數(shù)字地面模型的建立與應(yīng)用

第一頁，共四十五頁，2022年，8月28日第二頁，共四十五頁，2022年，8月28日第三頁，共四十五頁，2022年，8月28日第四頁，共四十五頁，2022年，8月28日第五頁，共四十五頁，2022年，8月28日第六頁，共四十五頁，2022年，8月28日§6.1概述數(shù)字地面模型DTM（DigitalTerrainModel）最初是美國麻省理工學(xué)院Miller教授為了高速公路的自動設(shè)計于1956年提出的。數(shù)字地面模型DTM的理論與實踐由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用三個部分組成。對它的研究經(jīng)歷了四個時期。20世紀(jì)50年代是其概念形成的時期；60年代至70年代對其內(nèi)插問題進行了大量的研究。80年代以來，對DTM系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)包括數(shù)據(jù)采集，粗差探測、數(shù)據(jù)壓縮、DTM應(yīng)用進行了研究。第七頁，共四十五頁，2022年，8月28日§6.2數(shù)字地面模型的概念及表達(dá)形式?與傳統(tǒng)的地圖相比較，DTM作為地表信息的一種數(shù)字表達(dá)形式有著無可比擬的優(yōu)越性。①可以直接輸入計算機，供各種計算機輔助設(shè)計使用。②可以運用多層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲豐富的信息（地形圖無法表達(dá)的垂直分布地物信息）。③存儲形式是數(shù)字形式的，便于修改、更新、管理、轉(zhuǎn)換。第八頁，共四十五頁，2022年，8月28日第九頁，共四十五頁，2022年，8月28日?DTM（DigitalTerrainModels）即數(shù)字地面模型，它是地形起伏的數(shù)字表達(dá)，它由對地形表面取樣所得到的一組點的x、y、Z坐標(biāo)數(shù)據(jù)和一套對地面提供連續(xù)的描述的算法組成。簡單地說，數(shù)字地面模型是按一定結(jié)構(gòu)組織在一起的數(shù)據(jù)組，它代表著地形特征的空間分布。DTM是建立地形數(shù)據(jù)庫的基本數(shù)據(jù)，可以用來制作等高線圖、坡度圖、專題圖等多種圖解產(chǎn)品。

?DTM是地形表面形態(tài)等多種信息的一個數(shù)字表示。嚴(yán)格地說，DTM是定義在某一區(qū)域D上的維向量有限序列：地形，環(huán)境，資源，土地利用，人口分布等多種信息的定量或定性描述。第十頁，共四十五頁，2022年，8月28日第十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日DTM的表達(dá)形式（GRID，TIN）1、規(guī)則矩形格網(wǎng)（GRID）第十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日第十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日§6.3DEM的數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理為了建立DEM，必須量測一些點的三維坐標(biāo)，這就是DEM的數(shù)據(jù)采集或數(shù)據(jù)獲取。通常是按一定的測量方法（野外直接測量、數(shù)字?jǐn)z影測量等），在測區(qū)內(nèi)測量一定數(shù)量的離散點的平面位置和高程，這些點稱為控制點（數(shù)據(jù)點或參考點）。接著，以控制點為網(wǎng)絡(luò)框架，在其中內(nèi)插大量的高程點，第十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日數(shù)字地面模型的數(shù)據(jù)來源主要有兩個方面：一是直接取自地形表面，二是間接取自地形表面的模擬模型。根據(jù)數(shù)據(jù)獲取的方法不同，數(shù)據(jù)來源可分為以下幾種：1、野外實地測量。即在實地直接測量地面點的平面位置和高程。一般使用電子速測儀進行觀測。一、DEM數(shù)據(jù)點的采集方法第十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日第十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日2、由現(xiàn)有地形圖上采集。最簡單的方法是在數(shù)字化臺上手工跟蹤等高線?，F(xiàn)在常用的方法是使用掃描裝置采集。（掃描數(shù)字化儀）手扶跟蹤數(shù)字化：利用數(shù)字化儀將地圖上的空間實體進行離散化采點。數(shù)字化儀是通過串口與計算機相聯(lián)的，它可以設(shè)置一系列參數(shù)（包括通信參數(shù)和數(shù)字化儀操作參數(shù)）以保證數(shù)據(jù)錄入的準(zhǔn)確性和精度。數(shù)字化儀的主要工作部分就是面板和游標(biāo)。第十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日5006573.25358.55573.80357.45575.55356.50578.10355.95579.67356.63580.00358.3840011571.20358.40571.83356.85573.15355.92575.15355.45577.05354.77580.08353.60582.85352.77584.60354.17584.42356.13582.83357.08582.00358.35第十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日3、由遙感系統(tǒng)直接測得。如航空和航天飛行器搭載雷達(dá)和激光測高儀獲得的數(shù)據(jù)。（LIDAR）第十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日4、數(shù)字?jǐn)z影測量方法是DEM數(shù)據(jù)點采集最常用的方法?？衫脭?shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，進行半自動或全自動的數(shù)據(jù)采集。第二十頁，共四十五頁，2022年，8月28日第二十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日利用影像匹配獲得的同名點進行相對定向第二十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日2、一維相關(guān)?目標(biāo)區(qū)：一維相關(guān)是在核線影像上只進行一維搜索。理論上，目標(biāo)區(qū)與搜索區(qū)可以是一維窗口。但是由于兩影像窗口的相似性測度一般為統(tǒng)計量，為了保證相關(guān)結(jié)果的可靠性，應(yīng)有較多的樣本進行估計，因此，目標(biāo)窗口的像素不應(yīng)太少。取一個以待定點為中心，個像素的窗口，此時，搜索區(qū)為個像素的灰度陣列，搜索工作只在一個方向進行，計算相似性測度目標(biāo)區(qū)搜索區(qū)第二十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日二、核線幾何關(guān)系解析與核線排列（P28）第二十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日第二十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日第二十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日1、核線幾何關(guān)系解析確定同名核線的方法很多，但基本上可以分為兩類：一是基于數(shù)字影像的幾何糾正；二是基于共面條件。（1）基于數(shù)字影像幾何糾正的核線解析關(guān)系?核線在航空攝影像片上的掃描行與核線不重合（是互相不平行的），它們交于一個點-核點，但是如果將像片上的核線投影到一對相對水平的像片對上（平行于攝影基線的像片對）則核線相互平行。?此方法的實質(zhì)是將傾斜像片上的核線投影到“水平像片”對上，求得“水平像片”對上的同名核線。P2P1S1S2a1a2J1J2O1O2A第二十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日核面同名核線A第二十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日核線重排列vu第二十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日X,Y,Z第三十頁，共四十五頁，2022年，8月28日EpipolarrectificationRectifiedImagePair第三十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日（2）、基于共面條件的同名核線幾何關(guān)系第三十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日§6.3DEM的內(nèi)插方法?DEM內(nèi)插就是根據(jù)參考點上的高程求出其它待定點的高程，在數(shù)學(xué)上屬于插值問題。由于所采集的原始數(shù)據(jù)排列一般是不規(guī)則的，因此，為了獲得規(guī)則格網(wǎng)的DEM，內(nèi)插是必不可少的一個步驟。由離散點內(nèi)插出規(guī)則格網(wǎng)（1）有限元法；（2）移動曲面擬合法。第三十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日§6.5三角網(wǎng)數(shù)字地面模型（DTM）第三十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日有興趣的同學(xué)參考《數(shù)字高程模型》李志林，朱慶，武漢測繪科技大學(xué)出版社，2000第三十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日3、二者的優(yōu)缺點比較（1）GRID是目前使用最廣泛的一種形式，因為GRIDDEM存儲量小（還可進行壓縮存儲），同時，由于計算機處理矩陣比較方便，因此，GRID非常便于使用和管理。GRID適用與大范圍的地形起伏不大的地區(qū)。但GRID的缺點是不能準(zhǔn)確表示地形的結(jié)構(gòu)與細(xì)部。（2）TIN能較好的顧及地貌特征點、線，表達(dá)復(fù)雜的地形表面比GRID要準(zhǔn)確，其缺點是數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而使用及管理也較復(fù)雜。不僅要存儲三角形的頂點，還要存儲各三角形的鄰接關(guān)系。第三十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日§6.6DTM的應(yīng)用?數(shù)字地面模型的應(yīng)用非常廣泛，在測繪中可用于繪制等高線、坡度和坡向圖、立體透視圖、制作正射影像圖（DOM）、立體景觀圖、立體匹配片、立體地形模型及地圖的修測。?在各種工程中可用于體積、面積的計算、各種剖面圖的繪制及線路的設(shè)計。?在遙感中可作為分類輔助的數(shù)據(jù)。第三十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日一、基于矩形格網(wǎng)的DEM多項式內(nèi)插DEM最基礎(chǔ)的應(yīng)用（也是各種應(yīng)用的基礎(chǔ)）是求DEM范圍內(nèi)任意一點P（X，Y）的高程，利用這些格網(wǎng)點的高程擬合一定的曲面，然后計算該點的高程。1、雙線性多項式內(nèi)插第三十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日(627.00,570.00)(627.00,580.00)(637.00,570.00)(637.00,580.00)第三十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日2、雙三次多項式內(nèi)插1234567813245678第四十頁，共四十五頁，2022年，8月28日第四十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日二、三角網(wǎng)中的內(nèi)插（參考《數(shù)字地面模型》）三、等高線的繪制（基于矩形格網(wǎng)）主要包含兩個步驟：①利用DEM矩形格網(wǎng)點的高程內(nèi)插出格網(wǎng)邊上的等高線點。②利用這些等高線點的平面坐標(biāo)進一步加密等高線。15014016015015215415615815215415615810m第四十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日等高線的繪制（基于矩形格網(wǎng)）第四十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日四、立體透視圖繪制立體透視圖所