數(shù)字高程模型及地學(xué)分析的原理與方法

《DEM及地學(xué)分析》第一章第一節(jié)地表形態(tài)表達(dá)：從模擬到數(shù)字?jǐn)?shù)字地面模型與其他學(xué)科的關(guān)系測(cè)繪遙感軍事水文土木工程農(nóng)林規(guī)劃地質(zhì)第二節(jié)數(shù)字高程模型的概念與理解

2、數(shù)字高程模型定義DEM，(DigitalElevationModels)，是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地形曲面的數(shù)字化模擬，它表示地表區(qū)域上地形的三維向量的有限序列，即地表單元上高程的集合，數(shù)學(xué)表達(dá)為：z=f(x，y)。

DEM的表示方法DEM通常是將有限的采樣點(diǎn)用某種規(guī)則連接成一系列的曲面或平面片來逼近原始曲面，因此DEM的數(shù)學(xué)定義為區(qū)域D的采樣點(diǎn)或內(nèi)插點(diǎn)Pj按某種規(guī)則連接成的面片M的集合連接規(guī)則構(gòu)成DEM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以是呈規(guī)則格網(wǎng)分布或不規(guī)則分布的格網(wǎng)。

規(guī)則格網(wǎng)模式

規(guī)則格網(wǎng)法是把DEM表示成高程矩陣，此時(shí)，DEM來源于直接規(guī)則矩形格網(wǎng)采樣點(diǎn)或由不規(guī)則離散數(shù)據(jù)點(diǎn)內(nèi)插產(chǎn)生。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)算機(jī)對(duì)矩陣的處理比較方便，高程矩陣已成為DEM最通用的形式。高程矩陣特別有利于各種應(yīng)用。

規(guī)則格網(wǎng)模式的缺點(diǎn)Grid系統(tǒng)有下列缺點(diǎn)：

1、地形簡(jiǎn)單的地區(qū)存在大量冗余數(shù)據(jù)；2、如不改變格網(wǎng)大小,則無法適用于起伏程度不同的地區(qū)；

3、對(duì)于某些特殊計(jì)算如視線計(jì)算時(shí)，格網(wǎng)的軸線方向被夸大；

4、由于柵格過于粗略，不能精確表示地形的關(guān)鍵特征,如山峰、洼坑、山脊等；

不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)●不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)表示法克服了高程矩陣中冗余數(shù)據(jù)的問題，而且能更加有效地用于各類以DTM為基礎(chǔ)的計(jì)算。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

TIN（TriangulatedIrregularNetwork)表示法利用所有采樣點(diǎn)取得的離散數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化組合的原則，把這些離散點(diǎn)(各三角形的頂點(diǎn))連接成相互連續(xù)的三角面(在連接時(shí)，盡可能地確保每個(gè)三角形都是銳角三角形或是三邊的長度近似相等—Delaunay)。

因?yàn)門IN可根據(jù)地形的復(fù)雜程度來確定采樣點(diǎn)的密度和位置，能充分表示地形特征點(diǎn)和線，從而減少了地形較平坦地區(qū)的數(shù)據(jù)冗余。

TIN的三角剖分TIN模型的表現(xiàn)第三節(jié)數(shù)字高程模型的研究?jī)?nèi)容1、地形數(shù)據(jù)采樣●數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量：利用帶自動(dòng)記錄裝置的立體測(cè)圖儀或立體坐標(biāo)儀、解析測(cè)圖儀及數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)行人工、半自動(dòng)或全自動(dòng)的量測(cè)。其原理是在攝影圖的基礎(chǔ)上利用測(cè)圖儀進(jìn)行測(cè)量?！瘳F(xiàn)有地圖數(shù)字化：對(duì)已有地圖上的信息(如等高線)進(jìn)行數(shù)字化?！竦孛鏈y(cè)量：利用自動(dòng)記錄的測(cè)距經(jīng)緯儀在野外實(shí)地測(cè)量?！窨臻g傳感器：利用GPS，結(jié)合雷達(dá)和激光測(cè)高儀采集數(shù)據(jù)。2、地形建模與內(nèi)插DEM是對(duì)地形表面的數(shù)字化表示，其建立過程實(shí)際上是一種數(shù)學(xué)建模過程，也就是說地形表面被一組相互組織在一起的地形采樣點(diǎn)所表達(dá)，如果需要該數(shù)學(xué)表面上其它位置處的高程值，可應(yīng)用一種內(nèi)插方法來進(jìn)行處理。

2、地形建模與內(nèi)插

根據(jù)參考點(diǎn)上的高程求出其它待定點(diǎn)上的高程，整體函數(shù)內(nèi)插

局部函數(shù)內(nèi)插

逐點(diǎn)內(nèi)插法3、數(shù)據(jù)組織與管理更新存貯拼接檢查4、DEM的應(yīng)用1、基于DEM的信息提取2、等高線的繪制3、基于DEM的可視化分析1、三維景觀2、數(shù)碼城市和虛擬現(xiàn)實(shí)3、DEM在工程上的應(yīng)用概述應(yīng)用：應(yīng)用算法：三維景觀數(shù)碼城市和虛擬現(xiàn)實(shí)CityModelDOMDEMDLG數(shù)碼深圳3D建筑DEM+DOM+DLG交通行業(yè)：數(shù)字公路（交通部公路勘測(cè)設(shè)計(jì)院）DEM的土石方計(jì)算立體計(jì)算線路挖土、石方量5、DEM可視化可視化（Visualization）是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)，將復(fù)雜的科學(xué)現(xiàn)象、自然景觀以及十分抽象的概念圖像化，以便理解現(xiàn)象，觀察其模擬和計(jì)算的過程和結(jié)果，發(fā)現(xiàn)規(guī)律和傳播知識(shí)。

DEM實(shí)現(xiàn)以多種方式如等高線、暈渲圖、線框透視、動(dòng)畫等在不通層面上對(duì)地形進(jìn)行表達(dá)、觀察和瀏覽。6、不確定性分析和表達(dá)不確定性DEM數(shù)據(jù)源精度數(shù)據(jù)內(nèi)插精度數(shù)據(jù)模型精度各種其他誤差數(shù)字高程模型類型1、按結(jié)構(gòu)分類2、按連續(xù)性分類DEM按連續(xù)性可分為不連續(xù)型、連續(xù)不光滑型和光滑型三種DEM。3、按范圍分類數(shù)字高程模型按范圍可分為局部、地區(qū)和全局DEM數(shù)字高程模型的特點(diǎn)DEM特點(diǎn)精度恒定性表達(dá)的多樣性

更新的實(shí)時(shí)性

尺度的綜合性

第三節(jié)數(shù)字高程模型的信息特征

2、數(shù)字高程模型定義DEM，(DigitalElevationModels)，是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地形曲面的數(shù)字化模擬，它表示地表區(qū)域上地形的三維向量的有限序列，即地表單元上高程的集合，數(shù)學(xué)表達(dá)為：z=f(x，y)。

DTM：當(dāng)z為其它二維表面上連續(xù)變化的地理特征，如地面溫度、降雨、地球磁力、重力、土地利用、土壤類型等其他地面諸特征，此時(shí)的DEM成為DTM(DigitalTerrainModels)。

DEM與DTM的區(qū)分●數(shù)字高程模型(DigitalElevationModel，DEM)：研究地面起伏?！駭?shù)字地形模型(DigitalTerrainModel，DTM)：含有地面起伏和屬性(如坡度、坡向等)兩個(gè)含義，是DEM的進(jìn)一步分析。第四節(jié)數(shù)字高程模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能1.4.1DEM建立

地形圖數(shù)字化

影像數(shù)據(jù)野外（地面測(cè)量）

地形圖數(shù)字化

手工數(shù)字化半自動(dòng)等高線跟蹤

掃描數(shù)字化

主要數(shù)據(jù)源遙感影像數(shù)據(jù)

高分辨率遙感圖像如1米分辨率的IKONOS圖像1m（QuickBrid0.61m）合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)

機(jī)載激光掃描儀等新型傳感器數(shù)據(jù)

最有價(jià)值不同圖像空間分辨率合成孔徑雷達(dá)野外測(cè)量野外測(cè)量工作量大、周期長、成本高，一般不適合大范圍的DEM數(shù)據(jù)采集。高程數(shù)據(jù)精度要求比較高的場(chǎng)合，如在大比例尺地形測(cè)圖、地形建模、場(chǎng)地平整、公（鐵）路勘測(cè)設(shè)計(jì)等工程項(xiàng)目中

最精確地形的數(shù)字化表達(dá)方式

數(shù)學(xué)描述圖形方式圖像方式坡度的計(jì)算(1,0)(0,0)(1,1)Z10Z11Z01POQRS又：所以：1.4.2DEM操作DEM操作內(nèi)容包括編輯處理、濾波、合并、拼接、疊加以及不同格式DEM之間的相互轉(zhuǎn)換。

1.4.3DEM分析在DEM上進(jìn)行各類地形信息提取的過程稱為數(shù)字地形分析（DigitalTerrainAnalysis，DTA）

基本地形信息主要包括坡度、坡向、地表粗糙度、地形起伏度、剖面曲率、平面曲率等地形描述因子；復(fù)雜地形分析包括可視區(qū)域分析、地形特征提取、水系特征分析等。

1.4.4DEM可視化從內(nèi)容上DEM可視化包括二維和三維地形可視化

從技術(shù)角度地形可視化有靜態(tài)可視化和交互式動(dòng)態(tài)可視化兩種（/）

數(shù)碼城市和虛擬現(xiàn)實(shí)CityModelDOMDEMDLG1.4.5DEM應(yīng)用ArcView中的SpatialAnalyst、3DAnalyst擴(kuò)展模塊

ARC/INFO中的基于格網(wǎng)和不規(guī)則三角網(wǎng)的SpatialModelling模塊

MGE中的TerrainAnalyst分析模塊

SPANS中的Topographer模塊以及PAMAP中的TOPOGRAPHER模塊

坡度圖和坡向圖的制作

通常用3*3的格網(wǎng)窗口在DEM數(shù)據(jù)矩陣中連續(xù)移動(dòng)計(jì)算完成。

坡度圖等高線的繪制在格網(wǎng)DEM上自動(dòng)繪制等高線主要包括兩個(gè)步驟：1、等高線追蹤，利用DEM矩形格網(wǎng)點(diǎn)的高程內(nèi)插出格網(wǎng)邊上的等高線點(diǎn)，并將這些等高線點(diǎn)排序；2、等高線光滑，進(jìn)一步加密等高線點(diǎn)并繪制光滑曲線。

暈渲圖剖面分析可在格網(wǎng)DEM或三角網(wǎng)DEM上進(jìn)行。已知兩點(diǎn)的坐標(biāo)A(x1，y1)，B(x2，y2)，則可求出兩點(diǎn)連線與格網(wǎng)或三角網(wǎng)的交點(diǎn)，并內(nèi)插交點(diǎn)上的高程，以及各交點(diǎn)之間的距離。然后按選定的垂直比例尺和水平比例尺，按距離和高程繪出剖面圖。剖面圖不一定必須沿直線繪制，也可沿一條曲線繪制。可視區(qū)域分析數(shù)字高程模型與地理信息系統(tǒng)的關(guān)系

第五節(jié)數(shù)字高程模型與地理信息系統(tǒng)的關(guān)系數(shù)字高程模型是地理信息系統(tǒng)在概念和方法上的萌芽

數(shù)字高程模型作為地表地形信息的集合，自然是GIS空間數(shù)據(jù)庫的核心和各種地學(xué)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也成為GIS的基本空間分析方法。

1.數(shù)據(jù)采集方法無論是地理信息系統(tǒng)還是數(shù)字高程模型，首先要對(duì)地理對(duì)象進(jìn)行離散化表示采樣時(shí)失去的精度通過模型內(nèi)插可能永遠(yuǎn)得不到彌補(bǔ)

多種采樣方法的出現(xiàn)來提高采樣精度，如隨機(jī)分布采樣、規(guī)則分布采樣、串采樣，漸進(jìn)采樣，選擇性采樣，混合采樣

DEM數(shù)據(jù)采樣的基本原則是通過最少的采樣點(diǎn)來恢復(fù)和重建地形表面

2.空間數(shù)據(jù)內(nèi)插方法空間數(shù)據(jù)內(nèi)插技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在離散采樣點(diǎn)基礎(chǔ)上的連續(xù)表面建模，同時(shí)也可對(duì)未采樣點(diǎn)處的屬性值進(jìn)行估計(jì)，是分析地理數(shù)據(jù)空間變化規(guī)律和趨勢(shì)的有力工具。

DEM作為一類特殊的統(tǒng)計(jì)表面，高度逼真的地形建模技術(shù)和快速的內(nèi)插算法是DEM研究領(lǐng)域長期以來的追求目標(biāo)。

3.空間分析技術(shù)空間分析是地理信息系統(tǒng)的主要特征，也是地理信息系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)區(qū)別的根本標(biāo)志。

機(jī)助道路選線系統(tǒng)

機(jī)助道路選線系統(tǒng)要考慮路線走廊下墊面的巖性、地下水位、地質(zhì)條件、土壤力學(xué)性能等工程條件，還要考慮沿線的人口分布、土地利用、現(xiàn)有的交通網(wǎng)絡(luò)分布、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、生態(tài)環(huán)境等社會(huì)人文因素，是一個(gè)非常復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題

第六節(jié)數(shù)字高程模型應(yīng)用范疇與前景地學(xué)分析應(yīng)用

非地形特性應(yīng)用（重力、氣壓、磁場(chǎng)、降水、地價(jià)、土壤類型、工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值）

產(chǎn)業(yè)化和社會(huì)化服務(wù)

1.6.1科學(xué)研究應(yīng)用區(qū)域、全區(qū)氣候變化研究

水資源、野生動(dòng)植物分布

地質(zhì)、水文模型建立

地理信息系統(tǒng)

地形地貌分析

土地分類、土地利用、土地覆蓋變化檢測(cè)等

1.6.2商業(yè)應(yīng)用電訊

空中交通管理與導(dǎo)航

資源規(guī)劃管理與建設(shè)

地質(zhì)勘探

地質(zhì)勘探

遙感、測(cè)繪

多媒體應(yīng)用和電子游戲

1.6.3工業(yè)、工程應(yīng)用電訊

導(dǎo)航

航空

采礦業(yè)

旅游業(yè)

工程建設(shè)如公路、鐵路、水