交通地理信息系統(tǒng)08-DTM與地形分析

第九講DTM與地形分析課題：DTM與地形分析目的要求：理解DTM和DEM概念；掌握DEM的主要表示方法，并能分析其優(yōu)缺點(diǎn)；了解DEM的數(shù)據(jù)采集方法；了解DEM的插值方法；掌握DEM建立的一般作業(yè)過程；了解DEM在地學(xué)分析中的主要用途；了解地形可視化的方法。教學(xué)重點(diǎn)：DTM，DEM的概念及相互轉(zhuǎn)換方法，DEM的作業(yè)過程。教學(xué)難點(diǎn)：DEM分析和應(yīng)用教學(xué)課時：2課時教學(xué)方法:講授本次課涉及的學(xué)術(shù)前沿：1．概述數(shù)字地形模型（DTM,DigitalTerrainModel）：是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。通常被描述為地形表面形態(tài)空間位置和地形屬性分布的有序數(shù)值陣列。它是地表單元上地形參數(shù)的集合，通常DTM可由DEM生成。它被用于各種線路選線（鐵路、公路、輸電線）的設(shè)計(jì)以及各種工程的面積、體積、坡度計(jì)算，任意兩點(diǎn)間的通視判斷及任意斷面圖繪制。1．概述高程模型：高程Z關(guān)于平面坐標(biāo)X，Y兩個自變量的連續(xù)函數(shù)，數(shù)字高程模型（DEM）只是它的一個有限的離散表示。數(shù)字高程模型DEM（DigitalElevationModel）：當(dāng)數(shù)字地形模型中地形屬性為高程時即為DEM；它是地表單元上高程的集合,通常用矩陣表示；廣義的DEM可包括等高線，三角網(wǎng)等。這里我們特指由地表矩陣單元構(gòu)成的高程矩陣。DEM是DTM的一個子集，是DTM的一個特例。2．DEM的表示法DEM的表示法數(shù)學(xué)方法

整體擬合局部擬合圖形方法

等高線規(guī)則格網(wǎng)不規(guī)則格網(wǎng)DEM的表示方法2．DEM的主要表示模型2．1規(guī)則格網(wǎng)模型2．2等高線模型2．3不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型2．4層次模型2.1規(guī)則格網(wǎng)模型規(guī)則格網(wǎng)：將區(qū)域空間切分成為規(guī)則的格網(wǎng)單元，每個格網(wǎng)單元對應(yīng)一個數(shù)值。數(shù)學(xué)上有一個矩陣表示，計(jì)算機(jī)里面表示為一個二維數(shù)組。2.1規(guī)則格網(wǎng)模型格網(wǎng)值的兩種觀點(diǎn)：格網(wǎng)柵格觀點(diǎn)：格網(wǎng)值是該格網(wǎng)高程內(nèi)所有高程點(diǎn)的值點(diǎn)柵格觀點(diǎn)：格網(wǎng)值是中心點(diǎn)的值或平均高程值規(guī)則格網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，計(jì)算機(jī)處理方便缺點(diǎn)：在平坦地區(qū)出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)冗余；若不改變格網(wǎng)大小，就不能適應(yīng)不同的地形條件；因此無法準(zhǔn)確表示地形結(jié)構(gòu)和細(xì)部特征在視線計(jì)算中過分依賴格網(wǎng)軸線2.2等高線模型等高線等高線和相應(yīng)的自由樹等高線模型中，高程值的集合是已知的。每條等高線對應(yīng)一個已知的高程值，一系列等高線集合和它們的高程值一起構(gòu)成了一種地面高程模型。等高線的拓?fù)潢P(guān)系可以用圖來表達(dá)，等高線之間的區(qū)域?yàn)閳D的節(jié)點(diǎn)，邊表示等高線本身。等高線存儲：等高線通常被存成一個有序的坐標(biāo)點(diǎn)對序列，即可以看成是帶有高程屬性的簡單多邊形或多邊形弧段。等高線模型只表達(dá)了區(qū)域的部分高程值，因此等高線以外的其他點(diǎn)的高程，要通過插值進(jìn)行計(jì)算，通常只使用外包的兩條等高線高程進(jìn)行插值。2.3不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型三角網(wǎng)的一種存儲方式若對于每個三角形、邊和節(jié)點(diǎn)都對應(yīng)一個記錄，三角形記錄三條邊的指針、邊記錄兩個頂點(diǎn)以及相鄰多邊形指針，怎么表達(dá)？（用表格表示）2.4層次模型層次模型一種表達(dá)多種不同精度水平的數(shù)字高程模型，大多數(shù)層次模型是基于不規(guī)則三角網(wǎng)模型的。層次模型目前還存在一些尚需解決的問題，沒有公認(rèn)的最好解決方案。3．DEM模型之間的相互轉(zhuǎn)換

不規(guī)則點(diǎn)集生成TIN

不規(guī)則三角網(wǎng)（TriangulatedIrregularNetwork,TIN）是另外一種表示數(shù)字高程模型的方法，它既減少規(guī)則格網(wǎng)方法帶來的數(shù)據(jù)冗余，同時在計(jì)算（如坡度）效率方面又優(yōu)于純粹基于等高線的方法。TIN模型根據(jù)區(qū)域有限個點(diǎn)集將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域中任意點(diǎn)落在三角面的頂點(diǎn)、邊上或三角形內(nèi)。如果點(diǎn)不在頂點(diǎn)上，該點(diǎn)的高程值通常通過線性插值的方法得到（在邊上用邊的兩個頂點(diǎn)的高程，在三角形內(nèi)則用三個頂點(diǎn)的高程）。所以TIN是一個三維空間的分段線性模型，在整個區(qū)域內(nèi)連續(xù)但不可微

不規(guī)則點(diǎn)集生成TINDelauney三角網(wǎng)和Voronoi圖（偶圖）：Voronoi圖即泰森多邊形，由一組連續(xù)多邊形組成，多邊形的邊界是由連接兩鄰點(diǎn)直線的垂直平分線組成。每個點(diǎn)與它的最近鄰域有關(guān)，將相鄰的Voronoi圖中的點(diǎn)連接而成的三角形即Delauney三角形。不規(guī)則點(diǎn)集生成TIN局部優(yōu)化過程（LOP）（Lawson，1997）3．DEM模型之間的相互轉(zhuǎn)換格網(wǎng)DEM轉(zhuǎn)成TIN保留重要點(diǎn)（VIP）法啟發(fā)丟棄法(DH—DropHeuristic)VIP方法示意DH方法轉(zhuǎn)換格網(wǎng)DEM成TIN過O點(diǎn)與三角形BCE的交點(diǎn)O’的高程差d與閾值比較3．DEM模型之間的相互轉(zhuǎn)換等高線轉(zhuǎn)成格網(wǎng)DEM使用局部插值算法往往出現(xiàn)問題，階梯地形的出現(xiàn)解決方法是使用針對等高線插值的專用方法，或者將等高線數(shù)據(jù)點(diǎn)減至最少，增加標(biāo)識山峰、山脊、谷底和坡度突變的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并使用較大的搜索窗口等值線插值造成“階梯地形”3．DEM模型之間的相互轉(zhuǎn)換利用格網(wǎng)DEM提取等高線將格網(wǎng)中的每個點(diǎn)視為幾何點(diǎn)而不是矩形區(qū)域TIN轉(zhuǎn)成格網(wǎng)DEM

看做是不規(guī)則點(diǎn)生成規(guī)則格網(wǎng)DEM，方法是按要求的分辨率大小和方向生成規(guī)則格網(wǎng)，對每一個格網(wǎng)搜索最近的TIN數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后按插值函數(shù)計(jì)算格網(wǎng)點(diǎn)高程。利用DEM制作等高線圖4．DEM的建立DEM數(shù)據(jù)采集方法地面測量

現(xiàn)有地圖數(shù)字化

空間傳感器

數(shù)字?jǐn)z影測量獲取DEMDEM生成方法DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量控制漸進(jìn)采樣4．DEM的建立1.地面測量法這種方法以地面實(shí)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(diǎn)位的測站上，觀測到目標(biāo)點(diǎn)的方向、距離和高差3個要素。計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的（x,y,z）三維坐標(biāo)，存儲于電子手簿或袖珍計(jì)算機(jī)中，成為建立DEM的原始數(shù)據(jù)。這種方法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。DEM數(shù)據(jù)采集方法4．DEM的建立2.地形圖數(shù)字化法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(diǎn)集的高程數(shù)據(jù)，建立DEM。其方法有下面幾種：

（1）手工采集法采用方格膜片、網(wǎng)點(diǎn)板或帶刻劃的平移角尺疊置在地形圖上，并使地形圖的格網(wǎng)與網(wǎng)點(diǎn)板或膜片的格網(wǎng)線逐格匹配定位，自上而下，逐行從左到右量取高程。當(dāng)格網(wǎng)交點(diǎn)落在相鄰等高線之間時，用目視線性內(nèi)插法估計(jì)高程值。它的優(yōu)點(diǎn)是幾乎不需要購置儀器設(shè)備，而且操作簡便，但效率低。DEM數(shù)據(jù)采集方法4．DEM的建立（2）手扶跟蹤數(shù)字化儀采集法可采用如下3種方式進(jìn)行采集：

?

逐條等高線的線方式連續(xù)采集樣點(diǎn)，并采集所有高程注記點(diǎn)作補(bǔ)充，這種方式適合于等高線較稀疏的平坦地區(qū)。

?沿主要等高線采集特征點(diǎn)，并選擇采集高程注記點(diǎn)和線性加密點(diǎn)作補(bǔ)充。

?沿曲線和坡折線采集特征點(diǎn)，并補(bǔ)采峰—鞍線和水邊線的支撐點(diǎn)，分別以等高線，峰—鞍鏈和邊界格式存儲。

（3）掃描采集法這種方法利用掃描儀掃描地圖，從地圖掃描數(shù)據(jù)中自動地建立DEM。這種方式采集速度快。隨著研究的不斷深入，一些難點(diǎn)和瓶頸問題被逐步解決，目前自動建立DEM技術(shù)已達(dá)到實(shí)用水平。DEM數(shù)據(jù)采集方法4．DEM的建立3.空間傳感器利用GPS，結(jié)合雷達(dá)和激光測高儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集4.攝影測量法攝影測量法以航空或航天遙感圖像為數(shù)據(jù)源，利用遙感立體像對，采用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體坐標(biāo)儀、解析測圖儀及數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)。DEM數(shù)據(jù)采集方法4．DEM的建立涉及DEM數(shù)據(jù)采集的攝影測量采樣方法如下：

（1）沿等高線采樣

在地形復(fù)雜及陡峭地區(qū)，可采用沿等高線跟蹤方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而在平坦地區(qū)，則不宜沿等高線采樣。

（2）規(guī)則格網(wǎng)采樣利用解析測圖儀在立體模型中按規(guī)則矩形格網(wǎng)進(jìn)行采樣，直接構(gòu)成規(guī)則格網(wǎng)DEM。DEM數(shù)據(jù)采集方法4．DEM的建立（3）選擇采樣為了準(zhǔn)確反映地形，可根據(jù)地形特征進(jìn)行選擇采樣，例如沿山脊線、山谷線、斷裂線等進(jìn)行采集以及離散碎部點(diǎn)（如山頂）的采集。這種方法獲取的數(shù)據(jù)尤其適合于不規(guī)則三角網(wǎng)DEM的建立。

（4）漸進(jìn)采樣這種采樣方法的目的是使采樣點(diǎn)分布合理，即平坦地區(qū)樣點(diǎn)少，地形復(fù)雜區(qū)的樣點(diǎn)較多。DEM數(shù)據(jù)采集方法4．DEM的建立（5）混合采樣

為了同步考慮采樣的合理性和效率，可將規(guī)則采樣或漸進(jìn)采樣與選擇采樣結(jié)合進(jìn)行混合采樣，即在規(guī)則采樣的基礎(chǔ)上再進(jìn)行沿特征線、點(diǎn)采樣。利用混合采樣可建立附加地形特征的規(guī)則格網(wǎng)DEM，也可建立附加特征的不規(guī)則三角網(wǎng)DEM。DEM數(shù)據(jù)采集方法4．DEM的建立（6）自動化DEM數(shù)據(jù)采集上述方法均是基于解析測圖儀或機(jī)助制圖系統(tǒng)利用半自動的方法進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)在已經(jīng)可以利用自動化測圖系統(tǒng)進(jìn)行完全自動化的DEM數(shù)據(jù)采集。此時可按相片上的規(guī)則格網(wǎng)利用數(shù)字影像匹配進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。最后攝影測量獲取的DEM數(shù)據(jù)點(diǎn)都要按一定插值方法轉(zhuǎn)成規(guī)則格網(wǎng)DEM或規(guī)則三角網(wǎng)DEM格式數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)采集方法4．DEM的建立將地形圖蒙上格網(wǎng)，逐格讀取中心或角點(diǎn)的高程值、構(gòu)成數(shù)字高程模型。1）人工網(wǎng)格法DEM的生成方法2）立體像對分析通過遙感立體像對，根據(jù)視差模型、自動選配左右影像的同名點(diǎn)，可建立數(shù)字高程模型。4．DEM的建立對有限個離散點(diǎn)，每三個鄰近點(diǎn)聯(lián)接成三角形，每個三角形代表一個局部平面，再根據(jù)每個平面方程，可計(jì)算各格網(wǎng)點(diǎn)高程，生成DEM。3）三角網(wǎng)方法（TIN）DEM的生成方法4．DEM的建立根據(jù)有限個離散點(diǎn)的高程、采用多項(xiàng)式或樣務(wù)函數(shù)求得擬合公式，再逐一計(jì)算各點(diǎn)的高程，可得到擬合的DEM。DEM的生成方法4）曲面擬合4．DEM的建立根據(jù)各局部等值線上的高程點(diǎn)，通過插值公式計(jì)算各點(diǎn)的高程，得到DEM。等值線插值法是比較常用的方法，輸入等值線后，可在矢量格式的等值線數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行，插值效果較好。5）等值線插值DEM的生成方法4．DEM的建立DEM生成的全過程包括：原始數(shù)據(jù)獲取、DEM模型構(gòu)造，數(shù)據(jù)插值、在所定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持下的數(shù)據(jù)存儲和模型輸出。DEM的生成流程

DEM建庫與刻盤質(zhì)量檢測與元數(shù)據(jù)文件記錄

全要素地形圖

地圖掃描

人機(jī)交互等高線矢量化加測注記點(diǎn)

等高線賦值與檢查周邊等高線地圖的數(shù)據(jù)獲取構(gòu)造三角網(wǎng)

內(nèi)插DEM網(wǎng)格DEM建庫與刻盤質(zhì)量檢測與元數(shù)據(jù)文件記錄以地形圖數(shù)字化為例，說明DEM的生成過程(見圖)從等高線可以直接生成TIN，也可以直接生成DEM，另外DEM也可以通過等高線生成TIN后，再內(nèi)插得到。4．DEM的建立DEM數(shù)據(jù)采集之前，按照所需的精度要求確定合理的取樣密度，或者在DEM數(shù)據(jù)采集過程中根據(jù)地形復(fù)雜程度動態(tài)調(diào)整采樣點(diǎn)密度。太稀，會降低精度，過密，會增大數(shù)據(jù)量，和不必要的存儲量。很多DEM來源于地形圖，因此其精度不會高于原始地形圖。DEM的數(shù)據(jù)質(zhì)量可以參考美國USGS的分級標(biāo)準(zhǔn)DEM數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制5．DEM的分析和應(yīng)用格網(wǎng)DEM應(yīng)用

地形曲面擬合立體透視圖通視分析流域特征地貌提取與地形自動分割

DEM計(jì)算地形屬性利用DEM繪制地面暈渲圖

光源來自西北產(chǎn)生正立體

光源來自東南產(chǎn)生反立體由DEM產(chǎn)生的地面暈渲圖5．DEM的分析和應(yīng)用立體透視圖透視立體圖能更好地反映地形的立體形態(tài)，非常直觀。與采用等高線表示地形形態(tài)相比有其自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，更接近人們的直觀視覺例如局部放大，改變高程值Z的放大倍率以夸大立體形態(tài)；改變視點(diǎn)的位置以便從不同的角度進(jìn)行觀察，甚至可以使立體圖形轉(zhuǎn)動，使人們更好地研究地形的空間形態(tài)格網(wǎng)DEM應(yīng)用利用DEM繪制立體透視圖建立透視變換基礎(chǔ)DEM高程陣列剖面布設(shè)消除隱藏線處理粘貼表面影象與紋理

制作透視立體圖的基本流程透視變換原理TIN構(gòu)成的三維模型DEM與正射影像疊合的地面三維模型

5．DEM的分析和應(yīng)用通視分析通視分析有著廣泛的應(yīng)用背景。典型的例子是觀察哨所的設(shè)定，顯然觀察哨的位置應(yīng)該設(shè)在能監(jiān)視某一感興趣的區(qū)域，視線不能被地形擋住。這就是通視分析中典型的點(diǎn)對區(qū)域的通視問題與此類似的問題還有森林中火災(zāi)監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)定，無線發(fā)射塔的設(shè)定等有時還可能對不可見區(qū)域進(jìn)行分析，如低空偵察飛機(jī)在飛行時，要盡可能躲避敵方雷達(dá)的捕捉，飛行顯然要選擇雷達(dá)盲區(qū)飛行格網(wǎng)DEM應(yīng)用5．DEM的分析和應(yīng)用通視分析通視問題可以分為五類：已知一個或一組觀察點(diǎn)，找出某一地形的可見區(qū)域欲觀察到某一區(qū)域的全部地形表面，計(jì)算最少觀察點(diǎn)數(shù)量在觀察點(diǎn)數(shù)量一定的前提下，計(jì)算能獲得的最大觀察區(qū)域以最小代價建造觀察塔，要求全部區(qū)域可見在給定建造代價的前提下，求最大可見區(qū)格網(wǎng)DEM應(yīng)用5．DEM的分析和應(yīng)用通視分析根據(jù)問題輸出維數(shù)的不同，通視可分為點(diǎn)的通視，線的通視和面的通視點(diǎn)的通視是指計(jì)算視點(diǎn)與待判定點(diǎn)之間的可見性問題線的通視是指已知視點(diǎn)，計(jì)算視點(diǎn)的視野問題區(qū)域的通視是指已知視點(diǎn)，計(jì)算視點(diǎn)能可視的地形表面區(qū)域集合的問題?；诟窬W(wǎng)DEM模型與基于TIN模型的DEM計(jì)算通視的方法差異很大格網(wǎng)DEM應(yīng)用5．DEM的分析和應(yīng)用通視分析根據(jù)問題輸出維數(shù)的不同，通視可分為點(diǎn)的通視，線的通視和面的通視點(diǎn)的通視是指計(jì)算視點(diǎn)與待判定點(diǎn)之間的可見性問題線的通視是指已知視點(diǎn)，計(jì)算視點(diǎn)的視野問題區(qū)域的通視是指已知視點(diǎn)，計(jì)算視點(diǎn)能可視的地形表面區(qū)域集合的問題。基于格網(wǎng)DEM模型與基于TIN模型的DEM計(jì)算通視的方法差異很大格網(wǎng)DEM應(yīng)用5．DEM的分析和應(yīng)用格網(wǎng)DEM應(yīng)用利用DEM做通視分析PP’地形及P、P’兩點(diǎn)位置

可視性分析的基本用途a、可視查詢。b、地形可視結(jié)構(gòu)計(jì)算

(即可視域的計(jì)算)。c、水平可視計(jì)算。ARC/VIEW可視域提取5．DEM的分析和應(yīng)用流域特征地貌提取與地形自動分割地形因素是影響流域地貌、水文、生物等過程的重要因子，地形屬性的空間分布特征一直是人們用于描述這些空間過程變化的重要指標(biāo)高精度DEM數(shù)據(jù)和高分辨率、高光譜、多周期的遙感影像，為人們定量描述流域空間變化過程提供了日益豐富的數(shù)據(jù)源，而且人們對流域地貌、水文和生物等過程空間變化機(jī)理理解的不斷加深，可以說人類已經(jīng)進(jìn)入了一個“空間模擬”的時代格網(wǎng)DEM應(yīng)用ARC/VIEW提取地面水系分布圖示例5．DEM的分析和應(yīng)用流域特征地貌提取與地形自動分割基于DEM數(shù)據(jù)自動提取流域地貌特征和進(jìn)行流域地形自動分割是進(jìn)行流域空間模擬的基礎(chǔ)技術(shù)基于格網(wǎng)DEM自動提取流域特征地貌和進(jìn)行地形自動分割技術(shù)主要包括兩個方面：（1）流域地貌形態(tài)結(jié)構(gòu)定義，定義能反映流域結(jié)構(gòu)的特征地貌，建立格網(wǎng)DEM對應(yīng)的微地貌特征。格網(wǎng)DEM應(yīng)用5．DEM的分析和應(yīng)用流域特征地貌提取與地形自動分割（2）特征地貌自動提取和地形自動分割算法。格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)是一些離散的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)本身不能反映實(shí)際地表的復(fù)雜性。為了從格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)中得到流域地貌形態(tài)結(jié)構(gòu)，必須采用一個清晰的流域地貌結(jié)構(gòu)模型，然后針對該結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)自動提取算法格網(wǎng)DEM應(yīng)用5．DEM的分析和應(yīng)用DEM計(jì)算地形屬性由DEM派生的地形屬性數(shù)據(jù)可以分為單要素屬性和復(fù)合屬性二種前者可由高程數(shù)據(jù)直接計(jì)算得到，如坡度因子，坡向后者是由幾個單要素屬性按一定關(guān)系組合成的復(fù)合指標(biāo)，用于描述某種過程的空間變化，格網(wǎng)DEM應(yīng)用

（1）

高程分級等間距或不等間距劃分為若干高程等級，如用來區(qū)分丘陵、低山、中山、高山等

DEM計(jì)算地形屬性式中n的計(jì)算單元內(nèi)柵格個數(shù)；h（Pk）為第k點(diǎn)的高程。（2）平均高程5．DEM的分析和應(yīng)用（3）相對高程設(shè)參考高程為hm，則各柵格點(diǎn)上相對高程為：

k=1，…，NDEM計(jì)算地形屬性5．DEM的分析和應(yīng)用（4）極值高程和高差（5）坡度切面方程：坡度為該平面法線與水平面法線之間的夾角：將計(jì)算結(jié)果劃分為91級（0-90），為代表水平面的情況。DEM計(jì)算地形屬性5．DEM的分析和應(yīng)用

坡向?yàn)樯鲜鰯M合平面的法線在水平面上投影的方位角：按22.5度的方位角間隔由正北順時針劃分為16個方位，每級取值范圍為11.25度。（6）坡向DEM計(jì)算地形屬性5．DEM的分析和應(yīng)用原始DEM數(shù)據(jù)地面坡度數(shù)字矩陣地面剖面曲率數(shù)字矩