任務(wù)5.4 數(shù)字高程模型分析

任務(wù)5.4數(shù)字高程模型分析項(xiàng)目5

GIS空間數(shù)據(jù)查詢與分析內(nèi)容提要01數(shù)字高程模型概述區(qū)別:

※DEM表示地貌，DTM不僅表示地貌也表示地物。

※DEM是DTM的子集數(shù)字地形模型（DigitalTerrainModel，簡(jiǎn)稱DTM）是利用一個(gè)任意坐標(biāo)場(chǎng)中大量已知的X，Y，Z坐標(biāo)點(diǎn)，對(duì)連續(xù)地面一個(gè)簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)表示。是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。地形屬性特征包括高程、坡度、坡向、土地利用、降雨等地面特征。數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel，簡(jiǎn)稱DEM）是通過(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，它是對(duì)二維地理空間上具有連續(xù)變化特征地理現(xiàn)象的模型化表達(dá)和過(guò)程模擬。

1.DTM及DEM的定義DEM的三維顯示DEM1.DTM及DEM的定義z=f(x,y)2.DEM的表示方法1）線模式等高線*一個(gè)有序的坐標(biāo)點(diǎn)序列*帶有高程值屬性的簡(jiǎn)單多邊形或多邊形弧段。*數(shù)據(jù)表達(dá)的局部性*任意點(diǎn)高程獲得須插值。2.DEM的表示方法2）DEM的點(diǎn)模式表示-高程矩陣●表示方法：將區(qū)域劃分成網(wǎng)格，記錄每個(gè)網(wǎng)格的高程；◆優(yōu)點(diǎn)：

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)處理方便◆缺點(diǎn)：

平坦地區(qū)-數(shù)據(jù)冗余；格網(wǎng)固定-無(wú)法表達(dá)復(fù)雜地形；地表表達(dá)不連續(xù)。2.DEM的表示方法2）DEM的點(diǎn)模式表示-GRID離散數(shù)據(jù)點(diǎn)內(nèi)插規(guī)則矩形格網(wǎng)(GRID)2.DEM的表示方法◆缺點(diǎn)：

地形簡(jiǎn)單-大量冗余數(shù)據(jù)；地形復(fù)雜-不能精確表示地形的關(guān)鍵特征◆優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)處理方便2）DEM的點(diǎn)模式表示-GRID2.DEM的表示方法2）DEM的點(diǎn)模式表示-TIN

●保證最鄰近的點(diǎn)構(gòu)成三角形●TIN是惟一的

●力求最佳的三角形幾何形狀

?什么樣的三角網(wǎng)符合地形表達(dá)的要求2.DEM的表示方法2）DEM的點(diǎn)模式表示-TIN●Delaunay三角網(wǎng)是唯一的●三角網(wǎng)的外邊界構(gòu)成了點(diǎn)集P的凸多邊形“外殼”●空?qǐng)A特性●形成的三角形網(wǎng)總是具有最優(yōu)的形狀特征

Delaunay三角網(wǎng)2.DEM的表示方法●任意點(diǎn)高程獲取

頂點(diǎn)上-其高程與頂點(diǎn)相同；在線上-兩個(gè)頂點(diǎn)線性插值得到；

三角形-由三個(gè)頂點(diǎn)插值得到?！馮IN的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：可變的分辨率顧及地表特征利用隨機(jī)點(diǎn)數(shù)據(jù)，精度高

缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與操作復(fù)雜2）DEM的點(diǎn)模式表示-TIN2.DEM的表示方法02數(shù)字高程模型建立建立DEM、首先必須量測(cè)一些點(diǎn)的三維坐標(biāo)，這就是DEM數(shù)據(jù)采集或DEM數(shù)據(jù)獲取，這些具有三維坐標(biāo)的點(diǎn)稱為數(shù)據(jù)點(diǎn)或參考點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集是DEM的關(guān)鍵問(wèn)題，數(shù)據(jù)的采集密度和采集點(diǎn)的選擇決定DEM的精度。數(shù)據(jù)采集按采集方式可分為選點(diǎn)采集、隨機(jī)采集、沿等高線采集、沿?cái)嗝娌杉?；按?shù)據(jù)的來(lái)源可分為地形圖數(shù)字化采集、航空相片采集、地面測(cè)量采集、機(jī)載測(cè)高儀采集等；按數(shù)據(jù)采集的方法可分為人工、半自動(dòng)和自動(dòng)采集等。1.DEM數(shù)據(jù)獲取沿?cái)嗝娌杉x點(diǎn)采集（1）人工網(wǎng)格法

2.DEM建立方法在地形圖上蒙上格網(wǎng)，逐格讀取中心點(diǎn)或交點(diǎn)的高程值。

對(duì)有限個(gè)離散點(diǎn)，每三個(gè)鄰近點(diǎn)聯(lián)結(jié)成三角形，每個(gè)三角形代表一個(gè)局部平面，再根據(jù)每個(gè)平面方程，可計(jì)算各格網(wǎng)點(diǎn)高程，生成DEM。（2）三角網(wǎng)法2.DEM建立方法（3）曲面擬合法

根據(jù)有限個(gè)離散點(diǎn)的高程，采用多項(xiàng)式或樣條函數(shù)求得擬合公式，再逐個(gè)計(jì)算各點(diǎn)的高程，得到擬合的DEM?？煞从晨偟牡貏?shì)，但局部誤差較大。整體擬合：根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)所有采樣點(diǎn)的觀測(cè)值建立趨勢(shì)面模型。特點(diǎn)是不能反映內(nèi)插區(qū)域內(nèi)的局部特征。局部擬合：利用鄰近的數(shù)據(jù)點(diǎn)估計(jì)未知點(diǎn)的值，能反映局部特征。2.DEM建立方法（4）等值線插值法2.DEM建立方法03數(shù)字高程模型分析1.坡度

定義為地表單元的法向與Z軸的夾角，即切平面與水平面的夾角。

在計(jì)算出各地表單元的坡度后，可對(duì)不同的坡度設(shè)定不同的灰度級(jí)，可得到坡度圖。2.坡向

坡向是地表單元的法向量在水平面上的投影與X軸之間的夾角。在計(jì)算出每個(gè)地表單元的坡向后，可制作坡向圖，通常把坡向分為東、南、西、北、東北、西北、東南、西南8類，再加上平地，共9類，用不同的色彩顯示，即可得到坡向圖。3.地表粗造度（破碎度）

是反映地表的起伏變化和侵蝕程度的指標(biāo)，一般定義為地表單元的曲面面積與其水平面上的投影面積之比。一、基于DEM的信息提取GridDEM上制作坡度、坡向圖在格網(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：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。二、等高線的繪制1.剖面分析（1）意義常?？梢砸跃€代面，研究區(qū)域的地貌形態(tài)、輪廓形狀、地勢(shì)變化、地質(zhì)構(gòu)造、斜坡特征、地表切割強(qiáng)度等。

如果在地形剖面上疊加其它地理變量，例如坡度、土壤、植被、土地利用現(xiàn)狀等，可以提供土地利用規(guī)劃、工程選線和選址等的決策依據(jù)。三、基于DEM的可視化

（2）繪制可在格網(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。三、基于DEM的可視化2.通視分析

通視分析是指以某一點(diǎn)為觀察點(diǎn)，研究某一區(qū)域通視情況的地形分析。（1）方法a.以O(shè)為觀察點(diǎn)，對(duì)格網(wǎng)DEM或三角網(wǎng)DEM上的每個(gè)點(diǎn)判斷通視與否，通視賦值為1，不通視賦值為0。由此可形成屬性值為0和1的格網(wǎng)或三角網(wǎng)。對(duì)此以0.5為值追蹤等值線，即得到以O(shè)為觀察點(diǎn)的通視圖。三、基于DEM的可視化b.以觀察點(diǎn)O為軸，以一定的方位角間隔算出0°～360°的所有方位線上的通視情況。對(duì)于每條方位線，通視的地方繪線，不通視的地方斷開(kāi)，或相反。這樣可得出射線狀的通視圖。a）傾角法格網(wǎng)DEM為例，O(xo，yo，zo)為觀察點(diǎn)，P(xp,yp,zp)為某一格網(wǎng)點(diǎn)，OP與格網(wǎng)的交點(diǎn)為A、B、C。OP的傾角為α觀察點(diǎn)與各交點(diǎn)的傾角為βi(i＝A,B,C)，若tgα＞max(tgβi,i＝A、B、C)，則OP通視；否則，不通視。b)剖面圖兩點(diǎn)連線是否與剖面相交。（2）關(guān)鍵算法均是判斷格網(wǎng)或三角網(wǎng)上的某一點(diǎn)是否通視（即兩點(diǎn)是否可見(jiàn)）。(兩點(diǎn)是否可見(jiàn)的算法)三、基于DEM的可視化ABA（3）通視分析示例觀察點(diǎn)不通視通視三、基于DEM的可視化3.地形三維圖繪制DEM高程點(diǎn)建立幾何模型透視變換隱藏線、面的消除光照模型計(jì)算貼紋理圖形輸出三、基于DEM的可視化三、基于DEM的可視化3.地形三維圖繪制4.地貌暈渲圖繪制三、基于DEM的可視化地貌暈渲法即陰影立體法，它可以增加丘陵和山地地區(qū)描述高差起伏的視覺(jué)效果。自動(dòng)暈渲的原理是基于“地面在人們眼里看到的是什么樣子、用何種理想的材料來(lái)制作、以什么方向?yàn)楣庠凑彰鞣较颉钡饶Ｊ健?/p>

自動(dòng)暈渲圖的計(jì)算首先是根據(jù)DEM計(jì)算坡度和坡向，然后將坡向數(shù)據(jù)與光源方向比較，而向光源的斜坡得到淺色調(diào)值，反方向的斜坡得到深色調(diào)灰值，介于中間坡向的坡度得到中間灰值。灰值的大小按坡度進(jìn)一步確定。5.模擬飛行三、基于DEM的可視化DEM圖象通過(guò)與TM圖象中7個(gè)不同波段進(jìn)行疊加，生成仿真的真彩色或假彩色三維地形模型（DTM），在此基礎(chǔ)上進(jìn)行飛行模擬。

在飛行模擬環(huán)境中，可以根據(jù)觀察的需要，對(duì)地面顯示速度、方位、觀察位置、高程和透視角度進(jìn)行交互控制，完全達(dá)到身臨其境的效果。同時(shí)，它能將大范圍、廣視角和小范圍、高精度有機(jī)地結(jié)合起來(lái)進(jìn)行顯示可以從不同的高度、方位由遠(yuǎn)及近地觀察大山的總體記部分特征。三、基于DEM的可視化04DEM特點(diǎn)與應(yīng)用與傳統(tǒng)地形圖比較，DEM作為地形表面的一種數(shù)字表達(dá)形式有如下特點(diǎn)：1）容易以多種形式顯示地形信息。地形數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理過(guò)后，產(chǎn)生多種比例尺的地形圖、縱橫斷面圖和立體圖。而常規(guī)地形圖一經(jīng)制作完成后，比例尺不容易改變或需要人工處理。2）精度不會(huì)損失。常規(guī)地圖隨時(shí)間的推移，圖紙將會(huì)變形，失掉原有的精度。而DEM采用數(shù)字媒介，因而能保持精度不變。另外，由常規(guī)的地圖用人工方法制作其他種類的地圖，精度會(huì)受到損失，而由DEM直接輸出，精度可得到控制。3）容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化。常規(guī)地圖要增加和修改都必須重復(fù)相同的工序，勞動(dòng)強(qiáng)度大而且周期長(zhǎng)，而DEM由于是數(shù)字形式的，所以增加和修改地形信息只需將修改信息直接輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)軟件處理后即可得各種地形圖。1.DEM的特點(diǎn)DEM主要產(chǎn)品：★等高線圖2.DEM的應(yīng)用DEM主要產(chǎn)品：★坡度圖2.DEM的應(yīng)用DEM主要產(chǎn)品：★坡向圖2.DEM的應(yīng)用DEM主要產(chǎn)品：★通視圖2.DEM的應(yīng)用DEM主要產(chǎn)品：★斷面圖2.DEM的應(yīng)用DEM主要產(chǎn)品：★水文分析2.DEM的應(yīng)用DEM主要產(chǎn)品：★暈渲圖2.DEM的應(yīng)用DEM主要產(chǎn)品：★三維立體圖2.DEM的應(yīng)用2.DEM的應(yīng)用

1）國(guó)家地理信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；

2）工程建設(shè)與規(guī)劃