)構(gòu)基礎上，增加組成該三角形三頂點的數(shù)表。這種結(jié)構(gòu)存儲量與面結(jié)構(gòu)大致相當，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。3.TIN的點面結(jié)構(gòu)：在點結(jié)構(gòu)基礎上，增加組成該三角形三頂點584.TIN的邊結(jié)構(gòu)：從組成整個TIN模型的所有三角形中，抽取其不重復邊集組成，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由邊的兩個頂點以及與之關(guān)聯(lián)的兩條邊表達。關(guān)聯(lián)邊要滿足如下條件：分布在當前邊的兩側(cè)；關(guān)聯(lián)邊與當前邊的夾角最小；關(guān)聯(lián)邊頂點不重復。這種結(jié)構(gòu)的存儲量比較小，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e14.TIN的邊結(jié)構(gòu)：從組成整個TIN模型的所有三角形中，抽取59５.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，鄰接三角形表中則記錄三角形之間的拓撲關(guān)系。邊面結(jié)構(gòu)的存儲量是最大的，在檢索、等高線提取等方面比較方便，但不利于動態(tài)更新和維護。５.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602.3.3TIN與格網(wǎng)DEM的對比選擇格網(wǎng)DEM和TIN數(shù)據(jù)模型考慮的因素：數(shù)據(jù)的可獲取性；地形曲面特定以及是否考慮特征點；目的和應用；原始數(shù)據(jù)的比例尺和分辨率。2.3.3TIN與格網(wǎng)DEM的對比61優(yōu)缺點規(guī)則格網(wǎng)DEMTIN簡單的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)較少點可獲得較高的精度優(yōu)點與遙感影像數(shù)據(jù)的復合性可辨分辨率良好的表面分析功能良好的拓撲結(jié)構(gòu)計算效率較低表面分能力較差缺點數(shù)據(jù)冗余構(gòu)建比較費時格網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)則算法設計比較復雜規(guī)則格網(wǎng)DEM和不規(guī)則三角網(wǎng)TIN的對比優(yōu)缺點規(guī)則格網(wǎng)DEMTIN622.4

DEM數(shù)據(jù)庫管理小范圍低分辨率的DEM數(shù)據(jù)量小—可以通過數(shù)據(jù)文件對其進行管理；覆蓋范圍大時，數(shù)據(jù)量巨大—存儲、檢索、操作、與處理非常低效，普通微機也無法運行。發(fā)展趨勢：DEM已成為GIS的核心數(shù)據(jù)庫和地學分析的基礎數(shù)據(jù)，與影像、矢量數(shù)據(jù)及多媒體數(shù)據(jù)進行廣泛的融合。因此，DEM從單一的文件結(jié)構(gòu)向復雜的信息系統(tǒng)發(fā)展已成為一種必然的趨勢。2.4

DEM數(shù)據(jù)庫管理小范圍低分辨率的DEM數(shù)據(jù)量小—可63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)庫管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫的本地和遠程存取與其他信息系統(tǒng)的連接CAD模型、DTM二維、三維GIS地學服務器數(shù)字地球DEM數(shù)據(jù)庫不同發(fā)展層次DEM數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)庫設計、數(shù)據(jù)組織方法、元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫功能等。信息水平系統(tǒng)地形表面特征的幾何描述CAD模型、DTMDEM數(shù)641.DEM數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)實現(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)庫的方式。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫對大數(shù)據(jù)量DEM的訪問比文件系統(tǒng)經(jīng)過更多的步驟，在同