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：從模擬到數(shù)字當前1頁，總共83頁。當前2頁，總共83頁。數(shù)字地面模型與其他學(xué)科的關(guān)系測繪遙感軍事水文土木工程農(nóng)林規(guī)劃地質(zhì)當前3頁，總共83頁。第二節(jié)數(shù)字高程模型的概念與理解當前4頁，總共83頁。

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)實現(xiàn)對地形曲面的數(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)表達為：z=f(x，y)。

當前5頁，總共83頁。DEM的表示方法DEM通常是將有限的采樣點用某種規(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的采樣點或內(nèi)插點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)。

當前6頁，總共83頁。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，DEM來源于直接規(guī)則矩形格網(wǎng)采樣點或由不規(guī)則離散數(shù)據(jù)點內(nèi)插產(chǎn)生。

結(jié)構(gòu)簡單，計算機對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。

當前7頁，總共83頁。規(guī)則格網(wǎng)模式的缺點Grid系統(tǒng)有下列缺點：

1、地形簡單的地區(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、對于某些特殊計算如視線計算時，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；

當前8頁，總共83頁。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)的計算。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

TIN（TriangulatedIrregularNetwork)表示法利用所有采樣點取得的離散數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化組合的原則，把這些離散點(各三角形的頂點)連接成相互連續(xù)的三角面(在連接時，盡可能地確保每個三角形都是銳角三角形或是三邊的長度近似相等—Delaunay)。

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

當前9頁，總共83頁。TIN的三角剖分當前10頁，總共83頁。TIN模型的表現(xiàn)當前11頁，總共83頁。第三節(jié)數(shù)字高程模型的研究內(nèi)容當前12頁，總共83頁。1、地形數(shù)據(jù)采樣●數(shù)字攝影測量：利用帶自動記錄裝置的立體測圖儀或立體坐標儀、解析測圖儀及數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，進行人工、半自動或全自動的量測。其原理是在攝影圖的基礎(chǔ)上利用測圖儀進行測量?！瘳F(xiàn)有地圖數(shù)字化：對已有地圖上的信息(如等高線)進行數(shù)字化?！竦孛鏈y量：利用自動記錄的測距經(jīng)緯儀在野外實地測量。●空間傳感器：利用GPS，結(jié)合雷達和激光測高儀采集數(shù)據(jù)。當前13頁，總共83頁。2、地形建模與內(nèi)插DEM是對地形表面的數(shù)字化表示，其建立過程實際上是一種數(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所表達，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)插方法來進行處理。

當前14頁，總共83頁。2、地形建模與內(nèi)插

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

局部函數(shù)內(nèi)插

逐點內(nèi)插法當前15頁，總共83頁。3、數(shù)據(jù)組織與管理更新存貯拼接檢查當前16頁，總共83頁。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3、DEM在工程上的應(yīng)用概述應(yīng)用：應(yīng)用算法：當前17頁，總共83頁。三維景觀當前18頁，總共83頁。當前19頁，總共83頁。數(shù)碼城市和虛擬現(xiàn)實CityModelDOMDEMDLG當前20頁，總共83頁。數(shù)碼深圳當前21頁，總共83頁。3D建筑當前22頁，總共83頁。DEM+DOM+DLG當前23頁，總共83頁。交通行業(yè)：數(shù)字公路（交通部公路勘測設(shè)計院）當前24頁，總共83頁。DEM的土石方計算立體計算線路挖土、石方量當前25頁，總共83頁。5、DEM可視化可視化（Visualization）是指運用計算機圖形圖像處理技術(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，觀察其模擬和計算的過程和結(jié)果，發(fā)現(xiàn)規(guī)律和傳播知識。

DEM實現(xiàn)以多種方式如等高線、暈渲圖、線框透視、動畫等在不通層面上對地形進行表達、觀察和瀏覽。當前26頁，總共83頁。6、不確定性分析和表達不確定性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當前27頁，總共83頁。數(shù)字高程模型類型當前28頁，總共83頁。當前29頁，總共83頁。1、按結(jié)構(gòu)分類當前30頁，總共83頁。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。當前31頁，總共83頁。當前32頁，總共83頁。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當前33頁，總共83頁。數(shù)字高程模型的特點當前34頁，總共83頁。DEM特點精度恒定性表達的多樣性

更新的實時性

尺度的綜合性

當前35頁，總共83頁。第三節(jié)數(shù)字高程模型的信息特征當前36頁，總共83頁。

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)實現(xiàn)對地形曲面的數(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)表達為：z=f(x，y)。

DTM：當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，此時的DEM成為DTM(DigitalTerrainModels)。

當前37頁，總共83頁。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)兩個含義，是DEM的進一步分析。當前38頁，總共83頁。第四節(jié)數(shù)字高程模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能當前39頁，總共83頁。當前40頁，總共83頁。1.4.1DEM建立

地形圖數(shù)字化

影像數(shù)據(jù)野外（地面測量）

當前41頁，總共83頁。地形圖數(shù)字化

手工數(shù)字化半自動等高線跟蹤

掃描數(shù)字化

主要數(shù)據(jù)源當前42頁，總共83頁。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）合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)

機載激光掃描儀等新型傳感器數(shù)據(jù)

最有價值當前43頁，總共83頁。當前44頁，總共83頁。不同圖像空間分辨率當前45頁，總共83頁。合成孔徑雷達當前46頁，總共83頁。野外測量野外測量工作量大、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合，如在大比例尺地形測圖、地形建模、場地平整、公（鐵）路勘測設(shè)計等工程項目中

最精確當前47頁，總共83頁。地形的數(shù)字化表達方式

數(shù)學(xué)描述圖形方式圖像方式當前48頁，總共83頁。坡度的計算(1,0)(0,0)(1,1)Z10Z11Z01POQRS又：所以：當前49頁，總共83頁。當前50頁，總共83頁。當前51頁，總共83頁。DEM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。

當前52頁，總共83頁。1.4.3DEM分析在DEM上進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。

當前53頁，總共83頁。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)可視化和交互式動態(tài)可視化兩種（）

當前54頁，總共83頁。數(shù)碼城市和虛擬現(xiàn)實CityModelDOMDEMDLG當前55頁，總共83頁。當前56頁，總共83頁。當前57頁，總共83頁。當前58頁，總共83頁。1.4.5DEM應(yīng)用ArcView中的SpatialAnalyst、3DAnalyst擴展模塊

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

當前59頁，總共83頁。當前60頁，總共83頁。當前61頁，總共83頁。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)移動計算完成。

坡度圖當前62頁，總共83頁。等高線的繪制在格網(wǎng)DEM上自動繪制等高線主要包括兩個步驟：1、等高線追蹤，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，并將這些等高線點排序；2、等高線光滑，進一步加密等高線點并繪制光滑曲線。

當前63頁，總共83頁。暈渲圖當前64頁，總共83頁。當前65頁，總共83頁。剖面分析可在格網(wǎng)DEM或三角網(wǎng)DEM上進行。已知兩點的坐標A(x1，y1)，B(x2，y2)，則可求出兩點連線與格網(wǎng)或三角網(wǎng)的交點，并內(nèi)插交點上的高程，以及各交點之間的距離。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。當前66頁，總共83頁?？梢晠^(qū)域分析當前67頁，總共83頁。數(shù)字高程模型與地理信息系統(tǒng)的關(guān)系

當前68頁，總共83頁。第五節(jié)數(shù)字高程模型與地理信息系統(tǒng)的關(guān)系當前69頁，總共83頁。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。

當前70頁，總共83頁。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，首先要對地理對象進行離散化表示采樣時失去的精度通過模型內(nèi)插可能永遠得不到彌補

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

當前71頁，總共83頁。DEM數(shù)據(jù)采樣的基本原則是通過最少的采樣點來恢復(fù)和重建地形表面

當前72頁，總共83頁。2.空間數(shù)據(jù)內(nèi)插方法空間數(shù)據(jù)內(nèi)插技術(shù)實現(xiàn)了在離散采樣點基礎(chǔ)上的連續(xù)表面建模，同時也可對未采樣點處的屬性值進行估計，是分析地理數(shù)據(jù)空間變化規(guī)律和趨勢的有力工具。

DEM作為一類特殊的統(tǒng)計表面，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。

當前73頁，總共83頁。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)別的根本標志。

機助道路選線系統(tǒng)

當前74頁，總共83頁。機助道路選線系統(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)境等社會人文因素，是一個非常復(fù)雜的多目標決策問題

當前75頁，總共83頁。第六節(jié)數(shù)字高程模型應(yīng)用范疇與前景當前76頁，總共83頁。地學(xué)分析應(yīng)用

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

產(chǎn)業(yè)化和社會化服務(wù)

當前77頁，總共83頁。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、土地覆蓋變化檢測等

當前78頁，總共83頁。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、測繪

多媒體應(yīng)用和電子游戲

當前79頁，總共83頁。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