數(shù)字高程模型 第一章 概論

數(shù)字高程模型第一章概論第一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日1、地表形態(tài)表達(dá)1.1地形的表達(dá)

●早期由于測(cè)量知識(shí)的缺乏，對(duì)地形表面形態(tài)的描述主要采用象形繪圖方法進(jìn)行，例如山體用巖石堆符號(hào)表達(dá)，山體范圍用一系列的“魚(yú)鱗”符號(hào)或類(lèi)似的錐形符號(hào)?！袷呤兰o(jì)以后，人們逐步意識(shí)到地面起伏變化對(duì)氣溫、植被、環(huán)境等的深刻影響，先后出現(xiàn)了透視寫(xiě)景圖、暈滃法、斜視區(qū)域圖、地貌寫(xiě)景圖、地貌形態(tài)圖、地貌單元圖等。第二頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日

●十八世紀(jì)，測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展使高程數(shù)據(jù)和平面位置數(shù)據(jù)的獲取成為現(xiàn)實(shí)，對(duì)地形的表達(dá)也由寫(xiě)景式的定性表達(dá)逐步過(guò)渡到以等高線為主的量化表達(dá)。在等高線地形圖上，地形起伏、地物等的描述不再是象形符號(hào)、色彩或明暗的變化，而是正交地投影在水平面上，相鄰高程相等的點(diǎn)連接而成的閉合曲線表示地形起伏特征和形態(tài)結(jié)構(gòu)，線劃符號(hào)表示按比例縮小的地物。第三頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日●與各種線劃圖形相比，用影像記錄景觀現(xiàn)象無(wú)疑具有更大的優(yōu)點(diǎn)，如地形特征表達(dá)細(xì)節(jié)豐富、直觀逼真、圖形獲取快速等，因此攝影技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)就被廣泛的用來(lái)記錄豐富多彩、千姿百態(tài)的自然景觀現(xiàn)象。航空攝影測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，使得影像數(shù)據(jù)獲取在周期、覆蓋面、應(yīng)用范圍等方面大幅度提高。第四頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日

1.2數(shù)字地形的表達(dá)。

●二十世紀(jì)六十年代以后，空間技術(shù)、通訊技術(shù)等的迅速發(fā)展，在航空攝影測(cè)量、航空地質(zhì)探礦、航空像片判讀應(yīng)用發(fā)展的基礎(chǔ)上誕生了遙感科學(xué)技術(shù)。伴隨著70年代美國(guó)地球資源衛(wèi)星（LandSat）的升空，攝影測(cè)量從航空發(fā)展到航天，遙感技術(shù)獲得極為廣泛的應(yīng)用。

●20世紀(jì)四十年代計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)以及相關(guān)技術(shù)如計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助制圖、現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論等的完善和實(shí)用，使得各種數(shù)字地形的表達(dá)方式得到迅速發(fā)展。借助于地形的數(shù)字化表達(dá)，現(xiàn)實(shí)世界的三維特征以及可量測(cè)性能夠得到充分而真實(shí)地再現(xiàn)。第五頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日

●1958年麻省理工學(xué)院攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)室Miller教授對(duì)計(jì)算機(jī)和攝影測(cè)量技術(shù)的結(jié)合在計(jì)算機(jī)輔助道路設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了試驗(yàn)，量取了設(shè)計(jì)道路兩側(cè)大量的地形點(diǎn)三位空間坐標(biāo)，由計(jì)算機(jī)取代人進(jìn)行土方計(jì)算、方案比選等，成功地解決了道路工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)問(wèn)題。證明了用計(jì)算機(jī)進(jìn)行地形表達(dá)的可行性、巨大應(yīng)用潛力和經(jīng)濟(jì)效益。提出了Digitalterrainmodel—DTM，數(shù)字地面模型，隨后在測(cè)繪、遙感、農(nóng)林、土木工程、軍事、地學(xué)分析等領(lǐng)域得到廣泛深入地研究。地形表達(dá)從模擬時(shí)代走向數(shù)字時(shí)代！第六頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日2、數(shù)字高程模型

2.1數(shù)字高程模型的概念

●高程用來(lái)描述地形表面的起伏形態(tài)，傳統(tǒng)的高程模型是等高線，其數(shù)學(xué)意義是定義在二維地理空間上的連續(xù)曲面函數(shù)，當(dāng)此高程模型用計(jì)算機(jī)來(lái)表達(dá)時(shí)，稱(chēng)為數(shù)字高程模型。計(jì)算機(jī)化的數(shù)字高程模型需要考慮三方面的因素：●計(jì)算機(jī)容量：建立完整的連續(xù)三維表面模型需要無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)，需要無(wú)限的存儲(chǔ)容量，因此與傳統(tǒng)的地形測(cè)圖一樣連續(xù)曲面必須是離散的?！裰挥袑⒛M數(shù)據(jù)（地形圖等圖形數(shù)據(jù)和文字?jǐn)?shù)據(jù)）轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，參能為計(jì)算機(jī)所接受?！衲Ｐ突磉_(dá)：用數(shù)字表達(dá)的有限的地形高程數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中按一定的規(guī)則進(jìn)行組織，這樣才可以從建地形表面。第七頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)字高程模型的定義為：數(shù)字高程模型是對(duì)二維地理空間上具有連續(xù)變化特征地理現(xiàn)象通過(guò)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－－模型化表達(dá)和過(guò)程模擬，DigitalElevationModel，簡(jiǎn)稱(chēng)DEM。簡(jiǎn)單地說(shuō)，空間起伏連續(xù)變化現(xiàn)象的數(shù)字化表示和分析工具的集合。狹義DEM：是區(qū)域地表面海拔高程的數(shù)字化表達(dá)－－地表；廣義DEM：是地理空間中地理對(duì)象表面海拔高度的數(shù)字化表達(dá)----對(duì)象表面，具有更大的包容性，如海底DEM，大氣等壓面DEM等。第八頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)字地面模型、數(shù)字高程模型定義Miller（1958）數(shù)字地面模型是利用一個(gè)任意坐標(biāo)場(chǎng)中大量選擇的已知X、Y、Z的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)連續(xù)地面的一個(gè)簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)表示。Doyle（1978）數(shù)字地面模型是描述地面諸特性空間分布的有序數(shù)值陣列，在一般情況下，所記錄的地面特性為高程值，它的空間分布由x、y平面坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)描述，也可通過(guò)經(jīng)度和緯度進(jìn)行描述海拔分布。，在新近文獻(xiàn)中，稱(chēng)上述高程或海拔分布的數(shù)字地面模型為數(shù)字高程模型，以與描述其他地面特性的數(shù)字地面模型有所區(qū)別。DTM可以是每三個(gè)三維坐標(biāo)值為一組的散點(diǎn)結(jié)構(gòu)，也可是由多項(xiàng)式或富里葉級(jí)數(shù)確定的曲面方程。另外數(shù)字地面模型可以包含除高程外的其他地面特性，如地價(jià)、土地權(quán)屬、土壤類(lèi)型、巖層深度等。王之卓（1979）數(shù)字地面模型是地形表面用x,y,z坐標(biāo)的數(shù)字形式的一種表達(dá)。Burrough(1986)ADigitalElevationModelisaquantitativemodelofapartoftheearth’ssurfaceindigitalform.Alsodigitalterrainmodel(DTM)Weibel(1991)ADTMisadigitalrepresentationofaportionoftheerath’ssurface龔健雅（1993）數(shù)字地面模型DTM是定義在二維區(qū)域上地形特征空間分布及關(guān)聯(lián)信息的一個(gè)有限n維向量系列{Xi}，數(shù)字高程模型DEM是DTM的一個(gè)子集，它表示地形空間分布的一個(gè)有限三維向量系列{X,Y,Z}，其中X,Y表示地形點(diǎn)的平面位置，Z表示相應(yīng)點(diǎn)的高程。第九頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日DEM和DTM的關(guān)系：DEM是DTM的子集，是DTM最基本的部分；20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了地理信息系統(tǒng)的概念，其含義包括了DTM，在概念上取代了DTM。DTM提出后，其實(shí)際發(fā)展和應(yīng)用中的內(nèi)涵還主要局限于DEM，故二者的名稱(chēng)混淆使用，主要表示的都是DEM的概念。第十頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日

2.2數(shù)字高程模型的研究?jī)?nèi)容

●地形數(shù)據(jù)采樣。建立DEM的基礎(chǔ)是地形高程數(shù)據(jù)，因此地形數(shù)據(jù)獲取是數(shù)字高程模型的首要環(huán)節(jié)。地形數(shù)據(jù)的分布、密度和精度對(duì)數(shù)字高程模型的質(zhì)量有著非常重要的影響。數(shù)據(jù)采樣策略、高精度快速數(shù)據(jù)采樣技術(shù)等一直是DEM數(shù)據(jù)采樣的主要研究議題之一。

●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(guò)程實(shí)際上是一種數(shù)學(xué)建模過(guò)程，也就是說(shuō)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(lái)進(jìn)行處理。高度逼真、多尺度地形建模技術(shù)和快速高效的內(nèi)插算法是數(shù)字高程模型永恒的主題。第十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日●數(shù)據(jù)組織與管理。DEM是按一定結(jié)構(gòu)組織在一起的地形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的好壞直接涉及DEM對(duì)地形的重建精度。對(duì)于大規(guī)模的地形數(shù)據(jù)，需要通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)和空間索引技術(shù)是高效的數(shù)據(jù)查詢(xún)、數(shù)據(jù)瀏覽、無(wú)縫漫游等的技術(shù)保證。地形表面具有多尺度特征，多尺度地形的表達(dá)與組織是DEM面臨的主要課題之一。

●地形分析與地學(xué)應(yīng)用。DEM的應(yīng)用主要包括兩個(gè)部分，即基本應(yīng)用和地學(xué)分析應(yīng)用。基本應(yīng)用主要是在DEM上實(shí)現(xiàn)等高線地形圖上的地形分析功能，如高程內(nèi)插、坡度坡向計(jì)算、土方計(jì)算、地形結(jié)構(gòu)識(shí)別等；地學(xué)分析應(yīng)用與具體學(xué)科相聯(lián)系，主要研究基于DEM的地學(xué)模型、地學(xué)過(guò)程模擬等內(nèi)容。第十二頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日●DEM可視化。實(shí)現(xiàn)以多種方式如等高線、暈渲圖、線框透視、動(dòng)畫(huà)等在不同層面上對(duì)地形進(jìn)行表達(dá)、觀察和瀏覽。

●不確定性分析和表達(dá)。數(shù)字高程模型的精度對(duì)DEM的生產(chǎn)者和使用者都具有十分重要的意義。DEM精度研究包括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、各種誤差在DEM數(shù)據(jù)操作過(guò)程中的傳播問(wèn)題以及DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)中的質(zhì)量控制策略等。

第十三頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日2.3數(shù)字高程模型的類(lèi)型(1)按結(jié)構(gòu)分類(lèi)（按其數(shù)據(jù)組織方式）●基于面單元的DEM：將采樣點(diǎn)按某種規(guī)則剖分成一系列的規(guī)則或不規(guī)則的格網(wǎng)單元，，并用這些格網(wǎng)單元組成的網(wǎng)絡(luò)逼近原始曲面。規(guī)則剖分如正方形格網(wǎng)DEM、六邊形格網(wǎng)DEM等。不規(guī)則單元如三角形DEM（TIN）、四邊形DEM?！窕诰€單元的DEM：將采樣點(diǎn)按線串組織在意的DEM?；诰€單元的DEM與數(shù)據(jù)采樣方式聯(lián)系在一起，如沿等高線采樣的數(shù)據(jù)可組織成基于等高線的DEM，斷面DEM等。第十四頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日●基于點(diǎn)的DEM：基于點(diǎn)的DEM實(shí)際上就是采樣點(diǎn)的集合，點(diǎn)與點(diǎn)之間沒(méi)有建立任何關(guān)系，稱(chēng)之為散點(diǎn)DEM。該種結(jié)構(gòu)由于點(diǎn)之間沒(méi)有任何關(guān)系而應(yīng)用不多。第十五頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日(2)按連續(xù)性分類(lèi)（從數(shù)學(xué)角度考察DEM模型連續(xù)性、一階導(dǎo)數(shù)及高階導(dǎo)數(shù)等的連續(xù)情況）●不連續(xù)型DEM：用來(lái)模擬地形表面分布的不具備漸變特征的地理對(duì)象如土壤、植被、土地利用等。DEM單元內(nèi)部是同質(zhì)的，變化之發(fā)生在單元邊界。不連續(xù)DEM的典型特征是DEM模型呈階梯狀分布。●連續(xù)不光滑DEM：該種DEM認(rèn)為DEM中的數(shù)據(jù)點(diǎn)僅僅袋便連續(xù)表面上的一個(gè)采樣值，整個(gè)曲面通過(guò)相互連接在一起的曲面片（格網(wǎng)單元）來(lái)逼近，格網(wǎng)單元在北部市連續(xù)光滑的，整體上呈連續(xù)分布但導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，如基于點(diǎn)山歌的DEM和TIN模型。第十六頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日●光滑DEM：光滑DEM是指一階導(dǎo)數(shù)或高階單數(shù)連續(xù)的表面，一般在區(qū)域或全局尺度上實(shí)現(xiàn)。光滑DEM可以使用數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)的地形曲面，或是在整個(gè)區(qū)域上通過(guò)全局內(nèi)插函數(shù)所形成的DEM，例如通過(guò)趨勢(shì)面擬合內(nèi)插所建立的DEM，也可以通過(guò)分塊內(nèi)插并建立各個(gè)塊之間的光滑條件形成的DEM。第十七頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日(2)按范圍分類(lèi)●局部DEM：對(duì)某一工程所建立的小范圍的DEM，或因?yàn)檠芯繀^(qū)域曲面變化比較復(fù)雜而將曲面劃分成具有單一結(jié)構(gòu)的一個(gè)個(gè)曲面塊，并在該曲面塊上所建立的數(shù)字高程模型。●地區(qū)DEM：介于局部和全局模型之間的DEM。●全局DEM：全局性DEM一般包含大量的數(shù)據(jù)并覆蓋一個(gè)很大的區(qū)域。第十八頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日2.4數(shù)字高程模型的特點(diǎn)與傳統(tǒng)的模擬數(shù)據(jù)如等高線地形圖相比，有如下特點(diǎn)：（1）精度的恒定性（2）表達(dá)的多樣性（3）更新的是實(shí)時(shí)性（4）尺度的綜合性第十九頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日2.5數(shù)字高程模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)字高程模型的理論和技術(shù)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用三部分組成。這三部分根據(jù)功能又可劃分為五個(gè)功能模塊：（1）DEM的建立（2）DEM模型操作（3）DEM分析（4）DEM可視化（5）DEM應(yīng)用各個(gè)功能模塊之間的數(shù)據(jù)流不是單向的，是相互流動(dòng)的。第二十頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日3、數(shù)字高程模型的應(yīng)用3.1科學(xué)研究應(yīng)用區(qū)域、全球氣候變化研究水資源、野生動(dòng)植物分布地質(zhì)、水文模型地理信息系統(tǒng)地形地貌分析土地分類(lèi)、土地利用、土地覆蓋變化、監(jiān)測(cè)等第二十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日3.2商業(yè)應(yīng)用數(shù)字高程模型的應(yīng)用是面向用戶(hù)的，因此DEM的商業(yè)價(jià)值在于DEM產(chǎn)品與DEM派生產(chǎn)品的生產(chǎn)和分發(fā)。DEM的商業(yè)市場(chǎng)可分為兩類(lèi)：直接提供DEM數(shù)據(jù)而不進(jìn)行增值服務(wù)和用戶(hù)需要增值服務(wù)。主要行業(yè)有：電信交通管理與導(dǎo)航資源規(guī)劃管理與建設(shè)地質(zhì)勘探水文和氣象服務(wù)遙感、測(cè)繪多媒體應(yīng)用和電子游戲第二十二頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日

3.3工業(yè)、工程應(yīng)用主要用于進(jìn)行各種輔助決策和