數(shù)字測圖技術(shù)

第一章數(shù)字測圖概述【教學(xué)目的】：（1）、了解數(shù)字地圖，數(shù)字測圖等概念；數(shù)字測圖系統(tǒng)組成；數(shù)字測圖的發(fā)展過程和動(dòng)態(tài)；數(shù)字測圖的作業(yè)過程及作業(yè)模式。（2）、了解數(shù)據(jù)采集方式的種類；數(shù)字測圖的基本思想；數(shù)字測圖與白紙測圖的區(qū)別和聯(lián)系；數(shù)字測圖系統(tǒng)的分類；DTM的信息類別?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】：數(shù)字測圖的概念及基本思想，數(shù)字測圖與白紙測圖的區(qū)別和聯(lián)系、數(shù)字測圖的作業(yè)模式?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】：數(shù)字測圖的基本思想、數(shù)字測圖與白紙測圖的區(qū)別和聯(lián)系【教學(xué)方法】：講授法【授課課時(shí)】：6【教學(xué)手段】：常規(guī)教學(xué)【實(shí)施地點(diǎn)】：教室【教學(xué)過程】：新課導(dǎo)入：隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的發(fā)展及其在測繪領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，２０世紀(jì)８０年代產(chǎn)生了電子速測儀、電子數(shù)據(jù)終端，并逐步地構(gòu)成了野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將其與內(nèi)業(yè)機(jī)助制圖系統(tǒng)結(jié)合，形成了一套從野外數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)制圖全過程的、實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和自動(dòng)化的測量制圖系統(tǒng)，人們通常稱作為數(shù)字化測圖（簡稱數(shù)字測圖）或機(jī)助成圖。廣義的數(shù)字測圖主要包括：全野外數(shù)字測圖（或稱地面數(shù)字測圖、內(nèi)外一體化測圖）、地圖數(shù)字化成圖、攝影測量和遙感數(shù)字測圖。狹義的數(shù)字測圖指全野外數(shù)字測圖。1.1數(shù)字測圖的基本特點(diǎn)1.1.1數(shù)字地形表達(dá)一．地形表達(dá)的方法人們生活在地球上并與地球表面處處發(fā)生聯(lián)系：建筑師在地表設(shè)計(jì)、構(gòu)筑樓房；地質(zhì)學(xué)家研究地表結(jié)構(gòu)；地質(zhì)生態(tài)學(xué)家想了解地表形態(tài)和地物形成的過程；測繪工作者則對地形起伏進(jìn)行各種測量，并用各種方式如地圖和正射影像圖等描述地形。盡管專業(yè)領(lǐng)域不同，研究的側(cè)重點(diǎn)各異，但所有的工作都希望能用一種既方便又準(zhǔn)確的方法來表達(dá)實(shí)際地表現(xiàn)象。人類在很早以前就開始想方設(shè)法來描述自己所熟悉的地表現(xiàn)象，繪圖是最古老的一種，但僅是很粗略地反映所見到的地形景觀，但這些信息反映的主要是對象的形態(tài)特征和色彩特征，定量的描述則非常有限。另外一種古老而有效并一直沿用至今的精確表達(dá)地表現(xiàn)象的方式是地圖。地圖對人類社會發(fā)展的作用如同語言和文字對社會發(fā)展的作用一樣，具有不言而喻的重要性。地圖是記錄和傳達(dá)關(guān)于自然世界、社會和人文的位置與空間特性信息最卓越的工具。早期地圖用半符號、半寫景的方法來表示地形，實(shí)現(xiàn)了在各種二維介質(zhì)平面上對實(shí)際的三維地形表面的表示和描述?，F(xiàn)代地圖按照一定的數(shù)學(xué)法則，運(yùn)用符號系統(tǒng)概括地將地面上各種自然和社會現(xiàn)象表示在平面上。地圖具有三個(gè)基本的特性：數(shù)學(xué)法則性、制圖綜合性和內(nèi)容符號性?，F(xiàn)代地圖的最大優(yōu)點(diǎn)在于具有可量測性。在各種地圖中，用來準(zhǔn)確描述地貌形態(tài)的是等高線地圖。用等高線來表達(dá)地形表面起伏可追溯到18世紀(jì)，它的方便性和直觀性使得人們認(rèn)為在制圖學(xué)的歷史上等高線是一項(xiàng)最重要的發(fā)明。在等高線地形圖上，所有的地形信息都正交地投影在水平面上，用線劃或符號表示成比例縮小后的地物，而地物高度和地形起伏的信息則有選擇地用等高線進(jìn)行表達(dá)。與各種線劃圖形相比，影像無疑具有更大的優(yōu)點(diǎn)，如細(xì)節(jié)豐富、成像快速、直觀逼真等，因此攝影術(shù)一出現(xiàn)就被廣泛用于記錄我們生活的這個(gè)世界。1849年出現(xiàn)了利用地面攝影相片進(jìn)行地形圖的編繪，而航空攝影由于周期短、覆蓋面廣、現(xiàn)勢性強(qiáng)而廣泛采用。利用多張具有一定重迭度的像片還能重建實(shí)際地形的立體模型，并可以進(jìn)行精確進(jìn)行三維定位。20世紀(jì)60年代初，遙感技術(shù)隨著空間科學(xué)的發(fā)展面興起。70年代美國地球資源衛(wèi)星上天后，遙感技術(shù)獲得了極為廣泛的應(yīng)用。在遙感技術(shù)中除了使用對可見光攝影的框幅式黑白攝影機(jī)，還使用彩色或彩紅外攝影機(jī)、全景攝影機(jī)、紅外掃描儀、雷達(dá)、CCD推掃式行掃描儀和矩陣數(shù)字?jǐn)z影機(jī)等，它們能提供比原先黑白像片更豐富的影像信息。從本質(zhì)上講，地圖是對客觀存在的特征和變化規(guī)則的一種科學(xué)的概括和抽象。對于地圖中最典型也是最重要的地形圖而言，由于其描述的客觀世界是豐富多彩、千姿百態(tài)的三維空間實(shí)體，其二維空間的表達(dá)與所表示的三維現(xiàn)實(shí)世界之間有著不可逾越的鴻溝。因此，地圖學(xué)者們一直致力于地形圖的立體表示，試圖尋求一種既能符合人們的視覺生理習(xí)慣，又能恢復(fù)真實(shí)世界的表示方法。在此過程中先后出現(xiàn)了寫景法、地貌暈翁法、地貌暈渲法、分層設(shè)色法等，但由于這些方法缺乏嚴(yán)密的數(shù)學(xué)理論以及繪制復(fù)雜等而使其受到了很大局限。20世紀(jì)中葉后，伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、現(xiàn)代數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等的發(fā)展，各種數(shù)字的地形表達(dá)方式也得到迅猛的發(fā)展。電子計(jì)算機(jī)為自然科學(xué)的發(fā)展提供了進(jìn)行嚴(yán)密計(jì)算和快速演繹的工具。使用計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)是當(dāng)今信息時(shí)代的一個(gè)重要標(biāo)志，其在測繪方面的應(yīng)用使得測繪學(xué)科逐步向數(shù)字化與自動(dòng)化、實(shí)時(shí)處理與多用途的方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)技術(shù)在很大程度上改變了地圖制圖的生產(chǎn)方式，同時(shí)也改變著地圖產(chǎn)品的樣式和用圖概念。借助于數(shù)字地形表達(dá)，現(xiàn)實(shí)世界的三維特征得到充分而真實(shí)的再現(xiàn)?？傊簲?shù)字地形表達(dá)的方式可以分為兩大類，即數(shù)學(xué)描述和圖像描述。使用傅立葉級數(shù)和多項(xiàng)式來描述地形是常用的數(shù)學(xué)描述方法。規(guī)則格網(wǎng)、不規(guī)則格網(wǎng)、等高線、剖面圖等則是圖像描述的常用方式。二．?dāng)?shù)字地面模型模型是用來表現(xiàn)其它事物的一個(gè)對象或概念，是按比例縮減并轉(zhuǎn)變到我們能夠理解的形式的事物本體。建立模型可以有許多特定的目的，如預(yù)測、控制等。在這種情況下，模型只需要具備足夠重要的細(xì)節(jié)來滿足即可。同時(shí)，模型也可以用來表現(xiàn)系統(tǒng)或現(xiàn)象的最初狀態(tài)，或者用來表現(xiàn)某些假定或預(yù)測的情況等。一般說來，模型可以分為三種不同的層次，即概念模型、物質(zhì)模型的數(shù)學(xué)模型。概念模型是基于個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)與知識在大腦中形成的關(guān)于狀況或?qū)ο蟮哪Ｐ?，概念模型往往也形成了模擬的初級階段。然而，如果事物非常復(fù)雜難于描述，則模擬也許只能停留在概念的形式上。物質(zhì)模型通常是一個(gè)模擬的模型，如用橡膠、塑料或泥土制成的地形模型等。數(shù)學(xué)模型一般是基于數(shù)字系統(tǒng)的定量模型，根據(jù)問題的確定性和隨機(jī)性數(shù)學(xué)模型又有函數(shù)模型和隨機(jī)模型之分。采用數(shù)學(xué)模型具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：1．理解現(xiàn)實(shí)世界和發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律的工具；2．提供了考慮所有可能性、評價(jià)選擇性和排除不可能的機(jī)會；3．幫助在其它領(lǐng)域推廣或應(yīng)用解決問題的結(jié)果；4．幫助明了思路，集中精力關(guān)注問題重要的方面；5．使問題的主要成分能被更好地觀察，同時(shí)確保交流、減少模糊，并提供關(guān)于問題一致看法的機(jī)會。評價(jià)數(shù)學(xué)模型的標(biāo)準(zhǔn)：精確性：模型的輸出是正確的或是非常接近正確；描述的現(xiàn)實(shí)性：基本正確的假設(shè)；準(zhǔn)確性：模型的預(yù)測是確定的數(shù)字、函數(shù)或幾何圖表等；可靠性：對輸入數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤具有相對免疫力；一般性：適用大多數(shù)情況；成效性：結(jié)論有用，并可以啟發(fā)或指導(dǎo)其它好的模型。麻省理工學(xué)院教授米勒將計(jì)算機(jī)和攝影測量技術(shù)結(jié)合在一起，比較成功地解決了道路工程的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)問題。測繪學(xué)從地形測繪的角度來研究數(shù)字地面模型，一般僅把基本地形圖中的地形要素、特別是高程信息，作為數(shù)字地面模型的內(nèi)容。測繪學(xué)家心目中的數(shù)字地面模型是新一代的地形圖，地貌和地物不再用直觀的等高線和圖例符號在紙上表達(dá)，而是通過儲存在磁介質(zhì)中的大量密